автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Технологическое обеспечение заданной стойкости инструмента и параметра шероховатости при обработке конструкционных углеродистых и низколегированных сталей на токарных и фрезерных станках с ЧПУ

На правах рукописи

1/ и/005059636 ^^ V (

Сергеев Александр Сергеевич

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАДАННОЙ СТОЙКОСТИ ИНСТРУМЕНТА И ПАРАМЕТРА ШЕРОХОВАТОСТИ ПРИ ОБРАБОТКЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ УГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ НА ТОКАРНЫХ И ФРЕЗЕРНЫХ СТАНКАХ С ЧПУ

05.02.07 - «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки»

1 6 МАП 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград-2013

005059636

Работа выполнена на кафедре «Автоматизация производственных процессов» «Волгоградский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Плотников Александр Леонтьевич.

Старков Виктор Константинович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», научно-исследовательский центр «Новые технологии и инструменты», директор; Чигиринский Юлий Львович кандидат технических наук, доцент «Волгоградский государственный технический университет», кафедра «Технология машиностроения», доцент. Волгоградский научно-исследовательский институт технологии машиностроения (ОАО «ВНИИТМАШ»), г.Волгоград.

Защита состоится «28» мая 2013 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 212.028.06 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект им. В. И. Ленина, д. 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «25» апреля 2013 г.

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие

Ученый секретарь диссертационного совета

Быков Юрий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Среди всех операций механической обработки лидирующие позиции, особенно в автоматизированных производствах, занимают токарные и фрезерные операции. При этом около 60% всех фрезерных работ составляют операции торцевого фрезерования. Современное машиностроение характеризуется производством ответственных деталей машин, работающих в жестких эксплуатационных условиях, что обуславливает повышение требований к показателям качества поверхностного слоя деталей, закладываемых на этапе конструкторского проектирования.

Существующее математическое обеспечение по расчету параметров шероховатости и методики назначения режимов резания с точки зрения обеспечения заданной стойкости инструмента и качества изготавливаемой продукции не являются в полной мере эффективными и при построении алгоритмов автоматизированного расчета параметров оптимизации приводят к значительным ошибкам (± 50% и выше), ввиду использования в них усредненных поправочных коэффициентов на физико-механические свойства инструмента и заготовки.

Основной задачей технолога является обеспечение требуемых показателей качества поверхностного слоя деталей машин и заданной стойкости инструмента на этапе проектирования технологического процесса токарной и фрезерной обработки. Оптимизация режимов обработки во многом, определяется возможностью оперативной оценки физико-механических свойств случайных сочетаний контактных пар «инструмент - заготовка» ввиду наличия разброса свойств инструмента и заготовки в партиях поставки.

В современном машиностроении задачи обеспечения заданной стойкости режущего инструмента и качества производства деталей являются взаимосвязанными и требуют совокупного решения для повышения эффективности всего автоматизированного машинного производства.

Цель работы. Разработка эффективных способов обеспечения заданной стойкости режущего инструмента и повышения качества обработки заготовок из конструкционных углеродистых и низколегированных сталей на станках с ЧПУ токарной и фрезерной групп. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Исследование физических закономерностей формирования микрогеометрии поверхностного слоя металла при лезвийной обработке и выявление диагностического параметра адекватно отражающего механические и теплофизические свойства контактной пары «инструмент - заготовка»;

2. Разработка адекватного математического обеспечения для автоматизированного расчета параметра шероховатости Ка на получистовых и чистовых операциях точения и торцевого фрезерования на базе диагностического параметра в полной мере отражающего механические и теплофизические свойства контактной пары «инструмент - заготовка»;

3. Разработка методики контроля и оценки предельного состояния сборного многолезвийного твердосплавного инструмента на базе диагностического параметра

отражающего механические и теплофизические свойства контактной пары «инструмент - заготовка»;

4. Разработка концепции функционирования подсистемы САПР ТП на базе модуля расчета параметра шероховатости обрабатываемой заготовки и модуля определения предельного состояния сборного твердосплавного режущего инструмента на примере торцевого фрезерования.

Методы и средства исследования. Теоретические исследования базируются на основе ключевых положений теории резания металлов, материалловедения, диагностики и надежности систем, а также методов планирования экспериментов с применением регрессионного анализа. Экспериментальные исследования выполнены в лабораторных условиях с использованием современных измерительно-вычислительных средств. Обработка результатов производилась на базе аппарата математической статистики с использованием специализированных прикладных программ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Приведены физические закономерности формирования микрогеометрии поверхностного слоя детали при лезвийной обработке сталей с позиций температурной прочности металла и дислокационно-энергетического представления о разрушении металлов при резании;

2. Установлена и экспериментально доказана связь сигнала термоЭДС контактной пары «инструмента - заготовка» с показателем шероховатости Яа поверхностного слоя изготавливаемой детали. В результате предложено использовать информативную способность сигнала естественной термопары (термоЭДС) Е «инструмент - заготовка» из зоны резания в математических моделях по расчету параметра шероховатости Ка для оперативной оценки механических и теплофизических свойств контактной пары;

3. На базе методики регрессионного анализа разработаны и предложены математические модели расчета параметра шероховатости Яа на основе сигнала термоЭДС Е естественной термопары «инструмент - заготовка», отражающего механические и теплофизические свойства всего диапазона сочетаний инструментального и обрабатываемого материалов;

4. Разработана методика оценки работоспособного состояния твердосплавного инструмента на примере торцевого фрезерования результатом которой являются предложенные способы программного и активного контроля предельного состояния сборного многолезвийного твердосплавного инструмента.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Приведены рекомендации по применению математических моделей расчета параметра шероховатости Ка для решения задач управления качеством поверхностного слоя деталей на этапе проектирования технологических процессов токарной и фрезерной обработки;

2. Разработан пакет прикладных программ, который может быть использован на этапе проектирования технологического процесса для автоматизации расчета параметров шероховатости Ка при выполнении получистовых и чистовых операций точения и торцевого фрезерования;

3. Приведены рекомендации по применению способов программного и активного контроля предельного состояния сборного многолезвийного твердосплавного инструмента (торцевой фрезы);

4. Разработаны алгоритмы функционирования модулей расчета параметра шероховатости R„ при токарной и фрезерной обработке, а таюке модулей активного и программного контроля предельного состояния сборного многолезвийного твердосплавного инструмента, которые могут служить основой для аппаратной и программной реализации работы модулей станочной САПР ТП при лезвийной и многолезвийной обработке заготовок на станках, оборудованных новым поколением систем ЧПУ класса PC-NC.

