автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Снижение энергетических затрат при обработке заготовок деталей машин лезвийными инструментами

На правах рукописи

Карпов Алексей Владимирович

СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ ПРИ ОБРАБОТКЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ЛЕЗВИЙНЫМИ ИНСТРУМЕНТАМИ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в Московской ГосудареIвенной Академии Приборостроения и Информатики (МГ'АПИ) и Муромском Институте (филиале) Владимирского Государс!венного Университет (МИ ВлГУ)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор А.Ю. АЛБАГАЧИЕВ

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор В.П. ВОРОНЕНКО;

- кандидат технических наук, профессор В.В. БЛОХИН

Ведущее предприятие:

ОАО «Муромский машиностроительный завод» (округ Муром, Владимирской области)

Защита состоится 27 апреля 2005 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.119.03 в Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики по адресу: 1079%, Москва, ул. Стромынка, 20, Зал заседаний

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАПИ

Автореферат разослан 21 марта 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, профессор

Н.И. КАСАТКИН

WW

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Обработка материалов резанием занимает до 75 % трудоемкости изготовления машиностроительных изделий - особенно в мелкосерийном производстве, когда используются заготовки приближенных форм со значительными припусками, напусками, допусками (прокат, отливки, кованые поковки). Образование одной тонны стружки сопровождается расходом в среднем 450 - 600 кВт ■ ч электроэнергии. Удельный вес энер! етической составляющей в себестоимости продукции в течение последних лет достигает 18 - 25 % и имеет тенденцию к дальнейшему росту. Поэтому снижение энергетических затрат является актуальной научной и прикладной задачей, от эффективного решения которой зависит рентабельность производства и конкурентоспособность выпускаемых изделий.

Уровень потребляемой электрической энергии и потери в приводе металлорежущего оборудования определяются величиной работы образования стружки, которая, в свою очередь, зависит от технологически управляемых параметров процесса резания: геометрических характеристик инструмента, скоростей главного движения и подачи, размеров срезаемого слоя и др. На практике при выборе условий формообразования применяют технико-экономические критерии, которые затруднительно использовать для оценки энергетических затрат. До сих пор не разработаны методики нормирования параметров лезвийной обработки, обеспечивающие качество и производительность за счет обоснованного количества работы режущего клина. Создание и внедрение таких методик сдерживается отсутствием показателей, связывающих подводимую к заготовке энергию с термодинамическим состоянием конструкционного материала, параметрами инструмента и режимами резания.

Цель работы. Снижение энергозатрат при лезвийной обработке на основе термодинамических критериев эффективности процесса резания.

Объектом исследований являются способы формообразования поверхностей деталей машин инструментами, имеющими одно или несколько режущих лезвий: резцами, фрезами, дисковыми пилами. Исследована обработка заготовок из конструкционных углеродистых и хромистых сталей, серых и ковких чугунов на токарных, фрезерных и круглопильных станках и автоматах.

Методы исследований. В работе использованы положения науки о резании материалов, термодинамики, технологии машиностроения, теории оптимизации технологических процессов. Оценка результатов и моделирование реализованы средствами автоматизации математических расчетов и программирования: MathCAD, MathLAB, Microsoft Excel, Delphi 7. Экспериментальные исследования проведены как в лабораторных, так и производственных условиях на действующем технологическом оборудовании с использованием сертифицированной регистрирующей аппаратуры.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ ЬИЬЛИОТГКА —jt—Петербург

2MSPK

Научная новизна:

1. Эффективность процесса резания оценена энергетическими показателями, определяемыми отношением потенциальной энергоемкости обрабатываемого материала к подведенным удельным энергозатратам.

2. Расчет потенциальной энергоемкости конструкционных материалов при резании осуществлен на основе их механических и теплофизических свойств с учетом характера разрушения материалов, назначения технологических переходов и типа образующихся стружек.

3. Закономерности изменения мощности резания систематизированы в виде четырех схем, каждую из которых характеризуют коэффициенты аппроксимации, пропорциональные величине энергозатрат.

4. Выявлены функциональные взаимосвязи показателей энергетической эффективности лезвийной обработки с геометрическими параметрами инструментов, режимами резания и закономерностями изменения мощности.

Практическая значимость и реализация работы. Практическую значимость составляют алгоритмы поиска энергетически экономичных параметров лезвийных инструментов и режимов резания, реализованные в виде пакета прикладных программ («Rezec OPTIMA», «FrezaRAVN», «Freza_OPTTMA», «PilaOPTIMA») с возможностью адаптации к конкретным производственным условиям. Результаты исследований апробированы на ведущем предприятии, а также использованы в рамках: 1) энергетических аудитов и паспортизации промышленных предприятий Владимирской области, выполненных ООО «Муромский центр энергосбережения» (1999 - 2003 гг.); 2) законченных НИР по темам. «Исследование причин отказов и разработка оптимальных технологий ремонта и изготовления, обеспечивающих повышение долговечности деталей зубчашх зацеплений и шлицевых соединений узлов путевых машин применительно к условиям СПМС-318» (филиал ОАО «РЖД» - «Горьковская железная дорога»); «Разработка конструкторской и технологической документации на производство соединителя электротягового СЭТ-37» (ОАО «Муромпромтех-снаб», округ Муром). Отдельные положения диссертации внедрены в учебный процесс. Результаты реализации подтверждены соответствующими актами.

Апробация работы. Основные результаты диссертации обсуждались на научно-технической конференции «Управление в технических системах» (Ковров, 1998 г.), Международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 1999 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Н.Новгород, 1999 г), научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 1999 г.), III Международной научно-технической конференции «Производственные технологии» (Владимир, 2000 г.), XXXII Уральском семинаре «Механика и процессы управления» (Миасс, 2002 г.), INTERNET-конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, 2003 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, заключения, списка литературы (116 наименований) и четырех приложений Работа изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков, 22 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, поставлена ее цель, отражены основные результаты, их научная новизна и практическая значимость.

В первой главе приведен литературный обзор, выполненный по пя ги направлениям: 1) рациональному энергопотреблению технологических систем посвящены работы М.И. Трехова, В.А. Веникова, O.A. Горленко, В.М. Мала-шенко, B.C. Сальникова, П. Джоста, R. Reeber; 2) термодинамические аспекты разрушения кристаллических материалов исследованы С.Н. Журковым, B.C. Ивановой, В.М. Финкелем, В.В. Федоровым, В.Н. Подураевым, В.Я. Коршуновым; 3) анализ составляющих работы резания проводился H.H. Зоревым, В.Ф. Бобровым, A.M. Вульфом, Г.И. Грановским, М.И. Кпушиным, Г.И. Епифановым,

A.C. Верещакой, Ю.Г. Кабалдиным, М.М. Аршанским, М.И. Юликовым,

B.В. Швецем, Ф.Я. Якубовым; 4) энергоемкость упругопластической деформации и получения новых поверхностей изучалась В.Д. Кузнецовым, П.А. Ребин-дером, В.Д. Щукиным, В.В. Панасюком, Т. Екобори, Л.С. Морозом, В.Е. Паниным, Н.М. Султан-заде, А.Ю. Албагачиевым, В.К. Старковым, A.B. Киричеком, 5) моделирование оптимизационных алгоритмов на основе технологических критериев отражено в работах В.Ф. Безъязычного, А.Д. Макарова, Э.В. Рыжова, А.Г. Суслова, В.И. Аверченкова, Ю.М. Соломенцева, Е. Сикоры и др.

Литературный обзор показал, что лезвийная обработка подчиняется закономерностям деформационных процессов, и для нее справедливы термодинамические представления о разрушении. Перспективным критерием эффективности обработки является удельная энергоемкость, минимизация которой обеспечивает снижение тепловой и динамической напряженности при наибольшем КПД процесса резания. Применение этого показателя ранее осуществлялось при допущении постоянства мощности во времени. Анализ закономерностей изменения мощности и их влияния на энергозатраты освещен недостаточно. В результате отсутствуют рекомендации по эксплуатации лезвийных инструментов с позиций максимальной энергетической эффективности в условиях стабильного и нестабильного стружкообразования.

Во второй главе сформулированы цель и задачи диссертации, приведены общая и частные методики теоретических и экспериментальных исследований, описаны условия проведения каждого испытания и регистрирующая аппаратура. Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:

1 Разработать комплекс энергетических критериев для установления рациональных условий лезвийной обработки.

2. Выявить причины и закономерности изменения мощности резания и их взаимосвязь с энергетическими показателями стружкообразования.

3 Разработать метод расчета потенциальной энергоемкости конструкционных материалов при резании.

