автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Управление качеством поверхностного слоя на основе синергетического подхода к процессу резания

ча

01

2 7 №

На правах рукописи

СЕРЕБРЕННИКОВА АНЖЕЛА ГЕННАДЬЕВНА

УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ НА ОСНОВЕ СИНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА К ПРОЦЕССУ РЕЗАНИЯ

Специальность 05 03.01 - Процессы механической и физико-

технической обработки, станки и инструмент

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

¡И

Комсомольск-на-Амуре- 1997

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Научный руководитель заслуженный деятель науки и техники РФ,

академик Российской инженерной академии, доктор технических наук, профессор Кабалднн Ю. Г.

Научный консультант кандидат технических наук,

Шпилев А. М.

Официальные оппоненты доктор технических паук, профессор Черный

Ю.Ф.

кандидат технических наук Тараев С. П.

Ведущее предприятие АО «Амурский судостроительный завод»

Защита состоится 23 мая в_на заседании диссертационного

совета К. 064.70,01 в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, ул. Ленина, 27, корп.1, ауд. 207.

С ; ксертацией молено ознакомится в библиотеке Комсомольского-на-Амур^ государственного технического университета.

Автореферат разослан 22 апреля 1997 г

Ученый секретарь днссертацнониопУЬовета .

кандидат технических наук,

доцент

К. Я. Мокрг.нкий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Качества обработанной поверхности существенно определяет работоспособность и долговечность машин. Поэтому обеспечение требований к точности путем соответствующего повышения качества обработки является важной проблемой в науке о резании.

Автоматизация процессов механообработки, широкое использование станков с ЧПУ обусловливают необходимость оценки качества поверхностного слоя в процессе резания. Однако выбор диагностирующих признаков для контроля параметров Яа, требует углубленного изучения закономерностей формирования поверхностного слоя на основе современных подходов к изучению физических явлений, сопровождающих процесс резания.

Углубленное изучение механизмов формирования поверхностного слоя возможно лишь на основе комплексного исследования деформационных, тепловых и энергетических процессов, сопровождающих резание металлов. Одним из фундаментальных подходов к изучению процесса формирования поверхностного слоя является си-нергетический подход, суть которого заключается в пространственной или вр .менной самоорганизации процессов, происходящих в зоне резания.

Цель работы: Разработка мет дов повышения качества обработанной поверхности с позиций синергетического подхода к процессу резания на основе исследований механизмов формообразования пЬ-верхгёостного слоя.

Методы исследовании: Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и заводских условиях с использованием общепринятых методик и стандартного оборудования. Для отдельных исследований разработаны и изготовлены специальные устройства. Параметры шероховатости обработанной поверхности измерялись непосредственно после процесса точения с использованием ощупывающих и усилительных узлов профилометров с цифровым отсчетом.

Напряженно-деформированное состояние в зоне резания и в стружке исследовали численным методом.

Металлографические исследования проводились на оптическом, растровом и просвечивающем микроскопах. Микротвердость измеряли на микротвердомере.

Для регистрации сигналов АЭ (акустической эмиссии), возникающих при обработке металлов, был разработан диагностирующий стенд, включающий в себя устройство сбора информации - акустический датчик типа П111-2.5-Н, цифровой запоминающий осциллограф С9-8, интерфейс КОП, устройство обработки измерительной инфор-мацш. ПЭВМ IBM РС/ЛТ 486. Обработка полученных ^результатов проводилась с применением пакета математической статистики «STA-TISTICA 4.3».

Научная новизна состоит в следующем:

- выявлены механизмы нарушения сплошности обрабатываемою материала в окрестности режущего лезвия на основе моделирования процесса резания численным методом;

- установлены связи механизмов деформации срезаемого слоя и вида стружки с параметрами R, и R;, , характеризующими качество 8бработанной поверхности;

- разработаны на основе синергетнческого подхода новые представления об образовании нароста при резании, обусловленного изменением механизмов активации контактных поверхностей инструмента и самоорганизацией деформационных процессов в системе резания.

