Автоматизация и управление процессом стружкодробления на основе предварительного термического воздействия на обрабатываемый материал

В настоящее время в машиностроении можно выделить широкий класс изделий, автоматизация и управление механической обработкой которых требует особого подхода при решении задач по повышению эффективности процесса резания. К данному классу относятся, прежде всего, изделия из коррозийно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов, обрабатываемые на высокопроизводительном автоматизированном оборудовании.

С технологической точки зрения желательно в процессе резания иметь сливную стружку, поскольку она является показателем устойчивости технологической системы, обеспечивает высокое качество обработанной поверхности и гарантированную стойкость инструмента, что особенно важно при автоматизации этого процесса. В реальных условиях обработки заготовок образование сливной стружки соответствует очень узкому диапазону состояния технологической системы в процессе резания, который не всегда совпадает с рекомендуемыми режимами резания и стойкостью инструмента для обеспечения необходимой производительности.

Развитие автоматизированных производств и роботизированных технологических комплексов в машиностроении требует решения задачи автоматизации отвода и уборки стружки, образующейся при обработке на металлорежущих станках. Особое значение отвод стружки из зоны резания имеет при малолюдной технологии.

Известные способы транспортирования стружки с помощью ленточных, винтовых, скребковых конвейеров и других транспортных средств широко применяют в промышленности. Однако они имеют два существенных недостатка — это невозможность отвода стружки из зоны резания и малая эффективность при транспортировке сливной стружки.

Таким образом, формирование отрезков стружки заданной длины, является одной из важнейших в области лезвийной обработки.

Одним из наиболее эффективных методов, позволяющих надежно управлять процессом дробления сливной стружки, является создание предварительного локального термического воздействия (JTTB) на внешней поверхности срезаемого слоя, производимое по определенным законам. Особенность процесса точения заготовок, подвергнутых такому воздействию, заключается в периодическом изменении условий резания по сравнению с исходным материалом. Данный метод дает возможность обеспечить автоматизацию и управление процесса стружкодробления, совершенствуя технологию механической лезвийной обработки в широком диапазоне материалов и режимов резания.

Объект исследования. Исследуется проблема лезвийной механической обработки заготовок ответственного назначения на высокоавтоматизированном технологическом оборудовании, решение которой позволит управлять процессом сегментации и дроблением стружки на основе метода предварительного локального термического воздействия на материал заготовки.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности лезвийной обработки на станках автоматах и станках с ЧПУ за счет автоматизации и управления процессом стружкодробления на основе предварительного локального термического воздействия на обрабатываемый материал. Для достижения этой цели требуется решить следующие задачи:

— исследовать кинематические характеристики процесса точения при локальном термическом воздействии на обрабатываемый материал;

— разработать способ и устройства для осуществления процесса точения при локальном термическом воздействии на обрабатываемый материал;

— разработать динамическую модель технологической системы, с учетом реологических особенностей стружкообразования и с использованием явления фазового перехода в металлах при локальном термическом воздействии, для оценки стабильности и надежности сегментирования и дробления стружки в области неустойчивого процесса резания;

— создать программный комплекс для управления процессом стружкодробления на основе метода локального термического воздействия на обрабатываемый материал и алгоритмы для автоматизации выбора способа и параметров этого воздействия.

Методы исследования. Экспериментальные исследования проводились на специальных стендах с применением оригинальных методик, современной аппаратуры, измерительных преобразователей и систем. Моделирование и ис-" следование процессов стружкообразования и стружкодробления осуществлялось с использованием современных вычислительных средств в экспериментально-лабораторном комплексе кафедры «Технология автоматизированного машиностроения» СЗТУ и лаборатории «Динамика и моделирование технологических систем» СПбИМаш (ВТУЗ-ЛМЗ).

Научная новизна работы заключается в следующем:

— определены кинематические характеристики для нанесения эффективной траектории локального термического воздействия на обрабатываемый материал;

— разработан эффективный метод управления процессом сегментации стружки при механической обработке резанием на станках с ЧПУ;

— разработана динамическая модель технологической системы, с учетом рео.

