Разработка методологии управления обработкой при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ

Модернизация экономики страны обуславливает реализацию в промышленности высоких технологий, связанных в сфере машиностроительного производства с переходом к высокоточной обработке на станках с числовым программным управлением (ЧПУ). В то же время экономика современного производства диктует необходимость максимального повышения производительности процессов обработки, чтобы в короткие сроки окупались затраты на приобретение весьма дорогостоящего высокотехнологичного оборудования.

Однако повышение режимов резания в процессе точения высокопрочных труднообрабатываемых материалов на станках ЧПУ приводит к существенному увеличению силовых и температурных контактных нагрузок и сопровождается нарушением работоспособности инструмента. При этом изменяется характер проявления отказов инструмента и вместо образования фаски износа преобладающими становятся разрушения с накоплением повреждений, которые проявляются в виде выкрашиваний, а также микрои макросколов режущих лезвий.

Точение на станках с ЧПУ сложных поверхностей вращения (СПВ) с прямолинейными и криволинейными образующими (до 70% от общей площади) деталей из высокопрочных труднообрабатываемых материалов, используемых в авиастроении, энергетическом, нефтегазовом машиностроении и др., происходит в специфических условиях нестационарного резания и сопровождается интенсивным разрушением режущих лезвий, что приводит к снижению точности обработки и нерегламентированным отказам инструмента. Обеспечение точности формообразования СПВ деталей из жаропрочных сталей и сплавов на практике достигается за счет «уточнения» выдерживаемых размеров при выполнении дополнительных проходов с «ручным» вводом коррекций, которые устанавливаются на основании накопленного опыта работы.

Проведенный на предприятиях высокотехнологичных отраслей промышленности экспертный опрос специалистов, показал, что наиболее распространенным (до 64%) способом повышения работоспособности при недостаточной прочности инструмента в условиях нестационарного резания является занижение по сравнению с нормативными значений подач, скоростей и глубин резания. Тем не менее, несмотря на существенное увеличение трудоемкости обработки, эти процессы, как правило, сопровождаются потерями по инструментальным расходам, браку и простоям дорогостоящего оборудования' с ЧПУ. Диктуемое условиями, производства обеспечение стабильности обработки на станках с ЧПУ предопределяет с учетом накопления повреждений инструмента необходимость эффективного управления процессами нестационарного резания. Это обуславливает разработку моделей и алгоритмов, а также способов и устройств для диагностики и управления с оперативным вводом коррекций одновременно по режимам резания и по траекториям движения формообразующего режущего инструмента (ФРИ), что при модернизации производства принципиально может быть реализовано с использованием станков, оснащенных современными системами ЧПУ.

Проведенный при выполнении диссертационной работы анализ показал, что комплексное решение актуальных задач современного высокотехнологичного машиностроительного производства может быть реализовано разрешением научной проблемы — максимального повышения производительности обработки жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ, обеспечиваемым разработкой методологии максимального (наиболее полного) использования ресурса режущего инструмента по критерию прочностности при совершенствовании теории и практики управления процессами его нагружения.

С учетом изложенного выше при выполнении диссертационной работы объектом исследований являются процессы накопления повреждений лезвий инструмента при нестационарном резании высокопрочных труднообрабатываемых материалов на станках с числовым программным управлением.

При этом, предметом исследования является нагружение, деформирование, разрушение режущих лезвий и изменение их геометрических параметров, а также взаимосвязь деформирования срезаемого слоя с нагружением инструмента силовыми и температурными контактными нагрузками при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ.

В процессе выполнения диссертационной работы для исследований напряженно-деформированного состояния режущей части инструмента из ме-таллокерамических твердых сплавов и инструментальных сталей созданы установки, а также отработан и применен метод лазерной нанометрии деформирования режущего инструмента (A.C. 1 173 179). Разработаны установки и методики лазерного сканирования прямолинейных и криволинейных лезвий режущего инструмента (A.C.1 089 539). Разработаны основанные на принципах мехатроники способы и устройства для оперативного определения непосредственно в процессе резания параметров деформирования срезаемого слоя по величине усадки стружки (Пат.2 254 210, Пат. 2 311 990). Использованы основные положения, методология и методы технологии машиностроения, теории резания и теории автоматического управления, теории конечных пластических деформаций, теории прочности, фрактографии и механики разрушений, вычислительной математики, математической обработки результатов экспериментов, компьютерного моделирования и программирования. Разработанные вычислительные алгоритмы и программы имеют оригинальное авторское содержание (Свид.ОРП 2 003 611 797, 2 003 611 798, 2 007 613 348, 2 008 610 386, 2 008 610 387, 2 008 610 388). Экспериментальные исследования и их технологическая привязка к условиям производства проведены в лабораториях ГОУ ВПО «ТюмГНГУ», а также на базе ОАО «Тюменские авиадвигатели», ОАО «Газтурбосервис», ОАО «Сибнефтегазмаш», ЗАО «Станкосервис» с использованием современных аттестованных приборов, методов и средств измерений.

Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы теоретическими решениями, базирующимися на положениях механики и теплофизики процессов резания, теории упругости, теории пластичности, механики деформируемого тела, физики оптических явлений. Принятые допущения получили мотивированное обоснование. Во всех необходимых случаях осуществлена экспериментальная проверка теоретических решений. При проведении экспериментальных исследований использована аттестованная измерительная техника. Достоверность и обоснованность теоретических выводов подтверждена данными производственных испытаний, а также экспериментальными данными, полученными лично соискателем и при его непосредственном участии.

Научная новизна. «Разработаны теоретические положения и научно обоснована методология обеспечения работоспособности инструмента на основе наиболее полного использования его ресурса по критерию циклической прочности в процессе точения жаропрочных сталей и сплавов.

• С использованием метода лазерной нанометрии деформирования инструмента непосредственно в условиях резания жаропрочных сталей и сплавов определены параметры деформирования, а также установлены закономерности распределения силовых и температурных деформаций и напряжений в режущем клине инструмента из инструментальных сталей и металлокерами-ческих твердых сплавов.

• С использованием метода лазерного сканирования установлен вид и экспериментально подтверждена адекватность моделей накопления повреждений, обусловленных разрушением лезвий инструмента в процессе точения жаропрочных сталей и сплавов. Получены зависимости параметров накопления повреждений от величин контактных напряжений и температур, а также числа циклов нагружения режущих лезвий.

• Научно обоснована, выдвинута и подтверждена результатами экспериментальных исследований гипотеза об условиях перехода от образования сливной к образованию суставчатой стружки при достижении конечных пластических деформаций удлинения в направлении текстуры стружки, формирующейся при резании. Создана кинематическая модель формирования суставчатой стружки, разработаны алгоритмы определения геометрических параметров образующихся при этом элементов. Это позволило схематизировать распределение напряжений, а также получить модели параметров контактного взаимодействия в зоне резания и на рабочих поверхностях лезвий твердосплавного инструмента при его циклическом нагружении.

• Установлено, что при оценке прочности инструмента напряженное состояние режущего лезвия в различных фазах формирования элементов суставчатой стружки описывается асимметричными циклами сложной системы напряжений. При этом работоспособность инструмента определяется удельной работой и относительным объемом разрушения его лезвий, а также кумулятивной функцией накопления повреждений Пальмгрена-Майнера, являющейся одновременно энергетической и вероятностной характеристикой прочности режущего инструмента.

• Предложена концепция прогнозированияа также модель ресурса режущего инструмента' по критерию циклической прочности при нестационарном резании. Концепция основана на определениидопускаемого прочностью инструментального твердого сплава числа циклов нагружениярежущих лезвий с учетом установленной системы напряжений, действующих в режущем клине инструмента.

• Показано, что стабилизация деформирования срезаемого слоя обеспечивает постоянство контактных напряжений и температур на рабочих поверхностях инструмента в условиях нестационарного резания.

• Разработана модель интегрированной системы (ИСДУ), сочетающей диагностику процессов нагружения приводов станка с ЧПУ и элементов ТС с вводом комплекса коррекций при управлении обработкой. Предложены алгоритмы и программное обеспечение оперативного ввода коррекций одновременно в режимы резания и в траектории движения формообразующего режущего инструмента (ФРИ).

• Установленочто разработанная методология управления, реализующая сочетание коррекций в наибольшей мере компенсирует погрешности, возникающие в ТС при нестационарном резании, и обеспечивает наиболее полное использование ресурса инструмента по критерию циклической прочности при максимальной производительности обработки жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ.