Практическая ценность заключается в следующем:

1. Разработан метод повышения качества обработанной поверхности путем подогрева режущей части инструмента, и конструкция многогранных неперетачиваемых пластин.

2.Разработан стенд программного п аппаратного обеспечения дтя диагностирования параметров, характеризующих'качество обработанной поверхности.

3. Предложены критерии оценки качества обработанной поверх-i .ости, характеризующие его демпфирующие свойства.

Апробация работы:: Основные положения диссертационной работы доложены на международном научно-техническом симпозиуме «Наукоемкие технологии и проблемы их внедрения на машиностроительных и металлургических предприятиях Дальнего Востока» (г. Комсомольск-на-Амуре, КнАПИ, 1994 г.); международной конференции «Моделирование технологических процессов и систем в машино-

с

строении» (г. Хабаровск, 1994 г.); региональной научно-технической шпференцпн по итогам выполнения МРНТП «Дальний Восток России» за 1993-1996 г. «Машиностроительный и приборостроительный

комплексы ДВ, проблемы конверсии» (г. Комсомольск-на-Амуре, 1996 г)

Реализация работы: Работа выполнялась по программе «Дальний Восток России», секция «Машиностроение», финансируемой Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации.

Публикации: По материалам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ.

Структура н объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, перечня использованной литературы, включающего 83 наименований работа изложена на 110 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

t

Во введении обосновывается актуальность работы, перечислены задачи, с формулирована цель работы и основные положения, выносимые на За циту.

В первой главе дан обзор результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса формирования шероховатости обработанных поверхностей.

Анализ работ, посвященных проблеме формирования поверхностного слоя, начало которым было положено более 100 лет назад проф. Чебышевым П. Л., показал, что профиль поверхности, обработанной резцом, имеет регулярно повторяющиеся выступы и впадины, с топ или пио11 точностью копирующие форму режущей кромки. Вы-со")и и форма остаточных микронеровностей обработанном поверхно-

сти определяются действием множества факторов, находящихся во взаимосвязи друг с другом.

Большой вклад в разработку механизмов формирования поверхностного слоя внесли Безъязычный В. Ф., Давыдов Б. С., Дьяченко П Е , Исаев А. И., Каширин А. И., Силин С. С., Сулима А. М., Суслов А. Г., Ящерицын П. И. и т.д. Их работы были направлены на раскрытие природы образования шероховатости поверхности при механической

а

обработке и установление зависимостей' высоть» неровностей от методов и режимов обработки, а также эксплуатационных свойств деталей.

Анализ имеющихся данных показывает, что мало изученным является механизм формообразования, т.е. нарушение сплошности в окрестности режущего лезвия; роль структуры обрабатываемого материала на механизм образования нароста1 и его влияние на качество поверхностного слоя. Слабая изученность физических явлений, сопровождающих процесс резания, сдерживает разработку методов диагностирования Ва, Яг непосредственно1 й процессе резания и управления качеством поверхностного слоя1

г

В этой связи, в настоящей5работе поставлены следующие задачи:

1. Исследовать механизм нарушения сплошности материала в окрестности режущего лезвия путем моделирсэання процесса реьания численным методом.

2. Изучить влияние механизма деформации стружки на парамет-

*

ры, характеризующие качество обработанной поверхности в широком диапазоне скоростей резания. 0

^3. Исследовать и углубить представления механизма образования нароста и влияние структуры обрабатываемого материала на качество

поверхностно слоя с позиций синергетического подхода к процессу резания.

4. Обосновать диагностирующий признак для контроля параметров поверхностного слоя в процессе резания на основе выявленных механизмов формирования поверхностного слоя.

5. Разработать методы повышения качества обработанной по-4 верхности на основе синергетического подхода к процессу резания.