• логических особенностей стружкообразования с использованием явления фазового перехода в металлах при локальном термическом воздействии, для оценки стабильности и надежности сегментирования й дробления стружки в области неустойчивого процесса резания;

— предложена методика определения режимных параметров нанесения локального термического воздействия для широкого диапазона обрабатываемых материалов;

— создана модель для определения области сегментирования стружки в зависимости от неточности формы и шероховатости поверхности, вызванные предыдущим методом получения заготовки;

— разработаны рекомендации по автоматизации технологического процесса механической обработки с целью обеспечения устойчивого отделения отрезков стружки в широком диапазоне обрабатываемых материалов и режимов резания для станков с ЧПУ.

Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных в работе положений, выводов и рекомендаций обеспечивается физической и математической корректностью постановки задач и методов их решенияиспользованием при исследовании современных методов теории резания, динамики сложных систем, вычислительной техникивысокой сходимостью расчетных и экспериментальных данныхположительным опытом внедрения разработанных методик и рекомендаций в промышленных условиях.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

— разработан метод для обеспечения сегментирования и дробления стружки в процессе точения при локальном термическом воздействии на обрабатываемый материал;

— созданы эффективные устройства для нанесения локального термического воздействия на обрабатываемый материал на станках с ЧПУ;

— разработаны и предложены технологические рекомендации по локальному термическому воздействию на обрабатываемый материал в широком диапазоне режимов резания;

— определены параметры нанесения на исходную поверхность заготовки локального термического воздействия в зависимости от режимов последующей обработки для обеспечения устойчивого стружкодробления на станках с автоматическим циклом работы;

— создан программный комплекс для управления процессом стружкодробления на основе метода локального термического воздействия на обрабатываемый материал и алгоритмы для автоматизации выбора способа и параметров этого воздействия.

Структура и содержание. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

4.6. РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

1. Разработан метод для обеспечения сегментирования и дробления стружки в процессе точения при локальном термическом воздействии на обрабатываемый материал в зависимости от неточности формы и шероховатости поверхности, вызванные предыдущим методом получения заготовки.

2. Имитационное моделирование динамических процессов технологической системы механической обработки при локальном термическом воздействии позволило оценить влияние автоколебательного процесса на устойчивость сегментирования и дробления стружки. Теоретические и экспериментальные исследования с использованием предложенных моделей подтвердили стабильное и надежное сегментирование и отделение отрезков стружки в области неустойчивого процесса резания.

3. Проведены экспериментальные исследования изменения стойкости режущего инструмента при различных соотношениях глубины резания и глубины локального воздействия, подтвердившие эффективность лезвийной обработки с использованием метода локального физического воздействия на обрабатываемый материал.

4. Выполнен комплекс экспериментальных исследований в области параметров термического воздействия в зависимости от режимов последующей обработки для широкого диапазона материалов, позволивший получить методом нелинейной аппроксимации модель для определения оптимальных параметров локального термического воздействия при заданных режимах резана. Разработаны и реализованы в виде программ для ЭВМ расчетные модели для управления процессом стружкодробления на основе метода локального термического воздействия на обрабатываемый материал и алгоритмы для автоматизации выбора способа и параметров ЛТВ.

6. Разработаны и предложены технологические рекомендации по локальному термическому воздействию на обрабатываемый материал в широком диапазоне режимов резания. Разработаны устройства для практической реализации предложенных технологических рекомендаций. Результаты и предложения выполненных исследований нашли апробирование и практическое применение на предприятиях Санкт-Петербурга ОАО МЗ «Арсенал», ОАО «Инженерный центр по технологии и материалам», а также на ОАО «Онежский тракторный завод» (г. Петрозаводск).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Решение вопроса об управлении процессом стружкодробления при обработке резанием имеет большое значение, поскольку позволяет автоматизировать этот процесс на станках с автоматическим циклом работы и автоматических линиях, а так же повысить производительность труда, культуру производства и снизить затраты на последующую транспортировку и переработку стружки.

