На правах рукописи

Яковлев Максим Григорьевич ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ МАЛОЖЕСТКИХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ Специальность:

05.03.01 Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2009

Работа выполнена на кафедре Высокоэффективные технологии обработки Государственного образовательного учреждения Московский государственный технологический университет СТАНКИН.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Григорьев Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Воронов Сергей Александрович кандидат технических наук, доцент Максимов Анатолий Дмитриевич Ведущее предприятие: ОАО Национальный институт авиационных технологий (НИАТ), г. Москва.

Защита состоится л 2009 года в часов на заседании диссертационного совета Д212.142.01 в ГОУ ВПО МГТУ СТАНКИН по адресу: 127994, ГСП-4, Москва, Вадковский пер., 3а.

Отзывы (в двух экземплярах) заверенные печатью учреждения (организации) просим направлять в диссертационный совет по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ МГТУ СТАНКИН.

Автореферат разослан л 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук Волосова М.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность вопроса. Эффективность обработки деталей из жаропрочных материалов резанием существенно зависит от динамического поведения технологической системы Устанок-приспособление-инструментдетальФ (ТС). Эта зависимость подтверждается многочисленными исследованиями и практическим опытом технологов предприятий. Однако отсутствие количественных зависимостей между динамическими характеристиками технологической системы и изнашиванием инструмента не позволяет назначать наиболее эффективные режимы резания для конкретных технологических процессов. Указанная проблема машиностроительного производства в большей степени сказывается на операциях механической обработки с применением маложесткого инструмента: глубокого сверления, растачивания, концевого фрезерования и др. Вместе с тем особенно актуальна эта проблема в технологии авиадвигателестроения, где широко применяются тонкостенные детали из жаропрочных труднообрабатываемых материалов. В процессе токарной обработки таких деталей возникают повышенные силы резания и автоколебания технологической системы, приводящие к интенсивному изнашиванию, сколам и поломкам инструмента и, как следствие, к снижению производительности и качества обработки.

В производственных условиях для уменьшения колебаний технологической системы при обработке резанием приходится снижать режимы резания, ограничивать допустимый износ инструмента и т.д. Все эти мероприятия проводятся опытным путем в производственных условиях и повышают трудоемкость технологической подготовки производства таких деталей.

Успешное решение проблем повышения эффективности резания и снижение вибраций при токарной обработке состоит в разработке динамической модели автоколебаний технологической системы с целью анализа условий их возбуждения и интенсивности, а также оценки их влияния на стойкость инструмента. Такая модель и методика на ее основе позволят уже на стадии технологической подготовки производства выбирать рациональные режимы резания в зависимости от различных динамических условий обработки заготовок на металлорежущих станках.

Целью работы является повышение производительности токарной обработки маложестких деталей из жаропрочных никелевых сплавов за счет выбора рациональных режимов резания на основе построения динамической модели процесса точения и разработки методики расчета стойкости инструмента, учитывающей вибрации при резании.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- разработка нелинейной модели динамики токарной обработки, которая позволит исследовать автоколебания инструмента, возбуждаемые за счет регенеративного механизма и фрикционных явлений при взаимодействии инструмента и заготовки, с целью определения параметров вибраций режущего инструмента в зависимости от режимов резания, жесткостных характеристик технологической системы и свойств обрабатываемого материала.

- разработка методики идентификации динамических характеристик технологической системы Устанок-приспособление-инструмент-детальФ.

- разработка методики определения стойкости инструмента на базе термо - силовой модели расчета стойкости для процессов токарной обработки с колебаниями.

- разработка и экспериментальное обоснование расчетной зависимости стойкости инструмента от сил резания при токарной обработке с возбуждаемыми автоколебаниями.

- разработка диагностического стенда для определения силовых и вибрационных характеристик процесса резания.

Методы исследования базировались на основных положениях науки о резании металлов, законах термо-механики и теплофизики лезвийной обработки, теории колебаний. При проведении испытаний применялись современные, автоматизированные измерительные средства для определения сил и параметров вибраций при резании. Обработка экспериментальных данных выполнялась с применением методов математической статистики и планирования эксперимента.