Апробация результатов исследования: Основные результаты диссертационной работы были представлены в научных конференциях: Международная научно-практическая конференция «Современные инновации в науке и технике» (г. Курск, 2011); IV Международная научно-практическая конференция «Современные направления научных исследований» (г. Екатеринбург, 2011); Международная научно-практическая конференция «Перспективное развитие науки, техники и технологий» (г. Курск, 2011); II Всероссийская научно-техническая конференция «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий» (г. Уфа,

2012); Международная молодежная научная конференция «Поколение будущего: Взгляд молодых ученых - 2012» (г. Курск, 2012); 48 - 50 внутривузовские научные конференции на кафедре «Автоматизация производственных процессов» Волгоградского государственного технического университета (г. Волгоград, 2011 -

2013); XI Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» (г. Новосибирск, 2013); II Международная научно-практическая конференция «Инновационные информационные технологии» (г. Прага, г. Москва, 2013).

Научные и практические результаты работы реализованы при выполнении госбюджетной научно-исследовательской работы №35 -53 / 155-2-09 «Разработка математического и программного обеспечения работы модуля расчета режимов резания в САПР ТП механической обработки сталей твердосплавными инструментами с защитными покрытиями» и № 35 - 53 / 445 - 2 - 12 «Разработка математического и программного обеспечения работы модуля расчета параметров шероховатости (качества поверхности) в САПР ТП механической обработки»,

Публикации.

По материалам диссертационного исследования опубликовано 20 работ, в том числе 11 работ в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК. Получен 1 патент на изобретение. Поданы 3 заявки на изобретение. Получено 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы (165 наименований), приложений. Работа изложена на 197 страницах содержит 54 рисунка, 31 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационного исследования, связанная с комплексным решением задач обеспечения заданной стойкости режущего инструмента и требуемого параметра шероховатости Яа деталей на операциях точения и фрезерования.

В первой главе проведен обзор и анализ способов обеспечения требуемых показателей качества деталей и способов обеспечения заданной стойкости инструмента при обработке сталей на токарных и фрезерных станках с ЧПУ.

Изучению проблем обеспечения заданной стойкости инструмента посвящены труды Б. А. Кравченко, Т. Н. Лоладзе, А. Д. Макарова, А. М. Розенберга, В. А. Сино-пальникова, Н. В. Талантова, Я. Г. Усачева и многих других ученых. Вопросы управления качеством металлообработки изложены в работах таких ученых как: В. Ф. Безъязычный, В. Ф. Бобров, В. А. Валетов, О. А. Горленко, Г. И. Грановский, А. И. Исаев, В. И. Котельников, Т. Г. Насад, В. К. Старков, А. М. Сулима, А. Г. Суслов и др., а также в работах многих зарубежных исследователей.

В качестве расчетного параметра, используемого в разрабатываемых математических зависимостях на этапе проектирования технологического процесса выбрано средннее арифметическое отклонение профиля обработанной поверхности Ля, как наиболее точного параметра, принятого в отечественных и зарубежных стандартах. Параметр шероховатости Яа регламентируется единой системой конструкторской документации (ЕСКД) и широко применяется на этапе конструкторского проектирования для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик изготавливаемого изделия.

В работе рассмотрен широкий спектр научной и справочно-иормативной литературы в которых описаны математические зависимости для расчета параметров шероховатости обрабатываемых поверхностей и методики их оценки. Установлено, что табличные способы определения параметров шероховатости обладают цизкой эффективностью и не могут служить основой для построения алгоритмов управления лезвийной обработкой. Применение известных математических зависимостей, не в полной мере эффективно по причине значительных ошибок и отклонений расчетных показателей параметра шероховатости от действительных.

Отмечено, что управление качеством изготавливаемой продукции на должном уровне возможно лишь на базе надежного математического обеспечения по расчету качественных показателей детали и только в том случае, если инструмент исправен и находится в работоспособном состоянии. За критерий работоспособности, как правило, принимается величина естественного износа режущего инструмента, а также внезапные отказы, что в совокупности определяет период стойкости Г инструмента.

Определенную сложность представляет собой контроль состояния сборного многолезвийного твердосплавного инструмента, применяемого на операциях торцевого фрезерования, что обуславливает детальное рассмотрение данного вопроса в диссертационном исследовании. Показано, что функциональная надежность всего комплекта фрезы зависит от неоднородности контактных пар «инструмент -заготовка» по физико-механическим свойствам и взаимного комбинационного

сочетания рабочих и вышедших из строя зубьев фрезы. Обосновано, что для решения задач оптимизации режимов резания с точки зрения качества и надежности автоматизированного производства необходима оперативная оценка состояния физико-механических свойств контактной пары «инстурмент - заготовка» до момента начала обработки на основе сигнала, получаемого непосредственно из зоны резания. Сформулированы цель работы и задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.

Во второй главе описана методика проведения экспериментальных исследований. Экспериментальная установка была выполнена на базе токарно-винторезного станка модели 1К62 и вертикального консольно-фрезерного станка модели 6Н11КП.

В ходе выполнения экспериментальных исследований в качестве диагностического параметра, определяющего физико-механические свойства контактной пары, был выбран сигнал термоЭДС, генерируемый естественной термопарой «инструментальный материал - обрабатываемая заготовка» в режиме предварительного пробного прохода {V = 100 м/мин; 0,1 мм/об (5, = 0,1 мм/зуб); г = 1 мм). На рис. 1 представлены схемы измерения сигнала термоЭДС при точении и фрезеровании.