Практическая ценность работы заключается в разработке теоретического, методического и программного комплексов, сформированных для повышения эффективности лезвийной обработки. Практическую значимость имеет также использование установок, устройств и инструментов, обеспечивающих повышение эффективности обработки на станках с ЧПУ, для реализации которых:

• разработаны методы и устройства для определения параметров повреждений инструмента, позволяющие прогнозировать накопление и интенсивность разрушений лезвий режущего инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ (A.C. 1 173 179, A.C. 1 089 539);

• создана система диагностики деформирования срезаемого слоя на основе оперативного определения кинематической усадки, позволяющая при изменениях сечения срезаемого слоя, скорости и глубины резания, подачи и диаметра обработки, а также при накоплении повреждений режущих лезвий обеспечивать стабилизацию контактных напряжений и температур на рабочих поверхностях лезвий инструмента в условиях нестационарного резания при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ (Пат. 2 009 804, Пат. 2 254 210, Пат. 2 311 990);

• созданы конструкции сборного режущего инструмента, обеспечивающие повышение его работоспособности за счет рационального силового и температурного нагружения сменных режущих пластин (СРП), а также комплекс модулей для определения параметров процесса резания, состояния и диагностики отклонений расположения элементов ТС при их нагружении в процессе нестационарного резания (А.С.901 844, А.С.1 157 601, Пат. 2 009 804, Пат. 2 076 017, Пат. 2 235 622 Пат. 2 238 825, Пат. 2 240 207, Пат. 2 245 226, Пат.2 245 228, Пат.2 309 818, Пат.2 309 819);

• предложен программно-аппаратный комплекс диагностики и управления обработкой, программные продукты для диагностики процесса резания и управления следящим и шаговым приводами исполнительных рабочих органов (ИРО) станков, реализующие при использовании систем числового программного управления класса PCNC (Personal Computer Numerical Control) интерполяцию и оперативный ввод коррекций в траектории движения формообразующего режущего инструмента (ФРИ) в процессе точения СПВ фасонных деталей из жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ (Свид.ОРП. 2 003 611 797, 2 003 611 798, 2 007 613 348, 2 008 610 386,2008610387,2 008 610 388).

Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнялась в рамках комплексных программ: «АВИАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», раздел 05.01 — «Методы механической обработки», а также «Общесоюзной целевой комплексной научно-технической программы О.Ц.ОП», раздел 09.01 АН СССР. В 2000 г. работа была поддержана грантом Минобразования РФ, а с 2001 г. разделы работы выполнялись при поддержке грантов Губернатора Тюменской области в соответствии с Региональной целевой программой «РАЗВИТИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ И МЕТАЛЛООБРА.

БОТКИ". В 2003 году выполненные разработки были представлены в г. Москва на Всероссийском выставочном центре (ВВЦ) и отмечены дипломом IX-й Международной выставки научно-технических проектов «ЭКСПО — Наука 2003», а также медалью «ESI — Moskow 2003». Результаты исследований и разработки диссертации в соответствии с Региональной целевой программой внедрены на предприятиях Тюменской области, а именно: ОАО «ТЮМЕНСКИЕ АВИАДВИГАТЕЛИ», ОАО «ТЮМЕНСКИЕ МОТОРОСТРОИТЕЛИ», ОАО «ГРОМ», ОАО «Газтурбосервис», ОАО «Сибнефтемаш», ОАО «Сибтехмаш», ОАО «Нефтепроммаш», ОАО «СТАНКОСЕРВИС», ООО «Сибинструментсервис» и др. При изготовлении фасонных деталей авиадвигателей, турбин и деталей нефтегазового оборудования реализовано переоснащение токарных станков модернизированными системами ЧПУ класса PCNC и диагностическими модулями. Диагностика ТС и оперативный ввод коррекций по траекториям движения ФРИ и режимам резания реализованы с использованием специализированного программно-аппаратного комплекса. Реализовано точение СПВ фасонных деталей из жаропрочных сталей и сплавов, разработаны конструкции сборного режущего инструмента и системы оперативного ввода коррекций при управлении процессами нестационарного резания, что обеспечило наибольшую для конкретных условий производства эффективность обработки на станках с ЧПУ. Экономический эффект, подтвержденный актами внедрения результатов диссертационной работы в производство, составляет свыше 2.146.387 рублей.

Под руководством автора и с использованием основных положений его работы подготовлены и защищены кандидатские диссертации.

Результаты исследований используются в учебном процессе ГОУ ВПО «ТюмГНГУ» в виде 5-и учебных пособий, лекционных материалов, а также в курсовом и дипломном проектировании на выпускающих кафедрах машиностроительного профиля.

Автор выражает глубокую благодарность докторам технических наук, профессорам Артамонову Е. В., Ковенскому И. М., Утешеву М. X. и Шала-мову В. Г. за проявленное внимание, разностороннюю поддержку и ценные замечания по работе.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

В1результате: выполненных, комплексных теоретических и экспериментальных исследований, а также внедрения? результатов исследований: в производство решенакрупная^имеющаяшажное: значение-.проблема максимального повышения?: производительности., обработкижаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ.

Актуальная научная проблема решена и поставленная цель достигнута на основе разработанных теоретических и методологических положений по управлению обработкой на станках с ЧПУ при наиболее полном использовании ресурса инструмента и максимальном повышении производительности обработки.