Научная новизна работы заключается в:

- разработанной и экспериментально подтвержденной нелинейной динамической модели процесса токарной обработки, описывающей автоколебания инструмента и учитывающей регенеративный механизм возбуждения колебаний при движении инструмента по поверхности, образованной на предыдущем обороте, и нелинейную зависимость силы трения от относительной скорости между инструментом и деталью;

- установленной функциональной зависимости стойкости инструмента при токарной обработке маложестких деталей из никелевых сплавов от сил резания и контактных температур при автоколебательном процессе резания.

Практическая ценность работы заключается в:

- разработанных методиках и алгоритмах расчета амплитуды и частоты автоколебаний технологической системы и стойкости режущего инструмента в зависимости от жесткости технологического оборудования, режимов резания и свойств обрабатываемого материала позволяющих выбрать производительные режимы токарной обработки маложестких деталей из никелевых сплавов;

- создании и внедрении диагностического стенда, позволяющего измерять силовые характеристики и параметры вибраций инструмента в процессе резания, необходимые для идентификации коэффициентов модели стойкости режущего инструмента и параметров динамической модели;

- разработанных технологических рекомендациях по выбору рациональных режимов токарной обработки в зависимости от жесткости технологической системы Устанок-приспособлениеинструмент-детальФ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: УАктуальные проблемы Российской космонавтикиФ (ХХХI чтения по космонавтике, Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007), УНовые материалы и технологии НМТ-2008Ф (Москва, МАТИ, 2008), УБудущее машиностроения РоссииФ (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка использованной литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации анализируется современное состояние проблемы, цели и задачи исследования.

В современном авиадвигателестроении широко применяются детали из специальных жаропрочных сплавов, относящихся к группе труднообрабатываемых материалов. Трудоемкость их обработки связана не только с высокими температурами и напряжениями при резании, но и с большими вибрациями инструмента относительно обрабатываемых поверхностей детали. Многочисленные исследования различных авторов свидетельствуют о том, что вибрации, возникающие при резании, оказывают значительное влияние на изнашивание инструмента и качество обработанной поверхности. Исследованиями ученых: Подураева В.Н., Маркова А.И., Ярославцева В.М., Туктанова А.Г. и др., установлено положительное влияние низкочастотных (до 200Гц) и высокочастотных (от 20кГц) вынужденных колебаний на интенсификацию и повышение качества обработки резанием труднообрабатываемых материалов. С другой стороны в работах Жаркова И.Г., Кондратова А.С., Соколовского А.П., Решетова Д.Н. и др. показано, что автоколебания от 0,3 до 10кГц понижают производительность и качество обработки резанием. Проблеме, связанной со снижением вибраций при обработке резанием, посвящены научные работы многих авторов: Каширина А.И., Кудинова В.А., Мурашкина Л.С., Козочкина М.П., Altintatas Y., Budak E., Armarego E.J.A. и др.

На основе анализа имеющихся публикаций были сделаны выводы о том, что в настоящее время не разработаны адекватные модели расчета стойкости режущего инструмента, учитывающие вибрации, а имеющиеся эмпирические зависимости не могут быть использованы для новых условий резания, когда применяются современные инструменты, материалы и оборудование. Существующие формулы расчета основаны только на экспериментальных данных и не всегда корректно описывают физическую сущность явлений, поэтому имеют узкие границы применения. По зависимостям Грановского Г.И., Тейлора Ф., Темчина Г.И. и др. для определения влияния вибраций на стойкость режущего инструмента потребуется огромное количество эмпирических данных. Исходя из выше описанного, необходимо разработать новый подход к определению стойкости режущего инструмента, основанный на термо-силовом моделировании и учитывающий вибрации в технологической системе.

Вторая глава диссертации посвящена разработке нелинейной динамической модели процесса токарной обработки, описывающей автоколебания инструмента, и определению влияние вибраций технологической системы на стойкость инструмента.

Разработанная модель может описывать перемещения режущей кромки инструмента относительно детали в двух взаимно перпендикулярных направлениях, совпадающих с действием составляющих силы резания (рис.1).

а) б) Рис.1. Схема операции обработки диска компрессора высокого давления а) и расчетная динамическая схема при резании б).

В диссертации показано, что разработанная модель может описывать большинство операций токарной обработки применяемых в производстве.

В разработанной динамической модели силы резания P(t) связаны аналитическим соотношением с режимами резания через толщину срезаемого слоя. В свою очередь толщина зависит не только от подачи S, но и от вибрационных перемещений х(t) и x(t-T) режущей кромки инструмента в момент времени t и во время (t-T) предыдущего оборота заготовки. Тогда сила резания определяется по формуле:

P(t)= Kpb[Sо+x(t)-x(t- T (1) )], где Kp,x,z - эмпирический коэффициент резания, b - глубина резания.

Такое представление сил резания позволяет описать автоколебания инструмента за счет регенеративного механизма возбуждения колебаний при резании по следу поверхности, обработанной на предыдущем проходе.

Так как в рассматриваемом случае инструмент колеблется и в направлении Z, то T не равно времени оборота То, а отличается на величину t, которая появляется за счет вибрационной составляющей перемещения режущий кромки b в направлении оси Z за время оборота. Величина b будет равняться разности перемещений на этом обороте Z(t) и на предыдущем Z(t-Tо), а t определяется, как:

d t = (2) no R где R-радиус заготовки, no-частота вращения заготовки.

Тогда время запаздывания T в плоскости Х с учетом вибрационной составляющей в плоскости Z будет:

T =To+t, (3) а составляющие силы резания для направлений X и Z запишутся как:

Z ( t )-Z ( t-To) P = K b [ So + x ( t ) - x ( t - (To + ))] noR x x Z ( t )-Z ( t-To) P = K b [ So + x ( t ) - x ( t - (To + ))] noR z z (4) В процессе резания всегда присутствует сила трения, которая возникает между трущимися поверхностями инструмента и заготовки. Тогда составляющие силы трения в направлениях X и Z зависят от относительной скорости скольжения между инструментом и заготовкой и описываются нелинейной функцией, например полиномом третьей степени:

N( - x) = x(1- x ) N( - z) = z(1- z ), (5) где -эмпирический коэффициент, (мин/м)2.

, z Тогда учитывая силы инерции колебательной системы M x M, x z жесткость, демпфирование и возбуждающие силы, динамическая модель автоколебаний технологической системы примет вид:

Z(t) - Z(t -To) - Mxx cxx(1-x2) + kxx = -Kxb[S + x(t) - x(t -(To + ))], noR Z(t) - Z(t - To) - M z cz z (1- z2 ) + kzz = -Kzb[S + x(t) - x(t - (To + ))] z (6) noR где Mx, Mz- обобщенные массы колебательной системы, x z - скорость перемещений колебательной системы,, cx, cz - обобщенные коэффициенты трения в системе (коэффициент демпфирования), kx, kz - обобщенные коэффициенты жесткости систем.

Эта нелинейная система (6) дифференциальных уравнений в работе интегрируется численно с использованием функций пакета MatLab. Она позволяет рассчитать вибрационные перемещения инструмента в зависимости от жесткостных характеристик технологической системы, свойств обрабатываемого материала и режимов резания.

Используя разработанную динамическую модель был предложен способ расчета стойкости инструмента с применением термо-силового моделирования. Для этого необходимо по разработанной динамической модели рассчитать амплитудно-частотные характеристики процесса резания, определить динамические значения ширины, толщины срезаемого слоя и относительную скорость движения между инструментом и заготовкой.

Используя эти данные рассчитать температуры и силы резания Р возникающие в процессе обработки детали. Подставив найденные значения температур и сил резания в термо-силовую модель стойкости инструмента (7), определить время работы Т инструмента до заданного критерия износа.

n ki T = G Pi r +Pieai (7) i=hi, hi - износ по задней грани, [hз] - допустимый износ по задней где ki = [hз] грани, G, r, a - эмпирические коэффициенты.