Патрон

Токосъемник

токарного станка

Заготовка

Резец

к 1 Г- фильтр Цифровой осциллограф УвИетпп — Пq)ooнaльный компьютер Значение термоЭДС Я.мВ

Токосъемник

Персональный компьютер

Значение термоЭДС ¿-й пластины Ді,мВ

Цифровой осциллограф УеНетап

Оправка

Торцевая фреза

Обрабатываемая заготовка

?С- фильтр

б

а - точение; б - торцевое фрезерование Рисунок 1 - Схемы измерения сигнала термоЭДС

В качестве прибора для регистрации сигнала термоЭДС использовался цифровой осциллограф Velleman модели PCS500 с частотой дискретизации измеряемого сигнала 0,001...50 МГц, совместимый с персональным компьютером через LPT порт. Профилограммы микронеровностей обработанных поверхностей и значения показателей шероховатости (Ra, Я,, Rmm) после токарных и фрезерных операций регистрировались с помощью профилографа-профилометра «АБРИС - ПМ 7» - преобразователь первичный по ГОСТ 19300 - 86, степень точности 1. В качестве обрабатываемого материала при проведении экспериментальных исследований использовались углеродистые (сталь 20, 45) и низколегированные (20Х, 40Х, ШХ15) стали. В качестве основного инструментального материала при проведении экспериментальных исследований использовались твердосплавные инструменты марок: ТТ7К12, Т5К10, Т15К6, ВК6, ВК8 и ТН20 по ГОСТ 26530 - 85, Кировоградского завода твердых сплавов ОАО «КЗТС». Экспериментальные исследования проводились с применением трех, четырех и пятигранных сменных неперетачиваемых твердосплавных пластин как отечественных, так и зарубежных (Mitsubishi и Sandvik coromant) фирм производителей с покрытием (нитрид титана TIN и карбонитрид титана TiCN) и без покрытия. Снимки обработанных участков деталей проводились в лаборатории кафедры «Материаловедение и композиционные материалы» ВолгГТУ, на электронном микроскопе Olympus ВХ61 - материаловедский агрегатный комплекс. Схемы измерения параметров шероховатости при обработке на токарном и фрезерном станках приведены на рис. 2.

а - точение, б - торцевое фрезерование Рисунок 2 - Схемы измерения параметров шероховатости при точении и фрезеровании

При выполнении стойкостных испытаний величина фаски износа сменных многогранных твердосплавных пластин измерялась на станке с помощью лупы Бринелля ценой деления 0,05 мм и двадцати четырех кратным увеличением. Экспериментальные исследования проводились как при резании в сухую, так и с применением смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС). В качестве СОТС применялся эмульсол-ЭГТ (2%, 6% и 10%-й раствор эмульсии). Способ подач СОТС в зону резания — свободно падающая струя (расход Q = 200 мл/мин). Для обработки экспериментальных данных использовался аппарат математической статистики с определением количества необходимых испытаний, среднего арифметического значения случайной величины, стандартного отклонения,

коэффициента вариации, оценкой грубых ошибок и т.д. Применение описанной методики проведения экспериментальных исследований позволило получить достоверные результаты при однолезвийной и многолезвийной обработке.

В третьей главе теоретически обосновывается использование физических явлений при лезвийной обработке сталей для обеспечения качества обрабатываемой поверхности и надежности процесса резания. Технологические особенности металлургического производства предполагают наличие неизбежного разброса физико-механических свойств обрабатываемого и инструментального материала, что подтверждается наличием в стандартах допусков на показатели механических свойств и содержание химических элементов готовой продукции инструментальных заводов и

металлургических комбинатов. В этой связи использование средних поправочных коэффициентов на физико-механические свойства обрабатываемого и инструментального материалов в математических зависимостях справочно-нормативной литературы, приводят к появлению погрешностей расчета. Как показывает практика разброс режущих свойств твердосплавных пластин и обрабатываемости сталей может носить случайный характер и подчиняться различным законам распределения (см. рис. 3). Возникают ситуации, при которых заготовка из партии поставки обладающая худшей обрабатываемостью (0ятах) соче-зкими режущими свойствами (минимальный коэффициент износа инструмента А"Ит1п), на рис. 3, это сочетание зон (4 - 5) и наоборот, на рис. 3, это сочетание зон (1 - 8). Но если во втором случае речь идет о недоиспользовании ресурса инструментального материала, то первая ситуация грозит простоем оборудования по причине преждевременного выхода из строя инструментальной оснастки. Показано, что зачастую возникает ситуация когда механические характеристики и химический состав изготавливаемых сталей и сплавов укладываются в установленные ГОСТом допуски, но вместе с тем различные их сочетания «инструмент - заготовка» влияют на контактно-деформационные процессы в зоне резания, определяя надежность и качество обработки. Это в свою очередь приводит к снижению стабильности автоматизированного производства за счет случайной природы сочетания контактных пар «инструмент - заготовка» из партий поставки. Установлено, что использование в качестве диагностического параметра сигнала естественной термопары «инструмент - заготовка» позволяет

/<СТв)

/<ч

ств, МПп

/С&>,

/&Ч, -

АГитт АГи ср АИгаах

Рисунок 3 - Плотности распределения механических свойств сталей_Доя) и режущих свойств инструментаДА*и)

тается с твердым сплавом, обладающим ни:

получать оперативную информацию о фазовом составе, а также о теплофизических свойствах контактной пары в режиме пробного прохода (в том числе, при использовании твердосплавного инструмента с износостойким защитным покрытием). Установлено влияние количества режущих кромок торцевой фрезы г\ приходящихся на ширину фрезерования поверхности при заданном диаметре торцевой фрезы на параметр шероховатости Яа. Данное обстоятельство обуславливает использование в математической модели комплексного параметра г'.

Экспериментально установлена связь сигнала термоЭДС контактной пары «инструмент - заготовка» с параметром шероховатости Яа. Такое влияние обуславливается наличием корреляционной зависимости коэффициента теплопроводности инструмента с сигналом термоЭДС, что позволяет использовать его для оценки не только механических, но и теплофизических свойств контактной пары «инструмент - заготовка». Приведены физические закономерности формирования микрогеометрии поверхностного слоя деталей при лезвийной обработке сталей с позиций температурной прочности металла и дислокационно-энергетического представления о разрушении металлов при резании. Показано, что информативная способность сигнала термоЭДС может быть использована для разработки математического и программного обеспечения при решении задач оценки состояния инструмента и управления качеством лезвийной обработки сталей. Установлено, что использование в математических моделях сигнала термоЭДС пробного прохода контактной пары «инструмент - заготовка» повышает точность расчета параметра шероховатости Яа, т.к. удельная контактная составляющая термоЭДС, входящая в общую формулу полного значения термоЭДС пары, зависит от механических и теплофизических свойств конкретной контактной пары «инструмент - заготовка».

