автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Управление процессами механообработки в автоматизированном производстве на основе синергетического подхода

А

I (2. оЪ

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Комсомольский - на - Амуре государственный технический университет

т. V'* -V; & // 1

С € И Щ

л 7'Г"

наук'

|| На правах рукописи УДК 621.91.01

V.

•Г» - -

Управление процессами механообработки в автоматизированном производстве на основе синергетического подхода

специальность 05.03.01 - Процессы механической и

физико-технической обработки, станки и инструмент

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант - Заслуженный деятель науки и техники

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

Комсомольск - на - Амуре 1999

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ....................................................................................3

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................5

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ИССЛЕДОВАНИЮ

ПРОЦЕССОВ МЕХАНООБРАБОТКИ....................................9

1Л. Существующие подходы к исследованию процессов

механообработки........................................................................9

1.1Л. Механизмы вибраций при резании и методы оценки

динамического состояния упругой системы станка..........10

1Л .2. Механизмы стружкообразования при резании .... 20

1.1.3. Трение и износ инструмента при резании..............29

1.2. Синергетика - новое научное направление в области фундаментальных и прикладных задач....................................40

1.3. Технологическая система - исскуственная самоорганизующаяся система с информационным управлением .... 45

1.4. Выводы. Цели и задачи исследования..............................52

ГЛАВА 2. САМООРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ И СТРУЖКООБРАЗО-ВАНИЕ ПРИ РЕЗАНИИ............................................................54

2.1. Механизмы и термодинамические аспекты деформации твердых тел................................................................................54

2.2. Механизмы деформаций и стружкообразование при резании ............................................................74

2.3. Математическое моделирование напряженного и деформированного состояния в срезаемом слое......................96

2.4. Механизмы завивания сливной стружки............. 111

2.4. Выводы........................................ 119

ГЛАВА 3. СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВОЗМУЩЕНИЯ

ВИБРАЦИЙ ПРИ РЕЗАНИИ.......................... 121

3.1. Экспериментальные исследования вибраций технологической системы................................... 121

3.3. Термодинамический анализ возникновения вибраций 125

3.4. Выводы......................................... 137

ГЛАВА 4. САМООРГАНИЗАЦИЯ КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ В ПРОЦЕССАХ ИЗНАШИВАНИЯ РЕЖУЩЕГО

ИНСТРУМЕНТА.................................... 139

4.1. Влияние структуры инструментальных материалов на изнашивание и разрушение инструмента................ 139

4.2. Модель адгезионно-усталостного изнашивания инструмента при резании......................................................................150

4.3. Структурная самоорганизация контактных поверхностей инструмента и механизмы безызносности при резании .... 166

4.4. Выводы........................................ 179

ГЛАВА 5. Управление процессами механообработки в автоматизированном производстве на основе синергетических принципов ..................................................................................180

5.1. Иерархия управления процессами механообработки в технологических системах........................................................180

5.2. Диагностика износа режущего инструмента при резании 183

5.3. Динамический мониторинг и управление колебаниями упругой системы станка............................................................195

5.4. Оптимизация управления процессами механообработки

в автоматизированном производстве.................... 203

5.5. Информационное управление процессами механообработки ............................................. 206

5.6. Выводы ................................................208

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.................... 211

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................ 215

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................... 234

ВВЕДЕНИЕ

Повышение эффективности и конкурентоспособности машиностроительного производства обусловливает необходимость широкого использования высокопроизводительного оборудования, позволяющего автоматизировать процессы механообработки. Решение проблемы существенно продвинулось в связи с появлением станочного оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ).

Однако надежность и эффективность механообработки зависит не только от совершенства станочного оборудования, но и от степени изученности физических явлений при резании. Последнее позволит проводить обоснованный выбор диагностирующих признаков, тесно связанных с физической сущностью контролируемых параметров, а также разработку на этой основе методов управления качеством и точностью обработки.

Отделению поверхностного слоя от заготовки предшествует интенсивное пластическое деформирование. При этом, как показывают исследования, выходные параметры (стойкость инструмента, шероховатость обработанной поверхности, вид стружки и т.д.) существенно определяются степенью и механизмами деформации срезаемого слоя.

Углубленное изучение физики процесса резания возможно лишь на основе фундаментальных достижений в области физики твердого тела, материаловедения, термодинамики неравновесных процессов и т.д.. Следует отметить, что в последние годы, благодаря работам Пригожина И.Р., Хакена Г., Эбелинга В. и др. в области термодинамики необратимых процессов создано новое научное направление - синергетика или теория самоорганизации, изучающая эволюцию нелинейных систем в диссипативных средах, далеких от термодинамического равновесия. Изучение механизмов самоорганизации при резании позволит целенаправлено управлять качеством и точностью обработки, приведет к созданию исскуственных самоорганизующихся технологических систем с высоким интеллектом.