4 Аналитически и экспериментально исследовать влияние геометрических параметров лезвийных инструментов и режимов резания на энергетическую эффективность токарной и фрезерной обработки. Определить приоритетные направления снижения энергозатрат.

5 Разработать модель и алгоритм параметрической оптимизации переходов лезвийной обработки по критерию наибольшей энергетической эффективности.

6. Разработать и рекомендовать производству пакет прикладных программ для нормирования рациональных режимов точения, цилиндрического фрезерования и разрезания, позволяющих минимизировать энергозатраты при обеспечении качества, производительности обработки и стойкости режущего инструмента.

В третьей главе проведены выбор и обоснование критериев энергетической эффективности применительно к наружному точению, цилиндрическому фрезерованию и разрезанию; исследованы взаимосвязи энергозатрат с управляемыми (геометрическими и кинематическими) факторами технологической системы.

К энергетическим показателям, характеризующим процесс резания, относятся сила Рг, мощность N, полная Аре] и удельная е работы клина:

V II п

V

где П =--производительность; V - объем материала, снятого за основное

т

оси

время тосн; V - скорость резания. Размерные показатели Аре), Дж, и е,

Дж/м*, не позволяют определить, какая часть работы резания затрачивается непосредственно на разрушение припуска и формирование новых поверхностей детали и каково соотношение уровня подведенной к заготовке энергии с потенциальной энергоемкостью конструкционного материала до его разрушения. Поэтому на основе термодинамической теории прочности твердых тел (объем материала разрушается, если его внутренняя энергия и за конечное время внешнего воздействия достигла предельной величины [«]) предложен интегральный показатель энергетической эффективности К, равный К = М~"о = ЬууУ = А\у-У _ е «и "Л Тиг..м. '

О

где и0 - начальный уровень внутренней энергии; Ли/ - удельная потенциальная энергоемкость материала; пц - число циклов изменения мощности резания за основное время т^; Аи - работа, совершаемая за цикл тц полного однократного изменения мощности.

Причины нестабильности мощности резания во времени классифицированы на варьируемые (геометрические, кинематические) и стохастические. Для количественной оценки подынтегрального выражения в (2) многообразие функциональных изменений мощности Л'(т) систематизировано в виде четырех схем (табл. 1). Цикловая работа Аи выражается площадью под кривой N = УУ(т) на отрезке [0; тц ]. Для ее расчета предложено уравнение:

гц, (3)

где N - максимальное (А'тах) или среднее Мср значение мощности резания за цикл ее изменения; - коэффициен! аппроксимации графика N = N(1), Вид уравнения (3) для каждой схемы приведен в табл. 1.

Учитывая, что яц = тосн/тц и Л -- У/хжи, удельные -энергозатраты е определяются формой графика N = Л'(т), значением его характерной ординаты N и производительностью стружкообразования П:

'ц

яц ■ Ит)Л

¿V V V ' V п

Обозначив номинальную площадь поверхности заготовки через Пн ^ и считая ее пропорциональной длинам образующей и направляющей /, условие минимизации энергозатрат в зоне резания можно записать в виде К = Ьм-П ^ Ли"V =Ап-Пнзаг-1 =&и>1-(-*и > ^

Ьы-М *м-ЛГ-Т оси ' ^" Т,к-И ^ 'Л'-Тосн

где г - глубина резания; 5М - минутная подача вдоль образующей Ь.

Для определения потенциальной энергоемкости конструкционных материалов Луг предложена структурная модель распределения энергии, передаваемой заготовке режущим клином. Зона резания рассмотрена как неизолированная термодинамическая система, в которой механическая работа А^

трансформируется в тепловую и поглощенную Ди составляющие. В результате достигается запланированная цель технологического перехода: либо удаление объема припуска (предварительные стадии), либо получение новых поверхностей (окончательные стадии). В первом случае энергоемкость Ли/ соответствует критической работе упругопластической деформации сдвига или отрыва, во втором - плотности свободной у или эффективной уЭфф поверхностной энергии, либо энтальпии плавления (табл. 2).

Вид показателя К конкретизирован для продольного и поперечного точения, цилиндрического фрезерования и разрезания прутковых заготовок дисковой пилой. Несмотря на кинематическое различие указанных процессов, для них выявлена общая закономерность: показатель К возрастает с увеличением минутной подачи $м. Влияние скорости резания V на энергетическую эффективность неоднозначно. При продольном гонении увеличение частоты вращения шпинделя п способствует росту минутной подачи и снижению

энергозатрат: функция К - f(v) возрастает При поперечном точении К - /(«)~ const вследствие обратно пропорционального изменения мгновенного диаметра обработки (рис. 1, 2).

Таблица 1

Схемы изменения мощности резания во времени

Закономерность изменения МОЩНОСТИ Схема изменения мощности за время одного цикла Способы обработки Работа резания за время одного цикла

Мощность постоянна (стабильное стружкообразо-вание) N' N Гц Т Точение продольное цилиндрическое; строгание и долбление на станках с гидравлическим или реечным приводом; нарезание резьбы резцами Aa=N-ти

Мощность монотонно возрастает до максимального значения и интенсивно убывает N N max 11 t Точение торцовое от центра заготовки; осевая обработка отверстий; фрезерование* против подачи, зубофрезерова-ние* дисковой фрезой = ^ ^та* Т„ = = Ncp

Мощность интенсивно возрастает до максимального значения и монотонно убывает N ■ N 1 *шах t„ t Точение торцовое к центру заготовки; отрезка резцом; фрезерование* по подаче А = 2 ' A'max "Tu =

Мощность изменяется по параболическому закону N N тих ГЛ. tu t Строгание и долбление на станках с кулисным приводом, протягивание и прошивание; разрезание; фрезерование* торцовое симметричное и асимметричное двустороннее; зубострогание; зубофрезерованис* пальцевой фрезой

Примечание для способов обработки, отмеченных -таком *, приведенные схемы характеризуют изменение мошнос1и за время контакта одного зуба инструмента с поверхностью резания

Таблица 2

Удельная потенциальная энергоемкость обрабатываемого материала

Характеристика

разрушения _ материала

Хрупкое

Квазихрупкое

Вязкое

Характеристика технологического ___перехода

Предварительный

Преимущественный тип стружки

Стружка надлома

Стружка надлома

Окончательный

Предварительный

Окончательный

Элементная

Суставчатая

Сливная

Удельная потенциальная энергоемкость

—1

Ди,= у«0,01 Е-Ь

Ьм = Га(е) • (к.« -- • ст. ■ 8 =

'_2 ' 2-Е

Л*= }(ср р)лтр (г5-Гд).

!,5 - ст. Г,

Лм>= X. Е„ »----° 1

Р 1-1.7^. I

Дш= }(ср-р)л-«ср-р-{г&-г0).

Л* «у^ »5.7-10 3-С-Ь*-Ы1

5

•Г 2

* л

________

Примечание: у,у1фф - плотности свободной и эффективной поверхностной энергии; £, С- модули упругости I и II рода; Ь - параметр кристаллической решетки; ег, - временное сопротивление; 3 - относительное удлинение; Ср - удельная весовая теплоемкость; р - плотность; Т0 - начальная температура; 7"5 - температура плавления; Л*0 - дислокационная плотность полос скольжения; ^ - скорость продольных упругих волн в материале; V - скорость резания; тр -сопротивление сдвигу; е„ - относительный истинный сдвиг; у, - относительное равномерное поперечное сужение

Минутная подача заготовки или инструмента на станках фрезерной группы обеспечивается индивидуальным приводом, кинематически не связанным с главным. Поэтому повышение скорости г не оказывает влияния на производительность П и влечет дополнительный расход энергии в зоне резания: функция А" - [{V•) при фрезеровании и разрезании убывающая.

К

0 14 0.12 0.10 0.08 0.06

фреза Р6М5 г= 10

фреза Т15К6

г мм мин

20 40 60 80 100 120 140 Рис 1 Зависимости показателя энергетической эффективности (А") иичиндрического фрезерования статей от минутой подачи с разчичной

скоростью резания V 1.4- сталь 30. 1 = 12,5 .м/ мин: 2 - сталь 30, V = 25 и/ мин , .1 .5 - сталь 40Х. V = 25 м) мин (I) = 80 им. / = 2 мм)

Рис 2 Зависимости показатетя энергетической эффективности (К)

наружно) о точения оали 40Х от частоты вращения шпинделя с различной подачей на оборот / 2- резен Р6М5, *=0,8 мм/об, ? 5 - резец Т5К10, 5 = 0,4 и ч/об -.4.6- резец Т5К10, л = 0,8 мм 'об (й = 80 им. / = 2 ии <р = 45°, у-10е. /--1 >ш)

Влияние геометрических параметров инструментов на показатель К исследовано на примере точения стали 40Х. Снижению энергозатрат способствуют увеличение переднего угла у и главного угла в плане <р, уменьшение радиуса при вершине резца г, а также замена быстрорежущих резцов твердосплавными. При значении <р»60° для резцов с пластинами из стали Р6М5 у функции К = /~(ф) выявлен максимум.

Однозначной зависимости между глубиной ремния I и комплексом энер-[етическич показателей различных способов обработки не установтено: с уве-тичением глубины резания показатель К при продо 1ьном гочении снижается, при цилиндрическом фрезеровлнии - повышается I сти снять предварительный припуск I за один рабочий ход затруднительно, то условиями энергетически экономичного распределения его между двумя переходами будут

—- = 0и-——-~>0. (6)

«I Л*

где С\2 ~е\ +е2 ~ суммарные энергозатраты по дву м переходам. Для цилиндрического фрезерования сталей потучены формучы. позволяющие определять глубину резания на первом переходе. При испотьзовании быстрорежущих фрез и фрез с винтовыми твердосплавными пластинами эти формулы соответственно имеют вид:

I I

1

,]= - и/)=--(7)

\ + М 1 +

и'!

I

■V;

■5,

где у , '"У - соотношение скоростей резания и минутных подач по пере/ / 5м2

ходам I и 2. Значения у2. л'м1, ,?м2 можно выбирать из условия обеспечения заданного периода стойкости фрезы, либо качества обрабо!анной поверхности, а минимизацию энергозатрат учитывать распределением припуска в соответствии с (7). Глубина резания на втором переходе: /, ~ / -/¡.

Наибольшая нестабильность свойственна параболическому изменению мощности резания во времени. При разрезании цилиндрического проката дисковой пилой с постоянной минутной подачей 5, график потребляемой мощности соответствует кривой 1 на рис За. Регулирование подачи в зависимости от мгновенной координаты внедрения Ц пильного диска в пруток позволяет стабилизировать силу, мощность и удельные энергозатраты во времени (заменить параболический сегмент 1 равновеликим ему прямоугольником 2) и тем самым повысить ресурс инструмента и деталей шпиндельного узла отрезного станка без потери производительности Наименьшее значение минутной подачи л2кр

будет при максимальной дуге контакта пилы диаметром О и прутка диаметром с1. соответствующей внедрению инструмента в те ю заготовки на расстояние

1кр=0,.<ф + </-уЬ2 с12). (8)

Модели регулирования подачи в зависимости от координаты внедрения ¿, для быстрорежущих и твердосплавных пил получены в виде

( г~7-ту*1-2 ( -т\±1П

-Гь,-) И5*-'*ф[-п,-) ' (9)

причем минимальное значение полачи \ткр соответственно составляет

<2кр =0.57-5, и <2кр =0.61-5,. (10)

Знак «плюс» в (9) характеризует первичн\ю стадию разрезания (I, ¿кр). «минус» - конечн\ ю (I, > ).

а) Г,)

Рис Ч Схемы изменений мощности \'(а) и минутной подачи дисковой пилы (б) при разрезании стального цилиндрического проката на фрезерно-отрезных автоматах 1 - при отсутствии регулирования подачи, 2 - при наличии регулирования подачи

Регулирование начинается при внедрении пилы в разрезаемый материал на полную высоту зуба: I, =НЪ. Подача 52к определится из условия Ь, =е).

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований влияния режимов обработки на показатель К, подтверждающие полученные аналитические выражения. На примере продольного точения стати 30 двумя резцами на станке 16К20П установлено, что при одинаковой минутной подаче 5М = 5 п повышение подачи на оборот 5 приводит к большему возрастанию энергетической эффективности и снижению энергозатрат, чем повышение частоты вращения п (рис. 4).

Рис 4 Зависимости показате ¡я энергетической эффективности (К) от подачи и частоты вращения шпинделя при наружном продольном точении заготовки с одинаковой минутной производительностью / - экспериментальные данные

и линия тренда для резца 1 (Ф = 90°. ф, = 10°. у = 10°. а = 6", г = 1 идО 2 - экспериментальные данные и линия тренда для резца 2 (ср = 45°; ф. = 45°,

а = 6°. г = 1 ии)

При замене проходного резца с углами режущей части у-0°, ср = 45° упорным резцом с у = 10° показатель К повышается на 6 9 %

При цилиндрическом фрезеровании и разрезании установлено, что энер-

5

гозатраты обратно пропорциональны подаче на зуб 52 = . Увеличение за

П-2

счет форсирования минутной подачи при неизменной скорости главного движения в среднем на 25 - 30 % более энергетически эффективно, чем за счет уменьшения частоты вращения п при постоянной лм. Таким образом, при фрезерных работах целесообразно назначать максимальную минутную подачу, допускаемую шероховатостью обработанной поверхности и жесткостью технологической системы, а скорость резания назначать в соответствии с принятым периодом стойкости. Цилиндрическое фрезерование по подаче оказалось на 9 - 12 % менее энергоемким, чем фрезерование против подачи при одинаковых режимах обработки и параметрах фрезы. Однако с повышением глубины резания с 1 до 3 мм относительная эффективность попутного фрезерования по сравнению со встречным снижается в 5 - 6 раз. При использовании фрез одного и того же диаметра (0 = 80мм), но с различным числом зубьев (г = 16 и г = 10) выявлено, что с увеличением глубины резания с 1 до 3 мм относительная эффективность крупнозубой фрезы по сравнению с мелкозубой повышается до 29 %, что также объясняется большей подачей на зуб. Таким образом, на предварительных переходах энергетически более эффективно применять встречное фрезерование крупнозубыми фрезами, а на окончательных попутное мелкозубыми.

На автомате 8Г663-100 проводилось разрезание круглого проката стали 40Х диамегром = 80 мм дисковой пилой диаметром £> = 710 мм, оснащенной 24-мя быстрорежущими с«ментами (г = 144). При постоянной частоте вращения п = 5,94 мин'{ увеличение минутной подачи пилы .?м с 10,7 до 30,8 мм/мин влечет повышение энергетической эффективности процесса на 32 % вследствие роста подачи на зуб и производительности в 2,9 раза. Форсирование скорости вращения пилы с 9,61 до 18,94 м/ мин сопровождается увеличением энергопотребления на 28 % при том же значении производительности.

Аппроксимация экспериментальных данных и моделирование эмпирических уравнений проведено на ЭВМ. Разность между экспериментальными и расчетными значениями показателя К не превышает 25 %.

Пятая глава посвящена разработке модели и алгоритма параметрической оптимизации процессов резания по критерию К применительно к продольному и поперечному точению, цилиндрическому фрезерованию, разрезанию (рис. 5). Поиск рациональных геометрических и кинематических параметров обработки осуществлен на основе последовательного перебора типоразмеров лезвийных инструментов (токарных резцов по ГОСТ 18868-73, 18869-73, 18870-73, 1887173, 18877-73, 18878-73, 18879-73, 18880-73; цилиндрических фрез по ГОСТ 3752-71, 9926-81, 8721-89; дисковых сегментных пил по ГОСТ 4047-82) и сочетаний режимов резания, каждое из которых проверяется на соответствие системе ограничений и оценивается показателем К.

ВХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

I, Физико-механические свойства конструкционного материала (о,;ЯВ;6;ч».;£;Ср;р;Г8)

П. Способ обработки, тип инструментального материала

III. Условия обработки:

■ глубина резания /;

- длина образующей заготовки Л;

- длина направляющей заготовки /;

- длина оправки, коэффициент закрепления заготовки К3

ОГРАНИЧИВАЮЩИЕ ПАРАМЕТРЫ

[A] J [ЛЯ] J [Г] [n] К] Ксн]

И,-J,

3) IV, = Рь • V,, к) Я, = /</; Д (;.у, *,)'• *) = ~.

л

е1

4. Проверка системы ограничений:

а) Д, £ [д]; б) На, £ [Ло], к) Т, й[г); г) Ы, й [/V];

5. Выбор оптимального вектора параметров по критерию:

К{0; г; у; а; г, ф; ф,; со;и)ор1 тах

ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

1. Потенциальная энергоемкость конструкционного материала: Ди> = /(о,,8, у,; Е, Ср;р, Ts)

2. Параметры инструмента (D,.г.'.у,;«,;»-,;!?,,^,,^,) Элементы режима резания:

частота вращения шпинделя- и, = {и,; п,..,np} step Ди; подача (минутная или на оборот). st = ; - iq} step As

3. Технологические параметры

a) v, =*.Д я,,б) Да, = /-(j,;н,,г,;;г,;<р,;); ®) Рь - f(°,lffB-,Dl;z,;yl;a„<f,,ipll,tal;r,;t,B,v,,s,)±, г) Т, =f(a„HB-,D,;tl;4l;ci„rl\t,Biv„it)-, d) Д, = f(Pjj, L, £); е) t = ; = Ръ ■ D,;

- инструмента (Z);z;y;a,r;(p;q>,;ro) ;

- режима резания (и

opt op* >

Податливость заготовки или инструмента

Параметр шероховатости Ra

Стойкость инструмента Т

Мощность резания N

Крутящий момент на шпинделе М

Основное технологическое время тж

Удельная работа резания (энергозатраты)

Показатель энергетической эффективности процесса резания Кт„

Рис 5. Модель параметрической оптимизации переходов лезвийной обработки по энергетическому критерию К

ъ Ъ

4.

Исходными данными являются: 1) физико-механические свойства конструкционного материала, позволяющие рассчитать его потенциальную энергоемкость Aw (табл. 2); 2) способ обработки, вид инструментального материала (быстрорежущая сталь, твердый сплав); 3) размеры заготовки (£,/), глубина резания t, особенности закрепления в приспособлении (коэффициент закрепления К3, длина фрезерной оправки и т.п.) Оптимизируемыми аргументами целевой функции К > max служат геометрические параметры инструмента (Д z;y;a;r;(p;<p,;co) и режимы резания ($,п).

Систему технических ограничений составляют неравенства вида

С,- < [С] или С, > [С], (11)

где С, - значение ограничивающего технологического параметра (податливости Д,, шероховатости Rat, стойкости Tt, мощности N, и крутящего момента на шпинделе Мкр1, основного времени тосш) при г'-м сочетании оптимизируемых ар1ументов; [с] - предельные значения ограничивающих параметров, зависящие от цели технологического перехода и конкретных производственных условий (устанавливаются пользователем).

Оптимизационные алгоритмы реализованы в операционной системе Windows в виде пакета прикладных программ, рекомендованных технологическим службам машиностроительных предприятий. Производственная апробация программ проведена при изготовлении деталей зубчатых зацеплений и шлицевых соединений узлов ремонтных путевых железнодорожных машин и рельсового электротягового соединителя. Снижение энергетических затрат при переходе на рациональные параметры формообразования достигает 18 - 22% и более при обеспечении заданной стойкости режущих инструментов, точности, шероховатости обработанных поверхностей и производительности.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе структурной модели трансформации энергии в зоне резания получен комплекс показателей энергетической эффективности лезвийной обработки. Показатели выражают отношение потенциальной энергоемкости обрабатываемого материала к подведенным удельным энергозатратам, позволяют определять рациональные параметры режущих инструментов и режимы их эксплуатации.

2. Анализом геометрико-кинематических особенностей лезвийной обработки установлены причины нестабильности мощности в технологических системах. Закономерности изменения мощности систематизированы в виде четырех схем, для каждой из которых установлены коэффициенты аппроксимации, пропорциональные величине энергозатрат.

3. На основе термодинамической и деформационной концепций разрушения получен метод расчета потенциальной энергоемкости конструкционных

материалов, учитывающий характер их разрушения при резании (хрупкое, квазихрупкое, вязкое), назначение технологического перехода (предварительный или окончательный) и тип образующейся стружки. Для определения энергоемкости использованы показатели прочности и пластичности, плотность поверхностной энергии и энтальпия плавления.

4 Теоретически и экспериментально исследовано влияние управляемых факторов технологической системы на энергетические показатели точения, фрезерования и разрезания. Установлено:

• повышению энергетической эффективности процесса резания в наибольшей степени способствует форсирование минутной подачи до значений, ограничиваемых требуемыми качеством обработки, стойкостью инструмента и возможностями оборудования;

• при одной и той же производительности наружного точения энергетически более эффективным является увеличение подачи на оборот в противоположность частоте вращения шпинделя;

• при увеличении скорости резания энергетическая эффективность токарной обработки возрастает благодаря пропорциональному росту производит ель-ности, а фрезерной - снижается ввиду уменьшения подачи на зуб;

• одновременное увеличение переднего угла с 0 до 10° и главного угла в плане с 45 до 90° твердосплавных токарных резцов способствует повышению энергетической эффективности точения на 6 - 9 %. При использовании быстрорежущих резцов установлен экстремальный характер зависимости энергозатрат от главного угла в плане, имеющей минимум при <р = 60°;

• энергетическая эффективность попутного цилиндрического фрезерования в среднем на 9 - 12 % выше, чем встречного, и снижается с увеличением глубины резания;

• с повышением площади срезаемого слоя энергетическая эффективность применения цилиндрических фрез и дисковых пил с крупными зубьями по сравнению с мелкозубыми возрастает до 29 %.

5. При цилиндрическом фрезеровании сталей выявлена взаимосвязь энергетически экономичного распределения припуска между рабочими ходами с соотношением скоростей резания и минутных подач.

6. Создана математическая модель регулирования подачи дисковой пилы с целью стабилизации мощности разрезания стального цилиндрического проката на фрезерно-отрезных автоматах.

7. Разработаны модели и алгоритмы оптимизации параметров точения, фрезерования и разрезания по критерию наибольшей энергетической эффективности. Систему ограничений составляют требования операционного эскиза и технологические характеристики оборудования, корректируемые в конкретной производственной ситуации.

8. Оптимизационные алгоритмы реализованы в виде пяти прикладных профамм и апробированы при технологической подготовке производства деталей ремонтных путевых железнодорожных машин и рельсового электросоединителя. Снижение энергетических затрат при переходе на экономичные пара-

метры формообразования достигает 18-22 % при обеспечении заданной стойкости режущих инструментов, точности и шероховатости полученных поверхностей и производительности обработки

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

1. Игнатов, С.Н.; Карпов, A.B.; Распопин, А.П. Оценка эффективности лезвийной обработки с использованием безразмерного энергетического критерия // СТИН.- № 12,- 2004,- С. 23 - 26.

2. Карпов, A.B.; Албагачиев, А.Ю. Оценка эффективности эксплуатации режущих инструментов с использованием безразмерных энергетических критериев: сб. науч.-практ. конф. «Фундамешальные и прикладные проблемы приборостроения, информашки, экономики и права». Кн. «Приборостроение». - М.: МГАПИ, 2004. С. 4 - 12.

3. Карпов, A.B. Показатели энергоэффективности обработки заготовок режущими инструментами // Известия Орловского государственного технического университета. Серия «Машиностроение, приборостроение» № 1 - 2, январь - июнь 2003 г. - Орел: Орел ГТУ, 2003. С. 15-19.

4. Карпов, A.B.; Распопин, А.П.; Лазуткина, H.A. Показатели энергоэффективности проектируемых и действующих технологических процессов машиностроительных производств // Механика и процессы управления: тр. XXXII Уральского семинара. Миасс, 24 декабря 2002 г. - Екатеринбург, Уральское отделение РАН, 2002. С. 592 - 600.

5. Карпов, A.B.; Макаров, Н.И.; Макарова, Н.В. Целесообразность использования критерия удельной энергоемкости процессов лезвийной обработки заготовок деталей машин при выборе управляемых технологических условий // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: 5-ая Междунар. науч.-техн. конф.: сб. материалов в 2 т. Том 2. - М.: Изд-во МЭИ, 1999. С. 197 - 198.

6. Игнатов, С.Н.; Макаров, Н.И.; Лазуткина, H.A.; Карпов, A.B.; Сидо-рин, С.А. Структурная и параметрическая оптимизация по критерию минимума удельной энергоемкости при обработке заготовок деталей машин типа «Вал» // Производственные технологии: материалы III Международной науч.-технич. конф., 29 - 31 мая 2000 г. Владимир: ВлГУ, 2000. С. 41 - 42.

7. Карпов, A.B.; Соколик, Н.Л.; Соколик, А.И. К вопросу снижения энергозатрат при обработке заготовок лезвийными инструментами // Новые материалы и технологии в машиностроении: Сб. науч. тр. Вып. 2. Брянск: БГИТА, 2003. С. 48-51.