В четвертой главе приведена методика разработки математического и программного обеспечения работы модуля для расчета параметров шероховатости в САПР ТП токарной и фрезерной обработки. В основу разработки математических моделей по расчету параметров шероховатости Ка на токарных и фрезерных операциях положен регрессионный анализ. В качестве регрессионных моделей, принимались: полиномиальная, степенная и показательная модель. Составлялся план полнофакторного эксперимента для каждого из четырех видов обработки (получистовая и чистовая токарная и фрезерная операции). Для каждой регрессионной модели находились коэффициенты регрессии Ь,. Уровень значимости коэффициентов регрессии оценивался по критерию Стьюдента. По результатам проверки все факторы оказались значимыми, что позволило использовать их при дальнейшей разработке математических моделей расчета параметра шероховатости. Оценка адекватности регрессионных моделей производилась по критерию Фишера ОР - критерий) с достоверностью 99,7%. За основу разрабатываемой математической модели во всех опытах была взята степенная функция по критерию минимального значения средней относительной погрешности расчета параметра шероховатости Яа по сравнению с действительным значением. По результатам проверки расчетные значения параметра / превышали табличные значения критерия Фишера с достоверностью 99,7%, что свидетельствовало об адекватности применяемых

степенных моделей. Результатом экспериментальных исследований по разработке математического обеспечения модулей САПР ТП являются:

1. Математическая модель расчета параметра шероховатости поверхности Яа при точении вида:

V"

(мкм),

(1)

где Сца - коэффициент, учитывающий вид обработки (при получистовой обработке: Ска = 5,063, при чистовой обработке: СКа = 54,615); Е - значение термоЭДС контактной пары «инструмент - заготовка», мВ; ( - глубина резания, мм; £ - подача на оборот, мм/об; К- скорость резания, м/мин; К\, К2, Л"з, К4 - показатели степени при соответствующих факторах (получистовая обработка: К\ = 0,5; К2 = 1,122; К3 = 0,7; К4 = 0,26; чистовая обработка: = 0,52; К2 = 0,478; Къ = 0,443; К4 = 0,66).

Средняя относительная ошибка определения параметра шероховатости Ка при точении по разработанной математической модели при получистовой и чистовой токарной обработке не превышает 10%, а максимальная относительная погрешность составляет порядка 33%.

2. Математическая модель расчета параметра шероховатости поверхности Ка при торцевом фрезеровании, учитывающая влияние количества режущих кромок г' на дуге фрезерования исходя из геометрических параметров инструмента и заготовки:

г ■ агссоБ

360

- + 1

А*2

к4

-(мкм), (2)

где СКа - коэффициент, учитывающий вид обработки (при получистовой обработке: СКа = 2,75, при чистовой обработке: СКа = 73,5); Б2 - подача на зуб сборного многолезвийного твердосплавного инструмента, мм/зуб; г — количество режущих кромок сборного многолезвийного твердосплавного инструмента (торцевой фрезы); Ес - среднеарифметическое значение термоЭДС всех г пластин, мВ; В — ширина фрезерования, мм; О - диаметр торцевой фрезы, мм; К\, /¿2, /Гз, . Л"5 — показатели степени при соответствующих факторах (получистовая обработка: К\ = 1; К2 = 0,732; /Г3 = 0,51; К4 = 0,5; К} = 0,284; чистовая обработка: = 0,833; К2 = 0,727; К3 = 0,264;

= 0,313; Л";5 = 0,997).

Средняя относительная ошибка определения параметра шероховатости Яа при получистовом и чистовом торцевом фрезеровании по разработанной математической модели не превышает 14%, а максимальная относительная погрешность составляет порядка 40%. На базе математических моделей (1) и (2) разработано программное обеспечение для автоматизированного расчета параметров шероховатости на получистовых и чистовых операциях точения (свид. № 2012615461 от 18.06.2012 РФ) и торцевого фрезерования (свид. № 2012617650 от 24.08.2012 РФ).

Отмечено, что использование в математических моделях информативной способности параметра термоЭДС естественной термопары «инструмент -

заготовка», позволяет оценивать весь диапазон разброса физико-механических свойств инструмента и заготовки в зоне резания. На базе математического обеспечения (формулы (1) и (2)) построены алгоритмы функционирования работы модулей расчета параметров шероховатости в САПР ТП получистовых и чистовых машинных операций точения и торцевого фрезерования.

В пятой главе приведены методики оценки предельного состояния сборного многолезвийного твердосплавного инструмента при выполнении операций торцевого фрезерования. Разработанные методики в полной мере реализуемы для мониторинга процессов однолезвийной обработки при выполнении операций токарной обработки.

Разработан способ программного контроля предельного состояния режущих кромок сборных многолезвийных инструментов (см. патент 1Ш 2449860, МПК В23 В25 / 06, 10.05.2012) и описан алгоритм работы модуля САПР ТП на базе данного способа. Перед началом обработки производится предварительный пробный проход, измеряются и фиксируются сигналы термоЭДС каждой режущей пластины Расчитывается допустимая скорость резания Уя по одному из известных способов (см. патент 1Ш 2312750, МПК 7 В 23 17/09, 20.12.2007):

(625-24,7£с)-£>0'2 . . ,

= ^0^0,4,^0,2,^0,24 (М/МИН>'

Для режущей пластины, обладающей худшими режущими свойствами ВЫЧИСЛЯЮТ интенсивность ее отказов Хщах по формуле:

(г (625-24,7£тах)-Р°'2

0,1 с0,4 Г,0,2 Г- 0,24

шах

д -I - - ^ -^шах у

V. - г -5; -В

(мин'1),

где Етт - максимальное значение термоЭДС режущей кромки из набора фрезы, мВ.

До момента начала обработки оператор-технолог вводит параметр предельной вероятности отказа инструмента и величину временного интервала Ат, определяющего контрольные моменты времени х, для диагностики наступления отказа торцевой фрезы. В первый контрольный момент времени Х\ — Дт вычисляется частная функция вероятности отказа <2(Т|) фрезы по экспоненциальному закону:

е(т,) = 1-е"Я'™'1"С|

где £(Т|) - частная функция вероятности отказов в момент времени Т].

По истечении первого контрольного момента времени Х] функция вероятности отказа фрезы Р(т1) принимает значение частной функции вероятности отказа ):

Далее в первый контрольный момент времени Т] вычисляют коэффициент работоспособности сборного инструмента Кр по формуле:

р р

1 пр

где ДТ|) - значение функции вероятности отказа инструмента в момент времени Т]. По полученному значению коэффициента Кр проводят проверку условия:

Кр> 1, (3)

Если условие (3) не выполняется, то обработка продолжается на установленных технологических режимах до наступления следующего (второго) контрольного момента времени т2. Если условие (3) выполняется, то производится вывод торцевой фрезы из зоны обработки и дальнейшая замена вышедшей из строя пластины. По истечении каждого контрольного момента времени т, производится проверка условия (3).