В этой связи, выявление механизмов самоорганизации деформационных и контактных процессов, оптимизации и управления выходными параметрами при резании на основе синергетического подхода в условиях автоматизированного производства, является важной научно-технической проблемой.

Прогрессу в области исследования физических основ процессов механообработки способствовало широкое использование математического моделирования и тонких методов физико-химического анализа (растровой и просвечивающей микроскопии, микроскопии тонких фольг, Оже-спектро-скопии, микрорентгеноспектрального анализа и др.)

По-видимому, не будет преувеличением сказать, что сейчас мы переживаем новый этап в исследовании физических основ технологических процессов обработки резанием. Этому в значительной степени способствуют успехи, достигнутые в области фундаментальных исследований, прежде всего, благодаря открытию стохастического поведения динамических систем и появлению таких новых научных направлений как: исследование сложных нелинейных систем с переменной структурой; динамика процессов возникновения и разрушения «порядка» в сложных системах и диссипативных средах (биологических, химических и т.д.), далеких от термодинамического равновесия. Выдающуюся роль в решении проблем нелинейной динамики диссипативных сред играет теория самоорганизации - синергетика

Синергетический подход к анализу явлений, протекающих при резании, следует рассматривать как научную методологию, позволяющую на единой фундаментальной основе изучить физическую сущность взаимосвязанных кооперативных процессов, как результат самоорганизации системы резания. Такой подход позволяет существенно развить представления о стружкообразовании при резании, трении и износе режущего инструмента, устойчивости упругой системы станка, механизме образования поверхностного слоя деталей, а также разработать принципы диагностики, оптимизации и управления процессами механообработки.

Целью настоящей работы является повышение надежности процессов механообработки в автоматизированном производстве посредством диагностики и управления выходными параметрами на основе синергетического подхода к изучению физических закономерностей процесса резания

Научная новизна работы состоит в:

-выявлении механизмов самоорганизации деформационных и контактных процессов, обусловливающих минимизацию выходных параметров процесса резания;

- установлении закономерностей эволюции упругой системы станка как активной системы и потери устойчивости процесса резания;

- разработке новых представлений о природе изнашивания режущего инструмента, механизмов «безызносности» и немонотонности зависимости стойкости от скорости резания Т=ДЛ/}, основанных на структурной самоорганизации контактных поверхностей инструмента при резании;

- разработке принципов управления износостойкостью режущего инструмента путем целенаправленного формирования в контактных слоях инструмента кинетически устойчивых фрагментированных дислокационных и метастабильных аморфно-кристаллических структур;

- разработке методологических принципов диагностики и управления

процессами механообработки на основе выявленных механизмов самоорганизации в системе резания для условий автоматизированного производства.

Практическая ценность результатов исследований, полученных при выполнении работы, заключается в:

-предложенных методах управления выходными параметрами процессов механообработки в технологических системах;

-аппаратно-программном комплексе, разработанных методах и алгоритмах реализующих задачи диагностики и управления процессами механообработки в автоматизированном производстве;

Методы диагностики износа режущего инструмента, состояния упругой системы станка и типа стружки внедрены в производство на Комсомольском-на-Амуре авиационном производственном объединении, а также в учебный процесс по курсам: «Управление технологическими системами», «Контроль динамики технологических систем», «Повышение надежности процессов резания в автоматизированном производстве».

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка и приложения.

В главе 1 изложены существующие подходы к исследованию и управлению процессами механообработки. Обоснован синергетический подход к изучению физических явлений при резании. В связи с этим, технологическая система представлена как искусственная самоорганизующаяся система с информационным управлением. Рассмотрен энергетический баланс в упругой системе станка, как в активной системе.

В главе 2 рассмотрены механизмы и термодинамические аспекты деформации твердых тел, механизмы самоорганизации деформационных процессов и стружкообразование при резании.

В главе 3 проведен анализ существующих представлений о вибрациях, возникающих при резании, описаны экспериментальные исследования вибраций технологической системы, выполнен термодинамический анализ возникновения вибраций. Обоснованы энергетические принципы устойчивости процесса резания.

В главе 4 изучено влияние структуры инструментальных материалов на изнашивание и разрушение инструмента, разработана модель адгезионно-усталостного изнашивания инструмента при резании, рассмотрены механизмы структурной самоорганизации контактных поверхностей инструмента и «безызносности» при резании.

В главе 5 изложены принципы управления процессами механообработки в технологических системах, диагностики износа режущего инструмента и точности обработки при резании в автоматизированном производстве на основе выявленных механизмов самоорганизации в системе резания.

Работа выполнялась по федеральной программе «Научно-технические и социально-экономические проблемы развития Дальневосточного региона России» в 1991 - 1998 г.г.