Во второй главе изложены методики металлографического исследования шлифов корней стружек и подошв нароста с использованием растровой и просвечивающей микроскопии. Описана схема устройства для регистрации прочности сцепления нароста с передней поверхностью нароста. Для анализы напряженно-деформированного состояния зоны резания был применен численный метод расчета напряженно-деформированного состояния срезаемого слоя при резании, разработанный профессором В. И. Одиноковым.

В третей главе представлены результаты экспериментальных исследований, отражающие новые представления о влиянии условий

А

резания на высоту неровностей, на наростообразование при обработке углеродистых сталей, на прочность сцепления подошвы нароста с инструментом.

Исследования проводилось при резании углеродистых сталей марок 10, 40, 45, У8, 40Х, 65Г и титанового сплава ВТ-20. Режим резания: V ='5...30 м/мин, Б = 0,1...0,2 мм/об, I - 2 мм. Осуществлялось

и

свободное резание дисков диаметром 150 мм и шириной 2 мм.

Исследовали параметры Яг ,Ка поверхности, высоту Н нароста и глубину ДНц наклепа и запасенную в ней энергию ДЩ деформирования (скрытую энергию деформирования), а также плотность дислокаций, которую оценивали по результатам рентгеноструктурного анализа и микроскопии тонких фольг.

Установлено, что зависимости ди^ иН от скорости резания углеродистых сталей скоррелнрованы и Имеют область скоростей, где эти параметры достигают максимального значения. При резании тита-

ч.

нового сплава величина с ростом скорости изменяется не существенно.

Исследованиями подошв наростов при резании сталей установлен вихревой механизм (на рисунке 1) деформирования заторможенных прирезцовых слоев стружки. С ростом скорости резания в начальной области подошв нароста обнаруживаются структуры отпуска закаленных старей (троостит), а при обработке малоуглеродистой стали в конце подошвы нароста образуются области чистого феррита, что свидетельствует о фазовых превращениях в прирезцовых слоях сружкн.

Зависимость микротвердости от длины подошвы нароста (на рисунке 2) имеет гиперболический характер, с максимумом в начальной области подошвы. С ростом скорости резания микротвердость подоит

л

нароста увеличивается.

Прочность Рсц сцепления подошв наростов с передней поверхпо-стыо инструмента с увеличением1 скорости также повышается. При ре-

1(1

зрнин высокоуглеродистых сталей микротвердость подошв наростов и прочность сцепления с инструментом наибольшая.

Рисунок 1 - Завихренная структура на подошве нароста при обработке стали 10 (V = ¿0 м/мин, х200)

св

с 2

с

с

ч

о

с

из &

о ч

0-и ю

1-

о &

8 ООО 1000 6000 5000 4000 3000 2000

к

1

1 \ \ *

ч ч ъ % 1 1 ^ ч -' 1

ч 1 N. ч 1 Г - ~

-О' 2

0 3 б 9 12 15 18 21 24 27 30 33 3

Длина подошвы, мм

1 - сталь У8;

2 - сталь 40;

3 - сталь 10

Рис>нок 2 - Зависимость микротвердости подоит наростов: 10 (V = 20 м/мин)

В четвертой главе изложены результаты исследования механизма формообразования при резании на основе моделирования процесса резания численным методом1. Посвящена установлению связей

а

механизма деформации и вида стружки с параметрами R* и Ra, характеризующими качество обработанной поверхности, новым представлениям об образовании нароста при резании, обусловленного изменением механизмов активации контактных поверхностей инструмента и деформирования прирезцовых слоев стружки с ростом скорости резания.

С ростом скорости резания, как показали исследования, механизм деформирования срезаемого слоя изменяется. Наряду с трансляционной (дислокационной) модой деформации реализуется ротационная мода деформации на нижнем уровне. Последнее связано с коллективным движением дислокаций большой плотности (р-1012....10м), с образованием фрагментпрованной дислокационной структуры.

Как показагш расчеты напряженно-деформированного состояния »

в зоне резания, в окрестности режущего лезвия фбрмирукттся гидро-стггпческне напряжения сжатия, а относительная деформация б достигает 0,76. .0,8. Расчет предельного состояния проводили по дефор-' мационному критерию:

Е = г_=21п(^ф), (!)

у

^е d, - размгер зерна (s 3• 10"2о/); d,¡, - размер фрагмента (« IO'Vh). Расчеты показали, чго smax составляет - 0,761, т.е. локальные значе-' нпя деформаций в окрестности режущего лезвия достигают предель-

'Исследования тпю.нк-нм с \ час тем л т.н.. проф. B.l I.O.uiiiokoki

ных значений. В результате деформации впереди режущего лезвия (на рисунке 3) возможно образование каскада пор и микротрещин в границах фрагментов, которые в процессе дальнейшего упрочнения материала и роста напряжений образуют вязкую микротрещину. Сдвиговая деформация на верхней границе стружкообразования и образование элемента стружки заканчивается хрупким сколом.

Рисунок 3 - Сх-ма, иллюстрирующая зависимость формирование поверхностного слоя от характера распределения относительной деформации е в окрестности режущего лезвия р условиях моделирования процесса резания численным методом

Таким образом, зависимость Я,, Ка от V следует рассматривать с позиций изменения механизмов деформирования срезаемого слоя и вида стружки с ростом скорости резания. Наличие микротрещин на поверхности при низких скоростях резания обусловлено различной ориентацией зерен- в обрабатываемом материале, концентрацией напряжений на границах и колебанием размеров зерен. Как показали электрономикроскопические исследования, в процессе резания деформация локализуется в благоприятно ориентированных крупных зернах, мелкие черна деформируются упруго, а зерна (-ЪС цементита

совершают ротации. Высокая сдвиговая устойчивость цемелтита и крупных зерен феррита, а также меньшая степень деформации с ниже линии среза (на рисуьке 3) обусловливает также меньшую степень упрочнения обработанной поверхности и запасенной в ней энергии ДЩ Развитие трещин скола осуществляется по межзеренным границам. В результате и Яа при У<У„ (Ун - скорость интенсивного наростооб-разования) имеют высокие значения и существенно определяются размером зерен обрабатываемого материала. Фрагментация дислокационной структуры, релаксация напряжений на границах зерен и развитие трещин по границам фрагментов (на рисунке 4), происходящее при скорости резания У>У„ однородное деформирование зерен из-за роста „температуры, обеспечивает уменьшение параметра и его стабилизацию.

1'исунок 4

1 - фрагмент зерна;

2 - траектория распространение вязкой трещины в границах фрагментов з рен

Схема, иллюстрирующая формирование обработанной поверхности при У> /н

При обработке титанового сплава влияние скорости на Ла не существенно. Это следует связать, согласно электронно-дислокационному механизму действия СОЖ, развиваемому проф. Ю. Г. Кабалдиным, с большим атомным радиусом титана и образованием на прирезцовых слоях стружки окислов ТЮг, что обусловливает высокую поочность связи кислорода с поверхностными слоями. Малая длина контакта, высокие температуры и смазочное действие окислов устраняют условия для развития нароста.

При обработке сталей электронно-микроскопическими исследованиями природы адгезии подошвы нароста с инструментом установлено, что при низких скоростях резания затормаживание прирезцовых

с»

слоев связано с электронно-дислокационным механизмом адгезии. Повышение прочности Рсц сцепления подошвы нароста с инструментом с ростом скорости резания обусловлено аморфнзацией локальных объемов обрабатываемого и инструментального материалов. Квази-жндкое состояние локальных объемов интенсифицирует диффузионный механизм адгезии, подошвы нароста с инструментом. Рост (развитие) нароста, определяется напряженным состоянием'срезаемого слоя, его б и э.д.у. (энергией дефекта упаковки) обрабатываемого материала.

Механизм образования нароста при. резании рассмотрен с позиций теории синергетики* основным, принципом которой является структурообразование. В этой связи, работа. Ар сил резания затрачивается на запасание энергии упругой деформации ди() и тепла

Ар =4^+0. (2)

Накопление тепла в системе вызывает рост энтропии Б. Нарост увеличивает передний угол инструмента у и снижает £> производство энтропии (скорость роста энтропии). Поскольку существует связь между 8 энтропией и теплом С> в виде сШ > /9, то (15 (¿) можно представить в виде

где Р,,- тангенциальная составляющая силы резания, Ь - путь резания, М - механический эквивалент, 0-температура.

Формирование нароста и изменение действительного переднего угла инструмента ул, уменьшая силу Р,, снижает скорость роста энтропии Б. В этой связи образование нароста следует рассматривать .как диссипативную структуру в результате самоорганизации системы резания. Поэтому влияние нароста, как диссипативной структуры, на качество поверхностного слоя будет зависить от его устойчивости.

В пнтой^ главе изложен метод повышения качества обработанной поверхности, осуществляемый путем подогрева режущей части инструмента. В соответствии с уравнением (3), дополнительный подогрев инструмента, увеличивая 9 температуру, снижает производство энтропии в системе резания. При низких скоростях резания рост температуры в зоне резания снижает локализацию деформации на стыках зерен и обеспечивать более однородную деформацию в сре-"зацмом слосГ. В связи с этим, разработаны конструкции сменных непе-ретачиваемых пластин с рифленой опорной поверхностью, что способствует ограничению отвода тепла из пластины в державку и тем самым обеспечивает снижение производства энтропии.

Разработан стенд, программное и аппаратное обеспечение для диагностирования параметров Rz, Ra. Стенд включает в себя устройство сбора информации - акустический датчик типа Ш11-2.5-Н, цифровой запоминающий осциллограф С9-8, интерфейс КОП, устройство обработки измерительной информации ПЭВМ IBM PC/AT 486.

Как отмечалось выше, исследования физической сущности процесса резания позволили выявить закономерности формирования различных типов стружки при образовании поверхностного слоя и их взаимосвязь со степенью деформации срезаемого слоя. На основании этого, в качестве диагностирующего признака при контроле выходных параметров процесса резания выбраны деформационные характеристики срезаемого слоя. Одним из таких диагностирующих признаков

л

является частота стружкообразования f^p, которая определяется по формуле:

= 1000-V стр "бО-Кь-Ц'

где V - скорость резания, м/мин; Кь - коэффициент усадки стружки; Lk - толщина элемента стружки. Поскольку частота стружкообразования определяется деформационным циклом и усадкой стружки, то непрерывный контроль изменения f^p позволяет информировать об изменении параметра Ra. На рисунке 5 приведен график зависимости частоты стружкообразоватгл f^p, коэффициент усадки стружки Kl и шероховатости R,, от скорости резания.

К[ Я а, мкм

Г стр, Гц

3.2 3.0 2.6 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8

-Л V*1

ЛТ

о

70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000

1-Ки;

2-я*;

3 - ^р

Рисунок 5 - Зависимость К(_ и ^ от скорости V резания: сталь 45, резец Т15К6, Б = 0.25мм/об, I = 1 мм

Обработка результатов проводилась с помощью пакета математической статистики «ЯТАИЗИСА 4.З.». Обработка осциллограммы позволяет выделить частоту стружкообразования Гетр по измерению которой в процессе резания можно отслеживать параметр Ка.

Предложен критерий оценка качества обработанной поверхности, основанный на оценки демпфирующих свойав. а качестве критерия оценки г| деформирующих свойств поверхностно« слоя можно использовать отношение

А„

Л =

ли3,

(4)

Как показали исследования, предлагаемый критерий характери-

я

зует интенсивноегь запасания энергии упругой деформации в поверх-

постном слое и корретирует с уровнем внутреннего трения СГ в обрабатываемом материале. Высокие демпфирующие свойства поверхностного слоя увеличивают работоспособность как деталей, так и узлов в целом.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Изучен механизм формообразования поверхностного слоя в условиях моделирования процесса резания численным методом. На основе деформационного критерия проведена оценка возможности образования микротрещин, вызывающих формообразование поверхностного слоя. Показано, чго локальные значения степени деформации в окрестностях режущего лезвия соответствуют предельным значениям, вызывающим нарушение сплошности обрабатываемого материала.

2. Электронно-микроскопическими исследованиями напряженно - деформированного состояния срезаемого слоя изучены механизмы образования неровностей на поверхностном слое. Показано, что параметры и Яа определяются механизмом деформирования срезаемого слоя .. типом стружки. Изменение механизма деформации'' срезаемого слоя с ростом скорости резания изменяет гип стружки, величины К, и Яа В частности, фрагментация дислокационной структуры при образовании сливной стружки снижает параметры Яг и Яа.

3. Разработаны новые представления об образовании нароста при резании. Показано, что формирование нароста существенно определяется механизмами активации контактных поверхностей и дефо^гмиро-ваипя срезаемого слоя. С позиции сннергетического подхода к процессу резания образование нароста следует рассматривай, ках резуль-

таг самоорганизации системы резания, сопровождающийся снижением в ней производства энтропии.

4. Предложен метод повышения качества обработанной поверхности путем подогрева режущей части инструмента и разработаны конструкции многогранных неперетачиваемых пластин, обеспечивающих дополнительный рост температуры в зоне резания и сшь.сение производства энтропии в системе.

5. Предложен критерий оценки качества обработанной поверхности, характеризующей ее демпфирующие свойства.

6. Разработан стенд, программное и аппаратное обеспечение для диагностирования параметров Ка и 11г, позволяющих охарактеризовать качество обработанной поверхности в процессе резания.

7. Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре «Технология машиностроения» КнАГТУ по курсам «Основы теории резания», «Процессы формообразования и инструмент», «Технология машиностроения».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

V и-

работах:

1. Кабалдин Ю. Г., Дунаевский Ю. В., Медведева О. И., Серебренникова А. Г. Управление качеством поверхностного слоя при резании в автоматизированном производстве //Вестник машиностроения, 1993, №3 С. 36-39.

2.Сгребренникова А. Г. Управление шероховатостью обработанной поверхности при резании /Материалы международного ¡тучно-технического симпозиума «Наукоемкие технологии и проблемы ич внедрения па машиностроительных и металлургических нредпри-

ягиях Дальцрго Востока». - Комсомольск-на-Амуре: КнАПИ, 1994 г. С. 13-15.

3.Серебренникова А. Г. Контроль и управление шероховатостью ¿)бработанной поверхности при резании /Материалы международной конференции «Моделирование технологических процессов и систем в машиностроении». - Хабаровск: ХГТУ, НИИКТ, 1994 г., С.

, с 55.

4. Kabaldin Yu. G. Dunaevsy Yu. V. Medvecieva О. I. Serebrermikova A. G. Surface - layer quality control in automated cutting processes/«Russian Engineering Research», 1993 Volume 13, Number 3 - New York: Allerton Press, INC, P. 28-33.

5. Серебренникова А. Г., Просолович А. А. Определение частоты стружкообразования по стружке методом макросъемки /Материалы региональной научно-технической конференции по итогам выполнения МРНТП «Дальний Восток России» за 1993-1996 г. «Машиностроительный и приборостроительный комплексы ДВ, проблемы конверсии». - Комсомольск-на-Амуре: КнАГТУ, 1996 г., С. 38. . *

6. Кабалдин Ю- Г., Просолович А. А., Серебренникова А. Г. Оценка качества поверхности в процессе резания /Материалы региональной научно-технической конференции но итогам выполнения МРНТП «Дальний Восток России» за 1993-1996 г. «Машиностроительный и- приборостроительный комплексы ДВ, проблемы

конверсии». - Комсомольск-на-Амуре: КнА1 ТУ, 1996 г., С. 38 - 44.

КнЛГТУ ,тир. 100, яак. 1252:3.