В общем случае для любого контрольного момента времени т,- < Г функция вероятности отказа торцевой фрезы Дт,) фрезы, при условии, что в момент времени т,-.| отказ торцевой фрезы не произошел, определяется выражением:

вд=• [1 - )]•[!- е^м • - ■ [1 - )] ■

При этом значение функции вероятности отказа фрезы т„) в момент времени х„ рассчитывается по формуле:

1=1

По данным стойкостных испытаний выявлено, что максимальная относительная погрешность определения стойкости инструмента по предлагаемому способу составляет 9%. Данный способ наиболее эффективен при выявлении постепенных отказов, характерных для получистовых и чистовых операций торцевого фрезерования при работе фрезой с количеством режущих кромок менее восьми, где отказ одной режущей кромки является критичным.

Для диагностики и выявления внезапных отказов, связанных со сколами режущих кромок твердосплавных пластин, разработана методика, позволяющая в режиме реального времени производить мониторинг и идентификацию отказа той или иной режущей кромки. Разработан способ контроля (активного) состояния режущих кромок сборных многолезвийных инструментов и подана заявка на выдачу патена РФ (приоритетная справка № 2011146604, приоритет от 16.11.2011).

В основу способа положен тот факт, что до тех пор, пока режущие кромки торцевой фрезы имеют физический контакт с обрабатываемой заготовкой, каждой режущей кромкой генерируется сигнал термоЭДС Е,. В случае если в комплекте твердосплавных пластин происходит резкое снижение сигнала термоЭДС (Е1 < 1 мВ) или отсутствие сигнала термоЭДС Е„ то это означает, что произошел критический износ режущей кромки (отказ). При этом, для оценки предельного состояния торцевой фрезы целесообразно использовать коэффициент изношенности Ки, определяемый как отношение количества режущих кромок т (со значением термоЭДС Е/ меньшим или равном предельному Епр), к общему количеству режущих кромок г в наборе торцевой фрезы. Данный способ особенно эффективен при черновой и получистовой обработке на тяжелых режимах (где наиболее вероятно появление внезапного отказа) торцевой фрезой оснащенной количеством режущих кромок более восьми (г > 8). В качестве численной величины предельного значения термоЭДС, принято значение из диапазона Е < 1 мВ, что соответствует отсутствию физического контакта между заготовкой. В режиме обучения системе ЧПУ сообщается следующая информация: общее количество режущих кромок торцевой фрезы г\ предельное значение термоЭДС Епр в момент скола режущей кромки; предельное значение коэффициента изношенности Ки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В диссертационной работе решена научно-техническая задача по обеспечению заданной стойкости режущего инструмента и параметра шероховатости Ra на операциях точения и торцевого фрезерования;

2. Показано, что эффективное управление качеством обработанной поверхности при точении и торцевом фрезеровании на станках с ЧПУ возможно обеспечить на базе математических моделей, в полной мере учитывающих допускаемый разброс свойств со стороны обрабатываемых сталей и режущего твердосплавного инструмента, с оценкой его предельного состояния;

3. Для решения задачи было предложено использовать информативную способность сигнала термоЭДС естественной термопары «инструмент - заготовка», измеренного на предварительном пробном проходе для оперативной оценки сочетания механических и теплофизических свойств каждой контактной пары;

4. Исследовано влияние количества режущих кромок торцевой фрезы, одновременно находящихся на длине дуги фрезерования, на высоту микронеровностей;

5. Применение аппарата регрессионного анализа позволило получить адекватные математические модели, для расчета параметра шероховатости R„ при точении и торцевом фрезеровании, обеспечивающие совпадение расчетного и измеренного значения в пределах 12-15%;

6. На базе полученных математических моделей разработаны алгоритмы автоматизированного расчета параметра шероховатости Ra для операций точения и торцевого фрезерования;

7. Разработан способ программного контроля, с возможностью обеспечения заданной стойкости торцевой фрезы с допуском ±10%, и способ активного контроля для оценки предельного состояния сборного многолезвийного твердосплавного инструмента;

8. Предложен вариант работы подсистемы мониторинга процесса механической обработки на фрезерном станке с ЧПУ, включающей модуль расчета параметра шероховатости Ra и модули программного и активного контроля предельного состояния сборной твердосплавной фрезы.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, в периодических изданиях рекомендованных ВАК:

1. Автоматический контроль состояния сборного многолезвийного инструмента / А.Л. Плотников, A.C. Сергеев, Е.Г. Крылов, М.Г. Кристаль, В.П. Заярный // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2011. - № 3. - С. 25-28.

2. Автоматический контроль предельного состояния торцовых фрез / А.Л. Плотников, Б.В. Лесной, Е.Г. Крылов, A.C. Сергеев // Справочник. Инженерный журнал. - 2011. - № 7. - С. 42-46.

3. Проблемы и задачи обеспечения качества обработки на автоматизированном станочном оборудовании / Д.В. Крайнев, А.Р. Ингеманссон, А.Н. Романенко,

A.C. Сергеев, Н.Г. Зайцева // Известия Волгоградского государственного технического университета. - 2011. - Т.7. -№ 13. - С. 16-20.

4. Сергеев, A.C. Мониторинг предельного состояния сборного многолезвийного инструмента на фрезерных станках с ЧПУ / A.C. Сергеев, A.J1. Плотников, Е.Г. Крылов // Справочник. Инженерный журнал. - 2012. - № 6. - С. 37-41.

5. Плотников, А.Л. Расчет и обеспечение режимов резания в САПР ТП на станках с ЧПУ при точении углеродистых сталей по требуемому параметру шероховатости поверхности / А.Л. Плотников, A.C. Сергеев, Н.Г. Зайцева. // Металлообработка. - 2012. - № 3. - С. 42-45.

6. Сергеев, A.C. Математическая модель формирования шероховатости поверхности при точении сталей на основе оперативного сигнала термоЭДС / A.C. Сергеев, Н.Г. Зайцева, А.Л. Плотников // Обработка металлов. - 2012. - № 7. - С. 20-23.

