Підвищення ефективності процесів чистової обробки на основі аналітичного моделювання силової взаємодії леза з заготівкою - Автореферат

Орієнтація сучасного багатономенклатурного машинобудування на ринкову економіку вимагає зниження матеріаломісткості, підвищення ефективності, точності, якості та екологічної чистоти механічної обробки, і зокрема обробки різанням, яка усе ще є переважаючим процесом формоутворення, особливо на операціях чистової обробки. Силова взаємодія леза із заготівкою є одним з головних чинників, що впливає на ці показники. розроблення рекомендацій щодо зменшення величини проковзування, підвищення точності обробки, а також вибору величини товщини зрізу, що дозволяє реалізувати процес різання у вигідних умовах. Модель дозволяє обчислити силу взаємодії округленого леза із заготівкою, усадку стружки, геометрію пластичної області і залишкового напливу без попереднього проведення будь-яких експериментальних досліджень власне процесу різання. Достовірність отриманих теоретичних закономірностей процесів силової взаємодії леза із заготівкою гарантується тим, що вони ґрунтуються на класичних законах теорії пластичності і сучасних поглядах теорії різання про процеси попереду РК, а також застосуванням широко використовуваного аналітичного методу розвязання задачі пластичності і зіставленням результатів розрахунку як з власними, так і з відомими експериментальними даними.Зокрема, показано, що для скорочення часу на освоєння виробництва необхідно ще на стадії проектування технологічного процесу мати достовірну інформацію щодо сили взаємодії леза із заготівкою, усадки стружки, мінімальної товщини зрізу, яка дозволяє реалізовувати обробку у вигідних умовах, та, для нестаціонарних процесів, таких, як наприклад, фрезерування, тангенціальне точіння та ін., залишкового напливу на РК і залишкової сили. Відсутні в літературі й теоретично обґрунтовані рекомендації щодо визначення величини мінімальної товщини зрізу, яка дозволяє реалізовувати обробку у вигідних умовах, тобто таких, що несуттєво відрізняються від умов різання з a/r0 >> 1 за величинами питомої сили різання, коефіцієнта усадки стружки, контактних нормальних напружень. Другий розділ присвячено розробленню прогнозуючої аналітичної моделі процесу силової взаємодії округленого леза із заготівкою при різанні з товщиною зрізу, яка може безперервно змінюватися (рис. Вихідними даними для визначення сили взаємодії, коефіцієнта стовщення стружки та ін. показників є: межа текучості на зсув в пластичній області k, контактні дотичні напруження tn, передній g і задній a кути леза, радіус округлення РК r0, ширина зрізу b, шорсткість вихідної поверхні Ra, закон зміни товщини зрізу a = a(L) (наприклад, рис. Виходячи з результатів огляду літератури, були обґрунтовані та прийняті такі припущення: а) оброблюваний матеріал є абсолютно пластичним середовищем, яке не здатне зміцнюватися та стискуватися; б) плоска деформація; в) розподіл контактних дотичних напружень є рівномірним на всій ділянці контакту, за винятком тієї її частини, де швидкість руху частинок у пластичній області відносно поверхні леза дорівнює 0; г) довжина ділянок пружного контакту та фаски зносу дорівнює 0.1.Результати аналітичних досліджень автора і сучасні уявлення про процес стружкоутворення були узагальнені і формалізовані в розробленій аналітичній прогнозуючій моделі силової взаємодії округленого леза із заготівкою для випадку вільного прямокутного різання пластичних матеріалів з товщиною зрізу, яка безупинно змінюється, в умовах відсутності наростоутворення і швидкості різання, меншої від 10 м/с. Модель дозволяє з похибкою не більше ніж 21% (при a/r0 Ј 1) спрогнозувати силу взаємодії леза із заготівкою, а також коефіцієнт стовщення стружки, величину контактних нормальних напружень, геометрію пластичної області і залишкового напливу без попереднього проведення експериментальних досліджень власне процесу різання. 2.Для аналітичного розвязання задачі про визначення напружено-деформованого стану в пластичній області з невідомою границею, яка виникає перед округленою різальною кромкою у процесі нестаціонарного різання, запропоновано спосіб опису геометричної конфігурації границі цієї області і розроблено відповідні аналітичні залежності. За рахунок цього стало можливим визначити окремо напружений і деформований стани у пластичній області за допомогою методу ліній ковзання. Розроблено рівняння для визначення параметра, що визначає геометричні розміри границі пластичної області в кожному з цих режимів, умова їхньої зміни, а також алгоритм реалізації обчислень на ЕОМ.