Автор выражает свою глубокую признательность: -научному консультанту Заслуженному деятелю науки и техники Российской Федерации, академику РИА, доктору технических наук, профессору Ю.Г. Кабалдину за поддержку, обсуждение результатов исследований и высказанные замечания по представленной работе;

-ректорату Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета за моральную и материальную поддержку при проведении исследований, написании и представлении данной работы к защите;

-коллективам кафедры «Технология машиностроения» Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета и Института машиноведения и металлургии ДВО РАН за помощь в организации и проведении экспериментальных исследований, обсуждение полученных результатов и замечания, способствовавшие улучшению диссертации;

-директору института ИМиМ ДВО РАН доктору технических наук, профессору В.И. Одинокову, за совместно выполненную работу по численному моделированию процесса резания;

-Комсомольскому-на-Амуре авиационному производственному объединению за заинтересованность в исследованиях, финансирование и возможность внедрения результатов работы в производственный процесс.

ГЛАВА I.

СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ИССЛЕДОВАНИЮ ПРОЦЕССОВ МЕХАНООБРАБОТКИ

Исследование закономерностей стружкообразования, формирования поверхностного слоя, изнашивания инструментальных материалов, динамики станочных систем и устойчивости процесса резания, разработке методов управления выходными параметрами процессов механообработки посвящено большое число работ видных Российских и зарубежных учёных: Боброва В.Ф., Беккер М.С., Верещака A.C., Грановского Г.И., Городецкого Ю.И., Гуревича Д.М., ЗаковоротногоВ.Л., ЗореваН.Н., Исаева А.И., Кабалдина Ю.Г., Клушина М.И., Кравченко Б.А., Кима В.А., Колева H.H., Кретинина О.В., Костецкого Б.И., Козлова A.A., Куфарева Г.Л., Кушнера B.C., Кудинова В.А., Лоладзе Т.Н., Макарова А. Д., Мурашкина С. Л., Опитца Г., Подураева В.Н., Петрухина С.С., Полетика М.Ф., Пуша В.Э., Пуша A.B., Резникова А.Н., Рыжкина A.A., Силина С.С., Старкова В.К., Соломенцева Ю.М., Талантова Н.В., Трента В.М., Утешева М.Х., Шатерина М.А., Якубова Ф.Я. и др.

Развитие физических основ процессов механообработки осуществляется в основном на результатах экспериментальных исследований. Автоматизация производства обусловливает необходимость углубленного изучения физики явлений, сопровождающих обработку материалов. В наибольшей степени это возможно реализовать на основе фундаментальных подходов.

1.1. Существующие подходы к исследованию и управлению процессами механообработки

Физические процессы при резании металлов весьма многообразны и сложны. Особое значение имеют вопросы стружкообразования и формирования поверхностного слоя детали, контактного взаимодействия инструмента и заготовки. Процесс резания всегда сопровождается вибрациями, которые ухудшают качество обработанного поверхностного слоя, повышают износ инструмента, и снижают производительность обработки. Условия трения при резании существенно отличаются от таковых при трении деталей машин. Внешнее трение твердых тел исследуется в течении нескольких столетий, однако и до настоящего времени физическая природа этого сложного явления остается малоизученной.

1.1.1. Механизмы вибрации при резании и методы оценки динамического состояния упругой системы станка

Производительность и качество механообработки в значительной степени зависит от состояния упругой системы станка (УСС). Наибольшее влияние на динамическую устойчивость процесса резания оказывают процесс стружкообразования, нелинейность силы резания и запаздывание сил резания относительно изменения толщины среза.

При работе на металлорежущих станках даже повышенной жесткости, в том числе прецезионных, могут возникать вибрации двух типов: вынужденные колебания и автоколебания.

Вынужденные колебания могут возникнуть под влиянием периодических возмущений при значительных погрешностях и износе системы привода станка, а также могут передаваться через фундамент от близко работающих, недостаточно уравновешенных станков и двигателей. Поскольку причина возникновения вынужденных колебаний хорошо известна, имеются и достаточные технические возможности для снижения их уровня.

Автоколебания, возникающие при резании металлов, имеют совершенно иную природу. Их появление не связано с какой-либо внешней периодической возмущающей силой. Даже для хорошо отрегулированных станков, обладающих высокой жесткостью, при определенных условиях работы в процессе резания могут возникнуть автоколебания, которые ограничивают допустимые режимы резания, снижают качество изделий, а порой приводят к преждевременному износу и разрушению режущего инструмента. В отличие от вынужденных колебаний, частота автоколебаний обычно (исключая релаксационные автоколебания, имеющие место в механизмах подач станков [ 183]) остается постоянной в широком диапазоне скоростей резания, что является наиболее характерным признаком, по которому можно отличить вынужденные колебания от автоколебаний. К настоящему времени выполнен целый ряд фундаментальных исследований [49, 50, 54, 65, 68, 121, 161, 162, 173, 206, 220, 252, 254, 269, 270 и др.], объясняющих причины возникновения автоколебани