Наиболее полное использование ресурса инструмента по критерию циклической прочности при обработке жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ базируется на полученных решениях поставленных задач, а также следующих результатах исследований и выводах:

1. Установлено, что при точении жаропрочных сталей: и сплавов с образованием суставчатой стружки изменяется характер повреждений лезвий твердосплавного режущего инструмента. Преобладающим видом: отказов вместо изнашивания становится накопление повреждений в виде множественных усталостных и смешанных разрушений режущих лезвий. При оценке повреждений инструмента лазерное сканирование режущих лезвий (A.C. 10 895 390) обеспечивает определение геометрических параметров и получение моделей объема и площади образовавшейся при разрушениях поверхности, что позволяет определять интенсивность и энергию разрушений лезвий инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов.

2. Непосредственно при резании высокопрочных труднообрабатываемых материалов экспериментально с использованием лазерной нанометрии деформирования инструмента.(АС. 1 173 179) установлены закономерности распределения деформаций, напряжений и температур в режущем инструменте из инструментальных сталей и металлокерамических твердых сплавов, а также их взаимосвязь с параметрами деформирования срезаемого слоя в процессе нестационарного резания.

3. На основании выдвинутой гипотезы предложена концепция и модель перехода от образования сливной к образованию суставчатой стружки при достижении конечных пластических деформаций удлинения, в направлении формирующейся в процессе резания текстуры стружки. Создана кинематическая модель формирования суставчатой стружки, получены зависимости, позволяющие определять геометрические параметры образующихся при этом элементов.

4. В результате экспериментальных исследований при точении жаропрочных сталей и сплавов с образованием суставчатой стружки установлено распределение напряжений в зоне резания и распределение контактных напряжений на рабочих поверхностях лезвий инструмента при его циклическом нагружении. При этом подтверждено, что обобщающим параметром, характеризующим величины и соотношения контактных напряжений и температур на рабочих поверхностях лезвия инструмента является относительный сдвиг обрабатываемого материала. В условиях нестационарного резания это позволяет при неизменной геометрии лезвия и стабилизации кинематической усадки-стружки реализовать постоянство условий нагружения режущего инструмента (Пат. 2 254 210, Пат. 2 311 990) и тем самым обеспечивать надежность прогнозирования его работоспособности.

5. Показано, что режущий клин инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов с образованием суставчатой стружки нагружается асимметричными циклами сложной системы напряжений и его ресурс при стабилизации контактных нагрузок определяется числом циклов нагружения режущего лезвия. При этом в соответствии с разработанной концепцией, работоспособность инструмента определяется удельной работой и относительным объемом разрушений режущих лезвий, а также кумулятивной функцией накопления повреждений Пальмгрена — Майнера, сочетающей энергетическую и вероятностную характеристики критерия прочности.

6. Предложены модель и алгоритм управления, разработаны защищенные патентами на изобретения и свидетельствами об официальной регистрации программ ЭВМ устройства и программные продукты, для оперативной диагностики и стабилизации параметров деформирования срезаемого слоя (усадки стружки) путем оперативного ввода коррекций режимов резания (Сеид. ОРП. 2 007 613 348, 2 008 610 386, 2 008 610 388). Это обеспечивает рациональное на-гружение и повышение работоспособности инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ в условиях нестационарного резания. Разработаны защищенные патентами на изобретения конструкции сборного инструмента, обеспечивающие в условиях нестационарного резания рациональное нагружение сменных режущих пластин (СРП) и повышение работоспособности твердосплавного инструмента при точении высокопрочных труднообрабатываемых материалов на станках с ЧПУ (A.C. 778 940, Пат. 2 076 017, 2 235 622, 2 240 207, 2 238 825, 2 245 228, 2 309 819).

7. Разработаны, математические модели, алгоритмы и программное обеспечение ИСДУ, позволяющие с использованием PGNC реализовать диагностику деформирования срезаемого слоя, отклонений расположения элементов ТС, управление следящими приводами станков с ЧПУ (Сеид. ОРП. 2 003 611 797, 2 003 611 798), а также формирование и оперативный ввод коррекций в процесс обработки. На основании разработанных методологических положений установлено, что сочетанием оперативных коррекций одновременно по режимам резанияи по траекториям движения исполнительных рабочих органов станков достигается наибольшая точность формообразования сложных поверхностей вращения деталей в конкретных ТС. При этом также обеспечивается наиболее полное использование ресурса режущего инструмента по критерию циклической прочности при точении жаропрочных сталей и сплавов в условиях нестационарного резания на станках, оснащенных системами ЧПУ класса PCNC.