2. Основний зміст роботи

1.Результати аналітичних досліджень автора і сучасні уявлення про процес стружкоутворення були узагальнені і формалізовані в розробленій аналітичній прогнозуючій моделі силової взаємодії округленого леза із заготівкою для випадку вільного прямокутного різання пластичних матеріалів з товщиною зрізу, яка безупинно змінюється, в умовах відсутності наростоутворення і швидкості різання, меншої від 10 м/с. Модель дозволяє з похибкою не більше ніж 21% (при a/r0 Ј 1) спрогнозувати силу взаємодії леза із заготівкою, а також коефіцієнт стовщення стружки, величину контактних нормальних напружень, геометрію пластичної області і залишкового напливу без попереднього проведення експериментальних досліджень власне процесу різання.

2.Для аналітичного розвязання задачі про визначення напружено-деформованого стану в пластичній області з невідомою границею, яка виникає перед округленою різальною кромкою у процесі нестаціонарного різання, запропоновано спосіб опису геометричної конфігурації границі цієї області і розроблено відповідні аналітичні залежності. За рахунок цього стало можливим визначити окремо напружений і деформований стани у пластичній області за допомогою методу ліній ковзання.

3.Ґрунтуючись на результатах експериментальних спостережень автора та інших дослідників процесу нестаціонарного різання з малою товщиною зрізу, у частині циклу "різання" виділені режими несталого (утворення напливу попереду різальної кромки) і сталого (утворення стружки, як такої) стружкоутворення. Розроблено рівняння для визначення параметра, що визначає геометричні розміри границі пластичної області в кожному з цих режимів, умова їхньої зміни, а також алгоритм реалізації обчислень на ЕОМ.

4.Для перевірки адекватності запропонованої аналітичної моделі розроблена методика експериментального визначення залежності сили взаємодії леза із заготівкою від товщини зрізу при безупинній зміні останньої. Методика реалізує безпосереднє вимірювання як сили, так і товщини зрізу у процесі тангенціального точіння. Для контролювання радіуса округлення різальної кромки також розроблена методика вимірювання усередненого його значення вздовж заданої ділянки різальної кромки за допомогою растрового електронного мікроскопа. Розроблено програмне забезпечення для автоматизації виконання робіт на кожному етапі їх проведення.

5.Адекватність моделі була підтверджена для умов a/r0 Ј 1 методом порівняння розрахункової залежності P = P(a) з результатами експериментів, отриманих як самим автором (методом тангенціального точіння), так і іншими дослідниками (на прикладі протягування і стругання). Виконано дослідження факторів, що впливають на точність прогнозування показників процесу силової взаємодії леза із заготівкою.

6.Ґрунтуючись на результатах виконаних досліджень методом розрахункового експерименту сформульовані такі рекомендації для проектування технологічної операції чистової обробки з відношенням a/r0 Ј 1: режим різання і геометрія леза повинні забезпечувати відношення a/r0 не менш 0,2-0,4;

режим різання, інструментальний матеріал та інші умови повинні забезпечувати такі значення d та tn, щоб точки з відповідними координатами на діаграмі "d - tn" наближалися до границі між зоною гарантованого і зоною можливого початку сталого стружкоутворення з боку першої з них;

при настроюванні верстата необхідно враховувати деформацію технологічної системи наприкінці частини циклу "різання" під дією залишкової сили, величини проекцій якої знаходяться в межах (1,5 - 2,0)kbr0 для Pz і (1,9 - 2,8)kbr0 для Py.