8. Игнатов, С Н.; Карпов, A.B.; Лазуткина, H.A.; Макаров, Н.И.; Макарова, Н.В. Программа выбора оптимального маршрута изготовления деталей машин // Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве: материалы I Всероссийской науч.-техн конф. в 19 ч. Ч. 19. - Н. Новгород: Нижегородский гос. ун-т, 1999. С. 14 - 16.

9. Игнатов, С.Н ; Карпов, A.B.; Макарова, Н.В. Энергоемкость формообразования как объект моделирования технологического процесса // Современные

технологии в машиностроении- сб материалов науч.-техн конф. - Пенза, Приволжский Дом знаний, 1998. С. 130 - 134.

Ю.Карпов, A.B.; Макарова, Н.В ; Макаров, НИ. Выбор ограничений при оптимизации технологического процесса механообработки деталей машин по критерию минимума удельной энергоемкости // Современные технологии в машиностроении: сб. материалов науч.-практ. конф. - Пенза, Приволжский Дом знаний, 1999. С. 21 - 23.

11. Карпов, A.B.; Зелинский, В.В.; Лазуткина, H.A. Энергетические показатели эффективности лезвийной обработки и их взаимосвязь с кинематическими и силовыми особенностями процесса резания // Технологическое обеспечение качества машин и приборов- сб. материалов Всерос. науч.-практ. конф,-Пенза- Приволжский Дом знаний, 2004. С. 173 - 176.

12 Игнатов, С.Н.; Лазуткина, НА.; Макарова, Н.В ; Карпов, A.B. Сравнение вариантов обработки ступенчатых валов по энергетическим характеристикам // Управление в технических системах: материалы науч.-техн. конф,-Ковров: КГТА, 1998. С. 325 - 326.

13. Карпов, A.B.; Середа, С.Н.; Цаплев, C.B. Оптимизация параметров обработки заготовок на металлорежущих станках по критерию минимальной удельной энергоемкости // Методы и системы обработки информации: сб. науч. ст. в 2 ч. Ч 1 / под ред. С.С. Садыкова, Д.Е. Андрианова. - М.: Горячая линия -Телеком, 2004. С. 123 - 137.

*

I

РНБ Русский фонд

2005-4 45273

Подписано в печат ь 02.03.2005. Формат 60x84/16. • • Бумага для множительной техники. Гарнитура Times. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,2. Тираж 120 экз. Заказ № 813. Муромский институт (филиал) Владимирского государственного университета Издател ьс ко- но л и граф и ч еск и й ueiirp t Адрес: 602264, Владимирская область, г. Муром, у л, брловская, 23

г?

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Термодинамика процесса резания энергия, работа, теплота, мощность)

1.2. Экономия энергии при резании материалов

1.3. Энергетические концепции разрушения твердых тел

1.4. Энергетические соотношения при резании материалов

1.4.1. Работа резания и ее составляющие

1.4.2. Работа деформации в плоскости сдвига

1.4.3. Работа образования новой поверхности

1.5. Оптимизация процессов механической обработки по энергетическим критериям. Состояние вопроса

1.5.1. Построение оптимизационных алгоритмов

1.5.2. Критерии оптимальности механической обработки

1.5.2.1. Классы критериев оптимальности

1.5.2.2. Критерий оптимальной температуры резания

1.5.2.3. Энергетический критерий А

1.5.2.4. Критерий минимальной удельной энергоемкости

1.6. Выводы

ГЛАВА 2. ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Цель

2.2. Задачи

2.3. Методика проведения исследований

2.3.1. Структурная схема исследований

2.3.2. Методика теоретических исследований

2.3.3. Методика экспериментальных исследований

ГЛАВА 3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССОВ

ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКИ

3.1. Формулирование критериев эффективности

3.2. Оценка энергетической эффективности лезвийной обработки при изменении мощности резания во времени

3.2.1. Причины и схемы изменения мощности

3.2.2. Энергоемкость удаления припуска и образования новых поверхностей лезвийными инструментами

3.2.3. Удельная работа резания

3.2.4. Показатели энергетической эффективности

3.3. Энергетическая эффективность наружного точения

3.4. Энергетическая эффективность цилиндрического фрезерования

3.5. Энергетическая эффективность разрезания

3.6. Энергетическая эффективность совокупности рабочих ходов. Распределение предварительного припуска

3.7. Выводы

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ УПРАВЛЯЕМЫХ ФАКТОРОВ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ

ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

4.1. Исследование влияния технологических факторов на энергетическую эффективность продольного точения

4.2. Исследование влияния технологических факторов на энергетическую эффективность поперечного точения

4.3. Исследование влияния технологических факторов на энергетическую эффективность цилиндрического фрезерования

4.4. Исследование влияния технологических факторов на энергетическую эффективность разрезания проката дисковой пилой

4.5. Выводы

ГЛАВА 5. УСТАНОВЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКИ ПО КРИТЕРИЮ НАИБОЛЬШЕЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

5.1. Обобщенная модель параметрической оптимизации

5.2. Реализация модели для наружного точения

5.3. Реализация модели для цилиндрического фрезерования

5.4. Реализация модели для разрезания

5.5. Рекомендации производству

5.5.1. Прикладная программа ЯегесОРТША

5.5.2. Прикладные программы РгегаКАУК и РгегаОРТ1МА

5.5.3. Прикладная программа РПаОРТ1МА

5.6. Выводы 156 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 157 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 160 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 161 ПРИЛОЖЕНИЯ

Актуальность проблемы. Благодаря высокой технологической универсальности процесса резания, обработка материалов лезвийными инструментами занимает до 75 % трудоемкости изготовления машиностроительных изделий — особенно при мелкосерийном типе производства, когда используются заготовки приближенных форм со значительными припусками, напусками, допусками (прокат, отливки, кованые поковки). Образование одной тонны стружки сопровождается расходом в среднем 450.600 кВт-ч электроэнергии и более ([61, 65]). Удельный вес энергетической составляющей в структуре себестоимости продукции ранее составлял 2.5 %, в течение последних лет достигает 18.25 % и имеет тенденцию к росту. Поэтому снижение энергетических затрат является актуальной научной и прикладной задачей, от эффективного решения которой зависит рентабельность производства и конкурентоспособность выпускаемых изделий.

Уровень потребляемой электрической энергии и потери в приводе металлорежущего оборудования определяются величиной работы образования стружки, которая, в свою очередь, зависит от управляемых параметров процесса резания: характеристик инструмента, скоростей главного движения и подачи, размеров срезаемого слоя и др. На практике при выборе условий формообразования применяют технико-экономические критерии, которые затруднительно использовать для оценки энергозатрат. До сих пор не разработаны методики нормирования параметров лезвийной обработки, обеспечивающие качество и производительность за счет обоснованного количества работы режущего клина. Создание и внедрение таких методик сдерживается многовариантностью требований, предъявляемых к лезвийной обработке, и отсутствием критериев, связывающих подводимую к заготовке энергию с термодинамическим состоянием конструкционного материала, параметрами инструментов и режимами резания.

Целью работы является снижение энергозатрат при лезвийной обработке на основе термодинамических критериев эффективности процесса резания.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать комплекс энергетических критериев для установления рациональных условий лезвийной обработки.

2. Выявить причины и закономерности изменения мощности резания и их взаимосвязь с энергетическими показателями стружкообразования.

3. Разработать метод расчета потенциальной энергоемкости конструкционных материалов при резании.

4. Аналитически и экспериментально исследовать влияние геометрических параметров лезвийных инструментов и режимов резания на энергетическую эффективность токарной и фрезерной обработки. Определить приоритетные направления снижения энергозатрат.

5. Разработать модель и алгоритм параметрической оптимизации переходов лезвийной обработки по критерию наибольшей энергетической эффективности.

6. Разработать и рекомендовать производству пакет прикладных программ для нормирования рациональных режимов точения, цилиндрического фрезерования и разрезания, позволяющих минимизировать энергозатраты при обеспечении качества, производительности обработки и стойкости режущего инструмента.

Объектом исследований являются способы формообразования поверхностей деталей машин инструментами, имеющими одно или несколько режущих лезвий: резцами, фрезами, дисковыми пилами. Исследована обработка заготовок из конструкционных углеродистых и легированных (хромистых) сталей, серых и ковких чугунов на токарных, фрезерных и круглопильных станках и автоматах.

Научная новизна работы отражена в следующих положениях:

1. Эффективность процесса резания оценена энергетическими показателями, определяемыми отношением потенциальной энергоемкости обрабатываемого материала к подведенным удельным энергозатратам.

2. Расчет потенциальной энергоемкости конструкционных материалов при резании осуществлен на основе их механических и теплофизических свойств с учетом характера разрушения материалов, назначения технологических переходов и типа образующихся стружек.

3. Закономерности изменения мощности резания систематизированы в виде четырех схем, каждую из которых характеризуют коэффициенты аппроксимации, пропорциональные величине энергозатрат.

4. Выявлены функциональные взаимосвязи показателей энергетической эффективности лезвийной обработки с геометрическими параметрами инструментов, режимами резания и закономерностями изменения мощности.

Практическую значимость работы составляют алгоритмы поиска энергетически экономичных параметров лезвийных инструментов и режимов резания, реализованные в виде пакета прикладных программ («КегесОРТ1МА», «Ргега ЛАУМ», «РгегаОРТ1МА», «РПаОРТ1МА») с возможностью адаптации к конкретным производственным условиям.

Реализация работы. Результаты и методики исследований использованы в рамках энергетических аудитов и паспортизации промышленных предприятий Владимирской области, выполненных ООО «Муромский центр энергосбережения» в период с 1999 по 2003 гг.; хоздоговорных НИР Владимирского государственного университета (ВлГУ) по темам: № ХД 2985/03 «Исследование причин отказов и разработка оптимальных технологий ремонта и изготовления, обеспечивающих повышение долговечности деталей зубчатых зацеплений и шлицевых соединений узлов путевых машин применительно к условиям СПМС-318» (заказчик - филиал ОАО «РЖД» - «Горьковская железная дорога», г. Н.Новгород, 2003 -2004 гг.), № 3053/04 «Разработка конструкторской и технологической документации на производство соединителя электротягового СЭТ-37» (заказчик - ООО «Муромпромтехснаб», округ Муром, 2004 г.). Положения диссертации использованы в учебном процессе при изучении дисциплин «Технология машиностроения», «Автоматизированное проектирование инструментов, инструментальной оснастки и технологии их изготовления».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Управление в технических системах» (г. Ковров, 1998 г.), Пятой Международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 1999 г.), Первой Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Н. Новгород, 1999 г.), научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза, 1999 г.), Международной молодежной конференции «XXXII Гагаринские чтения» (г. Москва, 2000 г.), III Международной научно-технической конференции «Производственные технологии» (г. Владимир, 2000 г.), XXXII Уральском семинаре «Механика и процессы управления» (г. Миасс, 2002 г.), INTERNET-конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2003 г.), а также научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВлГУ в период с 1998 по 2004 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 33 печатные работы [6, 25,28-36, 38-44 и др.].

При проведении работы получены следующие результаты:

1. На основе структурной модели трансформации энергии в зоне резания получен комплекс показателей энергетической эффективности лезвийной обработки. Показатели выражают отношение потенциальной энергоемкости обрабатываемого материала к подведенным удельным энергозатратам, позволяют определять рациональные параметры режущих инструментов и режимы их эксплуатации.

2. Анализом геометрико-кинематических особенностей лезвийной обработки установлены причины нестабильности мощности в технологических системах. Закономерности изменения мощности систематизированы в виде четырех схем, для каждой из которых установлены коэффициенты аппроксимации, пропорциональные величине энергозатрат.

3. На основе термодинамической и деформационной концепций разрушения получен метод расчета потенциальной энергоемкости конструкционных материалов, учитывающий характер их разрушения при резании (хрупкое, квазихрупкое, вязкое), назначение технологического перехода (предварительный или окончательный) и тип образующейся стружки. Для определения энергоемкости использованы показатели прочности и пластичности, плотность поверхностной энергии и энтальпия плавления.

4. Теоретически и экспериментально исследовано влияние управляемых факторов технологической системы на энергетические показатели точения, фрезерования и разрезания. Установлено:

• повышению энергетической эффективности процесса резания в наибольшей степени способствует форсирование минутной подачи до значений, ограничиваемых требуемыми качеством обработки, стойкостью инструмента и возможностями оборудования;

• при одной и той же производительности наружного точения энергетически более эффективным является увеличение подачи на оборот в противоположность частоте вращения шпинделя;

• при увеличении скорости резания энергетическая эффективность токарной обработки возрастает благодаря пропорциональному росту производительности, а фрезерной - снижается ввиду уменьшения подачи на зуб;

• одновременное увеличение переднего угла с 0 до 10° и главного угла в плане с 45 до 90° твердосплавных токарных резцов способствует повышению энергетической эффективности точения на 6.9 %. При использовании быстрорежущих резцов установлен экстремальный характер зависимости энергозатрат от главного угла в плане, имеющей минимум при ср « 60°;

• энергетическая эффективность попутного цилиндрического фрезерования в среднем на 9. 12 % выше, чем встречного, и снижается с увеличением глубины резания;

• с повышением площади срезаемого слоя энергетическая эффективность применения цилиндрических фрез и дисковых пил с крупными зубьями по сравнению с мелкозубыми возрастает до 29 %.

Разность между экспериментальными и расчетными значениями не превышает 25 %.

5. При цилиндрическом фрезеровании сталей выявлена взаимосвязь энергетически экономичного распределения припуска между рабочими ходами с соотношением скоростей резания и минутных подач.

6. Создана математическая модель регулирования подачи дисковой пилы с целью стабилизации мощности разрезания стального цилиндрического проката на фрезерно-отрезных автоматах.

7. Разработаны модели и алгоритмы оптимизации параметров точения, фрезерования и разрезания по критерию наибольшей энергетической эффективности. Систему ограничений составляют требования операционного эскиза и технологические характеристики оборудования, корректируемые в конкретной производственной ситуации.

8. Оптимизационные алгоритмы реализованы в виде пяти прикладных программ и апробированы при технологической подготовке производства деталей ремонтных путевых железнодорожных машин и рельсового электросоединителя. Снижение энергетических затрат при переходе на экономичные параметры формообразования достигает 18.22 % при обеспечении заданной стойкости режущих инструментов, точности и шероховатости полученных поверхностей и производительности обработки.

Автор выражает признательность профессору кафедры «Технология машиностроения» Муромского института (филиала) Владимирского государственного университета Швецову Анатолию Николаевичу за помощь и ценные советы при работе над диссертацией.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе структурной модели трансформации энергии в зоне резания получен комплекс показателей энергетической эффективности лезвийной обработки. Показатели выражают отношение потенциальной энергоемкости обрабатываемого материала к подведенным удельным энергозатратам, позволяют определять рациональные параметры режущих инструментов и режимы их эксплуатации.

2. Анализом геометрико-кинематических особенностей лезвийной обработки установлены причины нестабильности мощности в технологических системах. Закономерности изменения мощности систематизированы в виде четырех схем, для каждой из которых установлены коэффициенты аппроксимации, пропорциональные величине энергозатрат.

3. На основе термодинамической и деформационной концепций разрушения получен метод расчета потенциальной энергоемкости конструкционных материалов, учитывающий характер их разрушения при резании (хрупкое, квазихрупкое, вязкое), назначение технологического перехода (предварительный или окончательный) и тип образующейся стружки. Для определения энергоемкости использованы показатели прочности и пластичности, плотность поверхностной энергии и энтальпия плавления.

4. Теоретически и экспериментально исследовано влияние управляемых факторов технологической системы на энергетические показатели точения, фрезерования и разрезания. Установлено:

• повышению энергетической эффективности процесса резания в наибольшей степени способствует форсирование минутной подачи до значений, ограничиваемых требуемыми качеством обработки, стойкостью инструмента и возможностями оборудования;

• при одной и той же производительности наружного точения энергетически более эффективным является увеличение подачи на оборот в противоположность частоте вращения шпинделя;

• при увеличении скорости резания энергетическая эффективность токарной обработки возрастает благодаря пропорциональному росту производительности, а фрезерной — снижается ввиду уменьшения подачи на зуб;

• одновременное увеличение переднего угла с 0 до 10° и главного угла в плане с 45 до 90° твердосплавных токарных резцов способствует повышению энергетической эффективности точения на 6.9 %. При использовании быстрорежущих резцов установлен экстремальный характер зависимости энергозатрат от главного угла в плане, имеющей минимум при ср « 60°;

• энергетическая эффективность попутного цилиндрического фрезерования в среднем на 9.12 % выше, чем встречного, и снижается с увеличением глубины резания;

• с повышением площади срезаемого слоя энергетическая эффективность применения цилиндрических фрез и дисковых пил с крупными зубьями по сравнению с мелкозубыми возрастает до 29 %.

Разность между экспериментальными и расчетными значениями не превышает 25 %.

5. При цилиндрическом фрезеровании сталей выявлена взаимосвязь энергетически экономичного распределения припуска между рабочими ходами с соотношением скоростей резания и минутных подач.

6. Создана математическая модель регулирования подачи дисковой пилы с целью стабилизации мощности разрезания стального цилиндрического проката на фрезерно-отрезных автоматах.

7. Разработаны модели и алгоритмы оптимизации параметров точения, фрезерования и разрезания по критерию наибольшей энергетической эффективности. Систему ограничений составляют требования операционного эскиза и технологические характеристики оборудования, корректируемые в конкретной производственной ситуации.

8. Оптимизационные алгоритмы реализованы в виде пяти прикладных программ и апробированы при технологической подготовке производства деталей ремонтных путевых железнодорожных машин и рельсового электросоединителя. Снижение энергетических затрат при переходе на экономичные параметры формообразования достигает 18.22 % при обеспечении заданной стойкости режущих инструментов, точности и шероховатости полученных поверхностей и производительности обработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе решена задача параметрической оптимизации переходов токарной и фрезерной обработки заготовок по критерию наибольшей энергетической эффективности процесса резания. В итоге получила дальнейшее развитие теория оптимизации технологических процессов машиностроительных производств. Предложено использовать энергетические показатели для обоснованного выбора марки материала режущей части и типоразмеров резцов, цилиндрических фрез, дисковых пил, а также режимов их эксплуатации.

Среди направлений дальнейших исследований можно выделить следующие:

1. Распространение предложенного подхода к снижению энергозатрат при других видах лезвийной и абразивной обработки, а также при многоинструмент-ных технологических наладках.

2. Применение энергетических критериев для оптимизации бесстружечных способов формообразования, термической, химико-термической, электроэрозионной, лазерной обработки и других энергоемких технологических процессов.

3. Совершенствование методов расчета силы и мощности резания на основе теории подобия, что позволит перейти от эмпирических зависимостей к аналитическим с аргументами в виде безразмерных комплексов.

4. Разработка методики снижения энергетических потерь в электрической и механической частях приводов металлообрабатывающего оборудования.

5. Проектирование энергосберегающих технологий на основе адаптивного управления процессом резания по критерию минимума энергозатрат.

6. Использование энергетических критериев для определения рациональных условий эксплуатации деталей машин и прогнозирования их долговечности с учетом технологической наследственности.

1. Армарего И. Дж А., Браун Р.Х. Обработка металлов резанием. Пер. с англ. В.А. Пастунова. М.: Машиностроение, 1977. — 325 с.

2. Ахо A.B., Хопкрофт Д.Э., Ульман Д.Д. Структуры данных и алгоритмы: Пер. с. англ. -М.: Вильяме, 2001.-384 с.

3. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс. — М.: Радио и связь, -1988.- 128 с.

4. Безъязычный В.Ф. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей. — М.: МЭИ, 1993. — 184 с.

5. Белоусов А.И. Определение оптимальной скорости резания // Известия вузов. 1972. № 7. С. 147-149.

6. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. — М.: Машиностроение, 1975.-344 с.

7. Болсун А.И. Краткий словарь физических терминов. М.: Высш. шк., 1979.-416 с.

8. Буше H.A. Трение, износ и усталость в машинах (транспортная техника). М.: Транспорт, 1987. - 224 с.

9. Вагин Г.Я., Лоскутов А.Б. Экономия энергии в промышленности. — Нижний Новгород: Нижегород. гос. техн. ун-т, 1998. — 220 с.

10. Васин С.А., Верещака A.C., Кушнер А.Г. Резание материалов. Термомеханический подход. М.: Высшая школа, 2000. - 320 с.

11. Великанов K.M., Новожилов В.И. Экономичные режимы резания металлов. — Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1972. 120 с.

12. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. М.: Металлургия, 1984. - 280 с.

13. Вульф А.М. Резание металлов. — Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1973.-496 с.

14. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. М.: Высш. шк., 1985.-304 с.

15. Дегтярев Ю.И. Методы оптимизации. М.: Сов. радио, 1980. — 272 с.

16. Джост П., Шофилд Дж. Экономия энергии с помощью трибологии (Пер. с англ. O.A. Горленко) // Трение и износ. 1982. № 2. С. 356 — 366.

17. Евтушенко Ю.Г. Методы решения экстремальных задач и их применение в системах оптимизации. — М.: Наука, 1982. 432 с.

18. Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел. -М.: Металлургия, 1971.-264 с.

19. Епифанов Г.И., Ребиндер П.А. Об энергетическом балансе процесса резания металлов. М.: ДАН СССР. 1949. № 4.

20. Еремин А.Н. Физическая сущность явлений при резании сталей. — М.: Машгиз, 1951.-225 с.

21. Жак С.В. Оптимизация проектных решений в машиностроении. Методология, модели, программы. — Ростов-на-Дону: Ростов, гос. ун-т, 1982. — 168 с.

22. Железко Б.А., Морозевич А.Н. Теория и практика построения информационно-аналитических систем поддержки принятия решений. Мн.: Арлита-Маркетинг, 1999. - 144 с.

23. Журков С.Н., Нарзуллаев Б.Н. ЖТФ, 1953, т. 23, вып. 10, с. 1677.

24. Орел, 25 — 27 сентября 2003 г. / Под общей редакцией д.т.н. проф. В.А. Голенкова, д.т.н. проф. Ю.С. Степанова. Орел, ОрелГТУ, 2003. С. 46 - 49.

25. Зорев H.H. Вопросы механики процесса резания металлов. — М.: Маш-гиз, 1956.-368 с.

26. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. — М.: Металлургия, 1975. 455 с.

27. Игнатов С.Н. Выбор параметров и оптимизация режимов работы алмазного инструмента для разрушения горных пород и обработки твердых материалов. Алматы: КазгосИНТИ, 1993. - 53 с.

28. Игнатов С.Н., Карпов A.B., Распопин А.П. Оценка эффективности лезвийной обработки с использованием безразмерного энергетического критерия // СТИН. № 12. 2004. С. 23 - 26.

29. Игнатов С.Н., Лазуткина H.A., Макарова Н.В., Карпов A.B. Сравнение вариантов обработки ступенчатых валов по энергетическим характеристикам // Управление в технических системах: Материалы научно-технической конференции. Ковров: КГТА, 1998. С. 325 - 326.

30. Игумнов Б.Н. Расчет оптимальных режимов обработки для станков и автоматических линий. М.: Машиностроение, 1974. - 200 с.

31. Кабалдин Ю.Г. Энергетический подход к процессам механической обработки // Станки и инструмент. 1991. № 4. С. 27 29.

32. Кабалдин Ю.Г., Бурков A.A., Семибратова М.В., Александров A.A. Динамическая модель процесса резания // Вестник машиностроения. 2001. № 8. С. 33-38.

33. Карпов A.B., Соколик Н.Л., Соколик А.И. К вопросу снижения энергозатрат при обработке заготовок лезвийными инструментами // Новые материалы и технологии в машиностроении. Сборник научных трудов. Выпуск 2. — Брянск: БГИТА, 2003. С. 48 51.

34. Катаев Ю.П., Павлова А.Ф., Белоног В.М. Пластичность и резание металлов. М.: Машиностроение, 1994. - 143 с.

35. Качанов Л.М. Основы механики разрушения. — М.: Наука, 1974. — 311 с.

36. Клушин М.И. Резание металлов. М.: Машиностроение, 1958. - 453 с.

37. Колев К.С., Горчаков Л.М. Точность обработки и режимы резания. — М.: Машиностроение, 1976. — 144 с.

38. Копытов Ю.В., Чуланов Б.А. Экономия электроэнергии в промышленности. Справочник. М.: Энергия, 1978. - 120 с.

39. Коршунов В.Я. Оптимизация технологических условий абразивной обработки // Станки и инструмент. 1990. № 5. С. 17-19.

40. Коршунов В .Я. Повышение надежности деталей сельскохозяйственных машин на основе прогнозирования и технологического обеспечения термодинамических и физико-механических параметров материала // Автореферат дисс. .докт. техн. наук. Тула, 2004. - 40 с.

41. Кузнецов В.Д. Избранные труды. Физика резания и трения металлов и кристаллов. М.: Наука, 1977. - 310 с.

42. Кузнецов Ю.И., Маслов А.Р., Банков А.Н. Оснастка для станков с ЧПУ: Справочник. — М.: Машиностроение, 1983. 359 с.

43. Левит Г.А. Коэффициент полезного действия быстроходных станков и способы его повышения. М.: ЦБТИ, 1950. - 46 с.

44. Локтев В.Г. Автоматизированный расчет режимов резания и норм времени. М.: Машиностроение, 1990. - 80 с.

45. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. — М.: Машиностроение, 1982. 320 с.

46. Макаров А.Д. Износ и стойкость режущих инструментов. — М.: Машиностроение, 1978. — 264 с.

47. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. М.: Машиностроение, 1976.-278 с.

48. Мак-Лин Д. Механические свойства металлов. Пер. с англ. под ред. и с предисл. Я.Б. Фридмана. М.: Металлургия, 1965. - 431 с.

49. Малашенко В.М. Снижение энергетических затрат при наружном продольном точении заготовок на токарных станках: Автореферат дисс.канд. техн. наук. Брянск, 2000. - 18 с.

50. Малашенко H.A. Снижение энергетических затрат при обработке отверстий резцами и осевыми инструментами: Автореферат дисс.канд. техн. наук. — Брянск, 2002. — 18 с.

51. Маталин A.A. Технология механической обработки. — JI.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1977. 176 с.

52. Мороз Л.С. Механика и физика деформаций и разрушения материалов. -Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1984.-224 с.

53. Мосталыгин Г.П., Толмачевский H.H. Технология машиностроения. — М.: Машиностроение, 1990. — 288 с.

54. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования эксперимента. — М.: Машиностроение, 1980. — 304 с.

55. Нотт Дж. Ф. Основы механики разрушения. М.: Металлургия, 1978.256 с.

56. Обработка металлов резанием: Справочник технолога / Под ред. А.Г. Монахова. М.: Машиностроение, 1974. - 598 с.

57. Общемашиностроительные нормативы времени и режимов резания для нормирования работ, выполняемых на универсальных и многоцелевых станках с числовым программным управлением. Часть И. Нормативы режимов резания. М.: Экономика, 1990. - 474 с.

58. Оптимизация режимов обработки на металлорежущих станках / A.M. Гильман, Л.А. Брахман, Д.И. Батищев, Л.К. Митяева. М.: Машиностроение, 1972.- 188 с.

59. Островский В.И. Теория резания металлов. Расчет оптимальных режимов резания. Л.: СЗПИ, 1986. - 68 с.

60. Панасюк В.В. Предельное равновесие хрупких тел с трещинами. — Киев: Наукова думка, 1968. 246 с.

61. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. Новосибирск: Наука, 1985. - 229 с.

62. Подураев В.Н. Технология физико-химических методов обработки. — М.: Машиностроение, 1985. — 264 с.

63. Попов B.C. Теоретическая электротехника. -М.: Энергия, 1978. 560 с.

64. Пуш В.Э. Конструирование металлорежущих станков. — М.: Машиностроение, 1977. 392 с.

65. Режимы резания металлов: Справочник / JI.A. Брахман, Ц.З. Бродский, JI.A. Быков и др. Под ред. Ю.В. Барановского. М.: Машиностроение, 1972. - 407 с.

66. Рейхель В. Методика определения стойкости резца и обрабатываемости материала // Мировая техника. 1936. № 4. С. 6 — 14.

67. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Рэгсдел К. Оптимизация в технике. Кн.1.- М.: Мир, 1986. 347 с.

68. Родин П.Р. Основы формообразования поверхностей резанием. Киев: Высшая школа, 1977. — 192 с.

69. Розен В.В. Цель — оптимальное решение (математические модели принятия оптимальных решений). — М.: РиС, 1982. 168 с.

70. Розенберг A.M., Еремин А.Н. Элементы теории процесса резания металлов. М. - Свердловск: Машгиз, 1956. - 318 с.

71. Рыжов Э.В., Аверченков В.И. Оптимизация технологических процессов механической обработки / Под ред. А.П. Гавриш. Киев: Наукова думка, 1989.- 192 с.

72. Сальников B.C. Научное обоснование эффективного энергопотребления технологических систем: Автореферат дисс. докт. техн. наук. — Тула, 2003. — 39 с.

73. Сикора Е. Оптимизация процессов обработки резанием с применением вычислительных машин: Сокр. пер. с польского Д.Д. Тимонича; Под ред. канд. техн. наук П.Д. Беспахотного. М.: Машиностроение, 1983. - 226 с.

74. Силин С.С. Метод подобия при резании материалов. — М.: Машиностроение, 1979. — 152 с.

75. Силин С.С., Баранов A.B. Оптимизация операций механической обработки по энергетическим критериям // Станки и инструмент. 1999. № 1. С. 16 — 17.

76. Смазочно-охланадающие технологические средства для обработки металлов резанием: Справочник / Под ред. С.Г. Энтелиса, Э.М. Берлинера. М.: Машиностроение, 1986. - 352 с.

77. Справочник по технологии резания металлов. В 2-х кн. Кн.1. / Под ред. Г. Шпура, Т. Штеферле; Пер. с нем. под ред. Ю.М. Соломенцева. М.: Машиностроение, 1985. - 616 с.

78. Справочник по электропотреблению в промышленности / Под ред. Г.П. Минина и Ю.В. Копытова. М.: Энергия, 1978. - 496 с.

79. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.2/ Косилова А.Г., Мещеряков Р.К., Суслов А.Г. / Под ред. А.М. Дальского. М.: Машиностроение-1, 2001.-944 с.

80. Старков В.К. Дислокационные представления о резании металлов. М.: Машиностроение, 1979. - 160 с.

81. Старков В.К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве. М.: Машиностроение, 1989. - 296 с.

82. Старков В.К. Технологические методы повышения надежности обработки на станках с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1984. - 120 с.

83. Старков В.К., Киселев М.В. Алгоритм оптимизации процесса резания по энергетическому критерию качества// Станки и инструмент. 1992. № 10. С. 18 -20.

84. Талантов Н.В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента. М.: Машиностроение, 1992. — 240 с.

85. Тарзиманов Г.А. Проектирование металлорежущих станков. — М.: Машиностроение, 1980.-288 с.

86. Технологичность конструкций изделий: Справочник / Ю.Д. Амиров, Т.К. Алферова, П.Н. Волков и др.; Под общ. ред. Ю.Д. Амирова. М.: Машиностроение, 1990. — 768 с.

87. Тиме И.А. Сопротивление металла и дерева резанию. СПб, 1870.

88. Трент Е.М. Резание металлов. — М.: Машиностроение, 1980. — 263 с.

89. Трехов М.И., Горин Ф.И. Рациональное использование электроэнергии при обработке металлов резанием и давлением. M.-JL: Госэнергоиздат, 1961. -104 с.

90. Ушаков Н.И. Оптимизация технологических процессов в приборостроении. — М.: Машиностроение, 1981. — 56 с.

91. Федоров В.В. Исследование и разработка научных основ прогнозирования повреждаемости и разрушения металлов: Автореферат дисс.докт. техн. наук. М., 1980.-32 с.

92. Федоров В.В. Кинетика повреждаемости и разрушения твердых тел. — Ташкент: Фан, 1985. 167 с.

93. Физические величины: Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 232 с.

94. Филоненко С.Н. Резание металлов. Киев: Техника, 1975. — 232 с.

95. Финкель В.М. Физика разрушения. М.: Металлургия, 1970. — 376 с.

96. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. В двух частях. Часть вторая. Механические испытания. Конструкционная прочность. — М.: Машиностроение, 1974. 368 с.

97. Хакен Г. Синергетика. М.: Мир, 1980. - 406 с.

98. Цененко O.A. Программное управление режимами резания по критериям эффективности обработки: Автореферат дисс.канд. техн. наук. Ростов-на-Дону, 1992.- 18 с.

99. Швец В.В. Некоторые вопросы теории технологии машиностроения. -М.: Машиностроение, 1967. 63 с.

100. Экономия сырья и материалов: Справочник / Э.Амбос, А. Нойбауэр, Ю. Освальд и др. М.: Металлургия, 1985. - 255 с.

101. Якобе Г.Ю., Якоб Э., Кохан Д. Оптимизация резания. Параметризация способов обработки резанием с использованием технологической оптимизации:

102. Пер. с нем. под ред. канд. техн. наук В.Ф. Колотенкова. М.: Машиностроение, 1981.-279 с.

103. Якубов Ф.Я. Энергетические соотношения процесса механической обработки материалов. Ташкент: Фан, 1985. - 104 с.

104. Ящерицын П.И., Еременко M.JL, Фельдштейн Е.Э. Теория резания. Физические и тепловые процессы в технологических системах. — Минск: Вышэй-ша шк., 1990.-512 с.

105. Reeber R. Der Energie bedarf bei trennenden Fertigungsvertahren // Werkstatt und Betr. 1980. 113, 109- 113.