7. Зайцева, Н.Г. Проблемы управления качеством обработки и моделирование процесса формирования шероховатости поверхности при точении / Н.Г. Зайцева, А.Р. Ингеманссон, Д.В. Крайнев, A.C. Сергеев // Известия Волгоградского государственного технического университета. - 2012. - Т.8. -№ 13. - С. 15-18.

8. Сергеев, A.C. Управление качеством металлообработки деталей торцовыми фрезами на автоматизированном станочном оборудовании / A.C. Сергеев, А.Л. Плотников, Н.Г. Зайцева II Известия Волгоградского государственного технического университета. - 2012. - Т.8. — № 13. - С. 54-56.

9. Сергеев, A.C. Работоспособность сборных торцовых фрез при обработке на станках с ЧПУ / A.C. Сергеев, Б.В. Лесной, А.Л. Плотников // Технология машиностроения. - 2012. - № 11.- С.25-28.

10. Сергеев, A.C. Управление качеством механообработки сборным многолезвийным твердосплавным инструментом на фрезерных станках с ЧПУ / A.C. Сергеев, А.Л. Плотников // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. - 2012. - Т. 16. - № 4 (49). - С. 138-143.

11. Сергеев, A.C. Уточненная математическая модель расчета параметра шероховатости поверхности при точении углеродистых сталей на станках с ЧПУ / A.C. Сергеев, А.Л. Плотников, Н.Г. Зайцева // Металлообработка. - 2012. - № 5-6. -С. 64-68.

Патенты РФ и свидетельства о регистрации программ для ЭВМ:

12. Пат. 2449860 РФ, МПК В23 В25 / 06. Способ программного контроля предельного состояния режущих кромок сборных многолезвийных инструментов / Б.В.Лесной, Е.Г. Крылов, А.Л. Плотников, A.C. Сергеев; ГОУ ВПО ВолгГТУ. - 2012.

13. Свид. о. гос. регистрации № 2012615461 от 18.06.2012 РФ. Расчет величины среднего арифметического отклонения профиля обработанной поверхности при получистовом и чистовом точении: программа для ЭВМ / А.Л. Плотников, A.C. Сергеев, Е.М. Фролов, Н.Г. Зайцева; ВолгГТУ. - 2012.

14. Свид. о. гос. регистрации № 2012617650 от 24.08.2012 РФ. Расчет величины среднего арифметического отклонения профиля обработанной поверхности при получистовом и чистовом торцовом фрезеровании конструкционных углеродистых и низколегированных сталей: Программа для ЭВМ / А.Л. Плотников, A.C. Сергеев, Н.Г. Зайцева; ВолгГТУ. - 2012.

Научные работы, опубликованные в других изданиях:

15. Сергеев, A.C. Проблемы управления качеством механообработки на станках с ЧПУ / A.C. Сергеев, A.JI. Плотников // Современные инновации в науке и технике: матер, междунар. науч.-практ. конф. (14 апр. 2011 г.) / Юго-Западный гос. ун-т, Фак-т инноваций и управления. - Курск, 2011. - С. 107-110.

16. Сергеев, A.C. Влияние состояния сборного многолезвийного твердосплавного инструмента на микрогеометрию поверхностей при обработке на фрезерных станках с ЧПУ / A.C. Сергеев // Современные направления научных исследований : сб. науч. тр. IV междунар. заоч. науч.-практ. конф. (15 июня 2011 г.) / Периодическое науч. издание "Мир гуманитарных наук". - Екатеринбург, 2011. - С. 56-57.

17. Сергеев, A.C. Обеспечение качества металлообработки сборным многолезвийным твердосплавным инструментом на фрезерных станках с ЧПУ / A.C. Сергеев, A.JT. Плотников, Ф.Г. Добрынин // Перспективное развитие науки, техники и технологий: матер, междунар. науч.-практ. конф. (7 окт. 2011 г.) / Юго-Западный гос. ун-т, Фак-т инноваций и управления. - Курск, 2011. - С. 212-215.

18. Сергеев, A.C. Обеспечение заданных показателей качества поверхностей при обработке сборным многолезвийным инструментом на фрезерных станках с ЧПУ / A.C. Сергеев // Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий: матер, всероссийской науч.- техн. конф. (28 фев. - 01 мар. 2012 г.) / Уфимский государственный авиационный технический университет. - Уфа, 2012. - С. 50-54.

19. Сергеев, A.C. Разработка математических моделей расчета параметров шероховатости при обработке деталей на токарных и фрезерных станках с ЧПУ / A.C. Сергеев // Поколение будущего: Взгляд молодых ученых - 2012: материалы молодежной научной конф. (14 - 20 ноября 2012 г.) / Юго-Западный гос. ун-т (ЮЗГУ). - Курск, 2012. - С. 160-163.

20. Сергеев, A.C. Математическое обеспечение работы модуля автоматизированного расчета параметра шероховатости в САПР ТП лезвийной обработки / A.C. Сергеев, Н.Г. Зайцева // Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе: матер, XI всероссийской науч.-практ. конф. (27 мар. 2013 г.) / Новосибирский государственный технический университет. -Новосибирск, 2013. - С. 59-63.

Подписано в печать 49 -ОН- 2013г. Заказ № М-3 . Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0 Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, г. Волгоград, ул. Советская, 35

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет»

Сергеев Александр Сергеевич

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАДАННОЙ СТОЙКОСТИ ИНСТРУМЕНТА И ПАРАМЕТРА ШЕРОХОВАТОСТИ ПРИ ОБРАБОТКЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ УГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ НА ТОКАРНЫХ И ФРЕЗЕРНЫХ СТАНКАХ С ЧПУ

04201360507

на правах рукописи

05.02.07 - «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор техн. наук, профессор А. Л. Плотников

Волгоград - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..............................................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННОЙ СТОЙКОСТИ ИНСТРУМЕНТА И ТРЕБУЕМЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ......................................................................................7

1.1. Анализ способов обеспечения требуемых показателей качества деталей при обработке сталей на станках с ЧПУ............................7

1.2. Анализ способов обеспечения заданной стойкости инструмента при обработке сталей на станках с ЧПУ..........................................35

1.3. Постановка цели и задач исследования...........................................49

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................................................................51

2.1. Описание экспериментальной установки........................................51

2.2. Методика измерения сигнала термоЭДС........................................54

2.3. Приборы и приспособления для исследования показателей качества механической обработки сталей.......................................60

2.4. Приборы и приспособления для проведения стойкостных испытаний при механической обработке сталей............................62

2.5. Обрабатываемый материал и инструменты....................................63

2.6. Статистическая обработка экспериментальных данных...............67

Выводы по главе 2....................................................................................71

ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ ПРИ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКЕ СТАЛЕЙ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ...............................72

3.1. Анализ причин неоднородности физико-механических свойств инструментального и обрабатываемого материалов......................72

3.2. Физические закономерности процессов,

определяющих динамику износа инструмента...............................78

3.3. Физические закономерности формирования микрогеометрии

поверхности при лезвийной обработке сталей...............................82

3.4. Использование информативной способности сигнала

естественной термопары (термоЭДС) из зоны резания.................98

Выводы по главе 3.................................................................................... 114

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТЫ МОДУЛЕЙ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРА ШЕРОХОВАТОСТИ В САПР ТП.................................................................... 116

4.1. Методика экспериментального получения математических моделей по расчету параметров шероховатости поверхности..... 116

4.2. Обоснование выбора факторов математических моделей

и план эксперимента......................................................................... 117

4.3. Разработка математического обеспечения работы

модулей САПР ТП............................................................................ 134

4.4. Разработка алгоритмов функционирования и

программного обеспечения работы модулей САПР ТП............... 138

Выводы по главе 4.................................................................................... 147

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ СБОРНОГО МНОГОЛЕЗВИЙНОГО

ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА....................................................... 148

5.1. Способ программного контроля предельного состояния сборного многолезвийного твердосплавного инструмента...........148

5.2. Способ активного контроля предельного состояния

сборного многолезвийного твердосплавного инструмента........... 160

5.3. Мониторинг процесса торцевого фрезерования

на автоматизированном оборудовании............................................ 169

Выводы по главе 5.................................................................................... 172

Общие выводы по работе................................................................................... 173

Список использованной литературы................................................................ 175

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................................. 194

Введение

На всех этапах в металлообрабатывающей промышленности, сюяла задача повышения производительности и качества изготовления деталей. На сегодняшний день среди всех операций машинного производства лидирующие позиции, особенно в автоматизированных производствах, занимают ю-карные и фрезерные операции. При этом около 60% всех фрезерных работ составляют операции торцевого фрезерования. Применение современных информационных технологий и непрерывная модернизация устройств программного управления технологическим оборудованием расширяют возможности существующих станочных систем, и приводят к росту парка станков с программным управлением. В связи с этим основной тенденцией развития машиностроительного производства является применение авюмати шрован-ного станочного оборудования.

Современное машиностроение характеризуется выпуском сложнейших узлов и агрегатов, в основу работы которых положено использование оше!-ственных деталей машин. Тяжелые условия эксплуатации обуславливают повышение требований к качеству поверхностного слоя деталей, изготавливаемых на основных машинных операциях (токарные и фрезерные операции).

Задачей технолога-проектировщика является обеспечение греб\емы\ показателей качества деталей, заложенных на этапе конструкторского проектирования, за счет оптимизации и назначения режимов резания на конкретной окончательной или межоперационной технологической позиции. 1ехно-логический процесс изготовления любой детали в обязательном порядке включает в себя требования к качественным показателям ее поверхностного слоя. Это объясняется, и в том числе, необходимостью назначения припусков под финишные операции (шлифование, хонингование и т.д.) после предшествующих видов обработки (токарная, фрезерная и другие виды обработки)

Однако, зачастую, операции финишной обработки не могут бьпь применены ввиду специфичных условий эксплуатации изделия, особенностей

геометрии и габаритов заготовки, технических характеристик обрабатывающего оборудования, наличия требований по физико-механическим и структурным характеристикам поверхностного слоя, экономической и производственной целесообразности.

В связи с этим требуемые показатели качества поверхностного слоя деталей в полной мере должны быть обеспечены на основных машинных операциях, в частности, операциях точения и торцевого фрезерования.

В последнее время в современном машиностроении все чаще применяют защитные покрытия деталей, которые придают износостойкость и твердость поверхности при сохранении прочности и пластичности материала, защищая его от воздействия агрессивных сред [115]. Эксплуатационные свойства деталей машин с такими покрытиями во многом зависят от характера производственной подготовки поверхностного слоя на предшествующих операциях (токарная и фрезерная обработка).

При изучении материалов всемирных экспозиций по направлениям современного станкостроения [73] отмечается, что основными тенденциями развития современного машиностроительного производства являются: применение интеллектуальных станочных систем, мониторинг металлорежущих станков и дистанционная диагностика, обработка заготовок и получение деталей полностью на одном оборудовании, повышение экологичности обработки и качества изготавливаемой продукции.

В основу управления качеством продукции, безусловно, должно быть положено надежное математическое обеспечение. При этом все математические модели, применяемые в алгоритмах управления качеством лезвийной обработки, предполагают, работоспособное состояние инструмента. Однако на практике, функциональное состояние инструмента со временем его работы меняется, и в какой-то момент оно может достичь так называемого предельного состояния, при котором дальнейшая его эксплуатация недопустима. В связи с этим технологическое обеспечение качества лезвийной обработки заготовок возможно лишь только в том случае, когда инструментальное обо-

рудование находится в исправном состоянии. Только в этом случае может идти речь о возможности дальнейшего применения разработанных математических зависимостей, связывающих определенные технологические параметры обработки и обеспечивающих необходимые качественные показатели изготавливаемой продукции.

Задача управления качеством изготавливаемой продукции должна сочетаться с задачей обеспечения заданного периода стойкости инструмента. Это обстоятельство должно быть положено в основу создания систем мониторинга предельного состояния инструментального оборудования. При этом самым эффективным способом, как отмечают авторы работ [87], [105] является вероятностная оценка должного уровня надежности безотказной работы инструмента на этапе проектирования технологического процесса.

В современном машиностроении задачи обеспечения заданной стойкости инструмента и качества производства деталей являются взаимосвязанными и требуют совокупного решения для повышения эффективности всего автоматизированного машинного производства.

Данная работа является составной частью госбюджетных тем: «Разработка математического и программного обеспечения работы модуля расчета режимов резания в САПР ТП механической обработки сталей твердосплавными инструментами с защитными покрытиями» (НИР № 35 - 53 / 155 - 2 -09) и «Разработка математического и программного обеспечения работы модуля расчета параметров шероховатости (качества поверхности) в САПР ТП механической обработки» (НИР № 35 - 53 / 445 - 2 - 12), выполненных на кафедре «Автоматизация производственных процессов» Волгоградского государственного технического университета под руководством д.т.н., профессора A. JI. Плотникова.

Результаты работы могут быть применены при автоматизации процессов лезвийной и многолезвийной обработки на токарных и фрезерных станках, оснащенных новым поколением систем ЧПУ класса PC-NC.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННОЙ СТОЙКОСТИ ИНСТРУМЕНТА И ТРЕБУЕМЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ

1.1. Анализ способов обеспечения требуемых показателей качества деталей при обработке сталей на станках с ЧПУ

Изучению проблем обработки металлов резанием посвящены труды Н. Н. Зорева, Б. А. Кравченко, Т. Н. Лоладзе, А. Д. Макарова, В. Н. Подурае-ва, Н. Н. Резникова, А. М. Розенберга, В. А. Синопальникова, Н. В. Таланто-ва, Я. Г. Усачева и многих других ученых.

Вопросы управления и технологического обеспечения качества металлообработки изложены в работах таких ученых как: В. Ф. Безъязычный, В. Ф. Бобров, В. А. Валетов, О. А. Горленко, Г. И. Грановский, А. И. Исаев, В. И. Котельников, Т. Г. Насад, В. К. Старков, А. М. Сулима, А. Г. Суслов и др., а также в работах многих зарубежных исследователей.

Управление качеством продукции регламентируется государственным стандартом ГОСТ Р 50779.11 - 2000, в котором приводятся основные понятия, термины и определения.

Качество изделия - это совокупность свойств изделия, обусловливающих его пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с его назначением.

Показатель качества изделия - это количественная характеристика одного или нескольких свойств изделия, входящих в его качество, рассматриваемая применительно к определенным условиям его создания и эксплуатации.

В этой связи достаточно важным понятием является обеспечение качества изделия, которое, в соответствии с ГОСТ Р 50779.11 - 2000, определяется совокупностью планируемых и систематически выполняемых действий,

требуемых для создания надлежащей уверенности в том, что изделие будет удовлетворять установленным требованиям к качеству.

На сегодняшний день нет единой классификации показателей качества поверхностного слоя деталей машин. В общем случае показатели качества выбираются, дифференцировано, в зависимости от условий эксплуатации обрабатываемого изделия.

В. А. Валетов в работах [12] и [13] предлагает использовать так называемые непараметрические критерии оценки качества поверхностного слоя деталей машин. В качестве критериев оценки предлагается использовать графические изображения функции плотности ординат или углов наклона профиля, а также использовать образцы самих профилей поверхностей. Идея данной методики - полное описание микрогеометрии поверхности. Однако на практике такой подход вызывает не мало трудностей при реализации. Оптимизация процесса обработки рассматривается с точки зрения влияния шероховатости на функциональные свойства изделия, для этого предлагается создание эталонных непараметрических критериев, объединенных в базы данных. Систематизация, связанная с измерением, воспроизведением и накоплением информативных параметров эталонных профилей представляет собой весьма трудоемкую задачу.

Р. РосЫас11о и в. W. 81асЬош1ак, в своих работах [156] и [160], приводят достаточно интересный подход по классификации качества инженерных поверхностей с учетом характера их износа.

Авторы данной классификации предлагают отказаться от каких-либо геометрических параметров поверхности, и относить поверхностный слой деталей в ту или иную классификационную группу согласно установленному характеру износа поверхности.

Однако в работах [112], [156] авторы отмечают, что существует ряд проблем, которые необходимо решить, прежде чем этот подход может быть применен для построения систем мониторинга состояния поверхностного слоя в современном машиностроительном производстве. Прежде всего - это

выполнение целого комплекса мер по разработке эффективного способа определения классификационного признака.

Общая тенденция подхода к определению показателей качества обрабатываемой поверхности заключается в комплексной оценке характеристик поверхностного слоя с учетом геометрических, структурных и физико-механических параметров изготавливаемой детали.

С этой точки зрения практический интерес представляет собой классификация параметров поверхностного слоя деталей предложенная в работе [94] А. М. Сулима и М. И. Евстигнеева. Согласно этой классификации авторы выделяют две группы характеристик поверхностного слоя детали.

К первой группе относятся неровности поверхностного слоя детали -это шероховатость (высота неровностей по десяти точкам среднее арифметическое отклонение профиля Яа, наибольшая высота неровностей профиля ^шах и др.), направление неровностей и волнистость поверхности.

Ко второй группе относятся физико-химические показатели поверхностного слоя детали - это структура (размер зерен, плотность дислокаций, концентрация вакансий и др.), фазовый состав (тип кристаллической структуры фаз, параметры решетки фаз), химический состав (концентрация элементов в поверхностном слое), деформация (степень деформации, глубина и градиент наклепа), остаточные напряжения и экзоэлектронная эмиссия (работа и глубина выхода электронов и др.).

Как видно из приведенной классификации все эти параметры в достаточно полной мере характеризуют сложное состояние поверхностного слоя детали. Структура и свойство поверхностного слоя детали формируются под действием комплекса влияющих факторов сопутствующих процессу лезвийной обработки, где основную роль играют такие процессы как: упрочнение, пластическая деформация, температурные процессы, происходящие в зоне резания, а также влияние геометрических параметров процесса формообразования детали. Между тем структура и свойство поверхностного слоя детали во многом предопределяет ее дальнейшие эксплуатационные свойства.

В работах [7], [8], [90], [95], [99], [122] отмечается, что на предел выносливости деталей машин и зарождению в них усталостных трещин в большей степени оказывает влияние шероховатость поверхности и физико-механические характеристики поверхностного слоя.

В работе [90], [99] приводится взаимосвязь эксплуатационных свойств деталей машин с их показателями качества. Анализ показал, что эксплуатационные свойства деталей машин: контактная жесткость, износостойкость, усталостная и контактная прочность, трение, виброустойчивость, коррозионная стойкость, прочность сцепления покрытий, герметичность соединений, прочность посадок и теплопроводность в полной мере определяются такими геометрическими характеристиками поверхности как: среднее арифметическое отклонение профиля Яа, высота неровностей по десяти точкам Я2, средний шаг местных выступов 5 и средний шаг неровностей волн Остальные характеристики качества поверхностного слоя, включая физико-механические, влияют лишь на некоторые эксплуатационные с