7.Розроблено інженерну методику визначення показників силової взаємодії леза із заготівкою, що реалізована в програмному забезпеченні для ЕОМ. Вона може бути використана для розрахунку на стадії проектування сил закріплення інструмента, наприклад, сили затиску плаваючого різця на операції розточування, розрахунку вузлів верстатів і пристосувань на міцність та жорсткість тощо. Виконання рекомендацій, що стосуються величини мінімальної товщини зрізу та величини залишкової сили, дозволяє знизити енергоємність нестаціонарних процесів чистової обробки, підвищити ресурс інструмента і якість обробленої поверхні. Крім цього, розроблений спосіб вимірювання радіуса округлення РК може бути використаний для контролю якості різальних лез у спеціалізованому інструментальному виробництві.

1.Залога В. А., Приходько В. В., Криворучко Д. В. Теоретическое описание кинематики попутного тангенциального точения//Высокие технологии в машиностроении: тенденции развития, менеджмент, маркетинг: Труды VII Международного научно-технического семинара "Интерпартнер 97", 24-28 сентября 1997г. -Х.: ХГТУ, 1997. -C. 47- 52 (0,15 авт. арк.).

2.Залога В. А., Криворучко Д. В. К вопросу об аналитическом прогнозировании толщины среза при свободном прямоугольном тангенциальном точении//Резание и инструмент в технологических системах: Межд. научн. техн. сборник. -Х.: ХГТУ, 2000. -Вып. 57. -C. 83- 87 (0,22 авт. арк.).

3.Залога В. А., Криворучко Д. В. К вопросу о выводе уравнения силы резания для процессов с переменной толщиной среза//Системні технології: Математичні проблеми технічної механіки. -Дніпропетровськ, 2001. -C. 63- 67 (0,21 авт. арк.).

4.Залога В. А., Криворучко Д. В. К вопросу об общности математического описания процессов резания с переменной толщиной среза//Резание и инструмент в технологических системах: Межд. научн.-техн. сборник. -Х.,2001.-№59.-С.86-92 (0,27 авт. арк.).

5.Залога В. А., Криворучко Д. В., Сайко В. В. Методика экспериментального определения коэффициентов уравнения силы резания для процессов с переменной толщиной среза//Вестник Национального технического университета "Харьковский политехнический институт". -Х., 2001. -№ 6. -C.101- 104 (0,21 авт. арк.).

6.Криворучко Д. В. Моделирование как основа развития современных технологий механической обработки//Тезисы докладов молодежной научно-технической конференции вузов приграничных регионов славянских государств, 23-24 октября 2001 г. -Брянск: БГТУ, 2001. -C. 48- 50 (0,13 авт. арк.).

7.Пат. 45759А UA, МКИ G 01 B 11/24. Спосіб вимірювання малого радіуса сполучення площин обєкта/ Д. В. Криворучко, В. А. Залога (UA).

-№2001064433; Заявлено 25.06.2001; Опубл. 15.04.2002. Бюл. №4. -5 c.

8.Zaloha V. A., Krivoruchko D. V. Prediction of the Tool-Workpiece Interaction Force in Machining Operations with Small Undeformed Chip Thickness//Lucrarile Stiintifice Ale Simpozionului International "Universitaria ROPET 2001": Inginerie Mecanica. -Petrosani: Unerversity of Petrosani, 2001. -V. 2. -Pp. 159- 164 (0,53 авт. арк.).

9.Залога В. А., Криворучко Д. В. Современные подходы аналитического моделирования процессов резания//Вестник Сумского государственного университета. -2002. -№ 2. -C. 54- 60 (0,5 авт. арк.).

10.Залога В. А., Криворучко Д. В. Прогнозирующая аналитическая модель силового взаимодействия лезвия с заготовкой//Вопросы механики и физики процесса резания и холодного пластического деформирования: Сб. науч. тр. Института сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины. Серия Г: Процессы механической обработки, станки и инструменты.-К.,2002. -C.103- 118 (0,47 авт. арк.).