2. Анализ технико-экономических показателей существующих методов и способов стружкодробления при лезвийной обработке на станках с автоматическим циклом работы и автоматических линиях показал, что наиболее эффективным является метод, обеспечивающий на первом этапе предварительное локальное термическое воздействие на поверхностный слой заготовки и на втором этапе — процесс резания.

3. Разработан метод стружкодробления, основанный на использовании явления фазового перехода в металлах при локальном термическом воздействии на обрабатываемую поверхность заготовки, позволяющий обеспечить при последующей обработке периодическое изменение условий резания по сравнению с исходным материалом. На основании полученных кинематических характеристик созданы устройства для предварительного нанесения линии локального термического воздействия контактным или бесконтактным способами.

4. Предложена обобщенная математическая модель процесса стружкообразования, позволяющая описать процесс с учетом упруго-пластических свойств в динамике контактного взаимодействия инструмента с заготовкой и реологических особенностей в зоне активного пластического деформирования при локальном термическом воздействии на обрабатываемый материал.

5. Разработана математическая модель технологической системы механической обработки, позволяющая описывать динамические процессы с учетом реологических особенностей процесса стружкообразования в зоне активного пластического деформирования, при чередовании срезаемого слоя исходного материала и материала, подверженного локальному термическому воздействию, необходимая для анализа поведения технологической системы механической обработки в процессе сегментирования и дробления стружки.

6. Имитационное моделирование динамических процессов технологической системы механической обработки при локальном термическом воздействии позволило оценить влияние автоколебательного процесса на устойчивость сегментирования и дробления стружки. Теоретические и экспериментальные исследования с использованием предложенных моделей подтвердили стабильное и надежное сегментирование и отделение отрезков стружки в области неустойчивого процесса резания.

7. Выполнен комплекс экспериментальных исследований в области параметров термического воздействия в зависимости от режимов последующей обработки для широкого диапазона материалов, позволивший получить методом нелинейной аппроксимации модель для определения оптимальных параметров локального термического воздействия при заданных режимах резания.

8. Разработаны и реализованы в виде программ для ЭВМ расчетные модели для управления процессом стружкодробления на основе метода локального термического воздействия на обрабатываемый материал и алгоритмы для автоматизации выбора способа и параметров JITB.

9. Разработаны и предложены технологические рекомендации по локальному термическому воздействию на обрабатываемый материал в широком диапазоне режимов резания. Разработаны устройства для практической реализации предложенных технологических рекомендаций. Результаты и предложения выполненных исследований нашли апробирование и практическое применение на предприятиях Санкт-Петербурга ОАО МЗ «Арсенал», ОАО «Инженерный центр по технологии и материалам», а также на ОАО «Онежский тракторный завод» (г. Петрозаводск).

10. Основные положения работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на Всероссийских и Международных конференциях и на научно-технических семинарах: Всероссийской научно-технической конференции (Рыбинск 1999 г.), Международной конференции «Сварка, электротермия, механообработка» (Санкт-Петербург 1999 г., 2003 г.), конференция, посвященная памяти В. П. Булатова «Актуальные проблемы машиноведения: качество, точность, износостойкость» (Институт проблем машиноведения РАН 2003 г.), на семинарах Северо-Западного государственного заочного технического университета (1996;2002гг.), Санкт-Петербургского института машиностроения (2000;2001 гг.).

11. Материалы исследований в виде рекомендаций, методических указаний и лекционного материала введены в учебный процесс подготовки в СЗТУ инженеров по специальности 120 100 «Технология машиностроения». Результаты исследований использованы в лабораторных работах, лекционных курсах, курсовом и дипломном проектировании дисциплин «Резание материалов», «Режущий инструмент и инструментальное обеспечение автоматизированного производства», «Математическое моделирование процессов резания, режущего инструмента и станков», «Автоматизация производственных процессов в машиностроении» .

12. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ.