Моделирование процесса формирования шероховатости при обработке металлов резанием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Улитина, Анна Вячеславовна

• Улитина, Анна Вячеславовна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Улитина, Анна Вячеславовна

Введение

Глава 1 Аналитический обзор состояния исследований процесса формирования шероховатости поверхностей при обработке резанием

1.1 Технологическое обеспечение параметров шероховатости поверхностности при обработке резанием

1.2 Постановка задач исследований

Глава 2 Методики исследований

2.1 Общая методика проведения исследований

2.2 Оборудование и методики, применяемые для измерения и анализа шероховатости обработанных поверхностей

2.3 Основные положения логистического анализа

2.4 Выводы

Глава 3 Выбор, обоснование и описание математической модели процесса формирования шероховатости при резании металлов

3.1 Концептуальная модель процесса формирования шероховатости

3.2 Составление уравнений математической модели процесса формирования шероховатости

3.3 Параметрическое описание математической модели процесса формирования шероховатости поверхности

3.4 Выводы

Глава 4 Исследование процесса формирования шероховатости на базе модели

4.1 Уточнение параметрического описания разработанной модели

4.2 Исследование причинно-следственных связей процесса формирования шероховатости

4.3 Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование процесса формирования шероховатости при обработке металлов резанием»

В задаче управления качеством поверхностного слоя деталей машин при обработке резанием актуальным направлением является разработка моделей, адекватно отражающих процесс достижения необходимого уровня шероховатости и позволяющих управлять им. Однако моделирование процессов формо-, размерообразования и срезания припуска при резании, как информационных процессов взаимодействия образующейся поверхности Ан, производящей поверхности Ано и поверхностей резания АаУ, не позволяет с необходимой точностью прогнозировать и управлять шероховатостью, так как оценивает лишь одну расчетную составляющую шероховатости - геометрико-кинематическую. На формирование шероховатости и состояние поверхностного слоя накладывается и результат кинематического и силового последействия превращения срезаемого припуска в стружку, который приводит к образованию вторичной переходной пластически деформированной зоны (так называемой вторичной зоны пластического контакта, застойной зоны, нароста и т.д.). Являясь важнейшей интегративной характеристикой процесса резания, вторая составляющая значительно труднее подвергается формализации и моделированию. Но именно она при чистовой и получистовой обработке является превалирующей, и именно она является ограничением достижения шероховатостей меньших 0,5 . 0,8 мкм при обработке резанием.

В ранее выполненных работах исследовались лишь отдельные аспекты влияния условий работы системы резания на формирование шероховатости поверхности. Они позволяли решать ограниченный круг технологических задач, не раскрывая общих тенденций управления шероховатостью и возможностей улучшения качества обработанной поверхности.

На сегодняшний день необходимо моделирование процесса формирования шероховатости в широком диапазоне изменения условий обработки, как инструмента управления процессами формирования шероховатости. Важно, чтобы математическая модель не только численно описывала величину шероховатости, но и раскрывала закономерности ее формирования.

В первой главе на выполнен аналитический обзор состояния исследований процесса формирования шероховатости поверхностей при обработке резанием. Опираясь на анализ ранее выполненных исследований по технологическому обеспечению параметров шероховатости поверхностности при лезвийной обработке, сформулирован круг задач настоящей диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрена методика выполнения работы. Измерение и анализ шероховатости обработанной поверхности выполнено на разработанном стенде, состоящим из профилографа-профилометра мод. 252 (ОАО «Завод Калибр») и персонального компьютера, со встроенной платой аналогового и цифрового ввода/вывода JIA-70M4 (ЗАО «Руднев-Шиляев»), Обработай и анализ профиля ведется программными средствами, созданными в среде Lab VIEW 6i (National Instruments Corporation). Рассмотрены основные положения логистического анализа, применяемого к исследованию зависимости шероховатости от скорости резания и разработке математической модели.

В третьей главе выполнены следующие этапы математического моделирования процесса формирования шероховатости:

1. разработка концептуальной модели — определение закономерностей процесса формирования шероховатости, выявление факторов, оказывающих определяющее влияние на шероховатость и позволяющих управлять ею;

2. составление уравнений модели;

3. параметрическое описание математической модели процесса формирования шероховатости для сталей 45 и 12Х18Н10Т, как основных представителей углеродистых и легированных сталей и коррозионно-стойких сталей.

В четвертой главе приводятся экспериментальные данные, воспроизводящие полученную модель формирования шероховатости. Выполнено уточнение модели на основе новых экспериментальных данных. Исследован процесс формирования шероховатости при помощи, полученной математической модели, с использованием спектрального и корреляционного анализа. Описано применение модели для расчета шероховатости при проектировании чистовых и получистовых операций технологических процессов обработки резанием

Научная новизна работы:

1. Разработана математическая модель процесса формирования шероховатости при обработке металлов резанием для основных представителей конструкционных материалов на базе экстремальной зависимости шероховатости (параметр Ra) от скорости резания при широком изменении условий реализации (подача, внешние среды, инструментальные материалы и т.д.)

2. Установлено наличие коридора значений шероховатости верхняя и нижняя граница, которого практически не зависят от скорости резания, свойств обрабатываемого и инструментального материалов. Увеличение активности внешней среды приводит к некоторому снижению уровня верхней границы, оставляя неизменной нижнюю границу. Нижняя и верхняя границы коридора являются результатом отображения, приобретаемой в процессе взаимодействия, равновесной шероховатости трибоконтактов.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Улитина, Анна Вячеславовна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Шероховатость обработанных поверхностей определяется, как информационными процессами взаимодействия двух поверхностей обрабатываемой и производящей (инструментальной), так и трибоконтактными процессами и деформационными превращениями срезаемых слоев в стружку. Первая составляющая является предсказуемой. Она может быть рассчитана до выполнения операции. Вторая — формируется в процессе выполнения операций, является зависимой от функционирования системы резания (системозависимой или интегративной) и в основном определяется процессами самоприспосабливаемости трибоконтактов, заканчивающихся образованием вторичной переходной пластически деформированной зоной. Квазистабильные поверхности этой зоны частично или полностью заменяют переднюю и задние поверхности инструмента и, как следствие, изменяют геометрию и микрогеометрию формообразующих кромок. Это явление при резании имеет место на всем диапазоне изменения условий обработки, отличаясь лишь масштабом. Степень влияния самоприспосабливаемости трибоконтактов на шероховатость поверхности при обработке металлов резанием зависит от выбранных режимов обработки. При чистовых и получистовых режимах этот фактор оказывает превалирующее значение. Это выражается в существенном превышении уровня шероховатости над расчетным значением.

2. Влияние самоприспосабливаемости трибоконтактов на шероховатость поверхности при обработке резанием в значительной степени зависит от условий контактного взаимодействия, главным образом от скорости резания и СОТС. Это позволило выбрать в качестве основы для модели процесса формирования шероховатости экстремальную зависимость шероховатости от скорости резания. Описание экстремальной зависимости шероховатости от скорости резания и внешних сред выполнено при помощи логистических зависимостей. Логистические зависимости подчиняются закону роста (убывания) с насыщением. Важное для исследования процесса формирования шероховатости свойство логистических зависимостей это информация о пределах, с которых они стартуют и к которым стремятся, причем в явном виде — в виде параметров модели.

3. Математическая модель процесса формирования шероховатости на основе зависимости шероховатости от скорости резания и внешней среды представлена разрывной функцией из двух логистических зависимостей: возрастающей до скорости VM (максимального значения шероховатости в зоне наростообразования) и убывающей после скорости VM. При резании в вакууме шероховатость описывается одной убывающей логистической зависимостью на всем диапазоне изменения скоростей резания. Логистический анализ отдельно левых и правых ветвей экспериментальных зависимостей полученных ранее в HI ТУ позволил утверждать, что в основном логистики и справа, и слева адекватно описывают их. Для 116 логистик коэффициент детерминации составил от 0,90 до 0,99. При логистическом анализе этих экспериментальных данных с использованием предложенной модели показатель адекватности еще более высокий, коэффициент детерминации составил от 0,97 до 0,99.

4. Математическая модель процесса формирования шероховатости при обработке резанием представлена в виде: ai+7T-1-°п -\ "Р*У*Уи

Ra{V) = | ехР(~ ' 0°g(r) - аА )

--^-г npuV>VM 1 + ехр(- Ь3 • (log(F) - 64 ) F " при резании на воздухе: аг =2-6, =ехр(7,2*5), при резании с СОЖ: а, =6, =0.5-exp(7.2«<S), где, ahbi - параметры модели; параметры Д/(/=2,з,4)> ^/(/=2,3,4) выбираются для конкретного обрабатываемого материала и внешней среды (см. табл. 4.2) и инвариантны к другим условиям резания. Модель позволяет и вторую составляющую (случайную) перевести в ранг расчетной. Модель может быть основой для алгоритма расчета шероховатости при проектировании чистовых и получистовых операций технологических процессов обработки резанием.

5. Значения параметров модели at и bi представляют собой нижнюю границу коридора значений шероховатости. Их значения равны между собой для всех внешних сред, кроме воздуха и масляных. Шероховатости меньше з.\ и bi при резании лезвийными инструментами пока не представляется возможным реализовать и это, по-видимому, связано с особыми свойствами всех поликристаллических материалов. Содержательно параметры модели а\ и Ъ\ — это ограничение возможностей достижения средствами процесса резания необходимого уровня шероховатости, все более и более ужесточаемого запросами технологии. Также, это описание равновесной шероховатости, которая формируется в процессе и им определяется.

6. Сумма параметров ai+ а2 и bj+ Ъг представляет собой верхнюю границу коридора значений шероховатости. Она практически не зависит от свойств обрабатываемых и инструментальных материалов. С увеличением активности внешней среды значения aj+ а2 и bi+ b2 постепенно уменьшаются. Верхняя граница коридора определяет предельное развитие очага деформации и, как следствие, максимально возможную шероховатость. Достигается она только при резании в глубоком вакууме: сумма параметров bi+ b2. В реальных условиях эта граница является мнимой (расчетной), предсказываемой моделью как суммой параметров ai+ а2, так и bi+ Ъ2.

7. Исследования шероховатости обработанных поверхностей позволяют сделать предположение и получить косвенное подтверждение о том, что процесс формирования шероховатости определяется и сопровождается интенсивными деформациями по схеме сжатия и сдвига. Они захватывают зону стружкообразования и трибоконтакты передней и задней поверхностей со стружкой и обрабатываемой поверхностью. Деформации достигают глубин от 2,5 .5 мкм до 25 .40 мкм, и шероховатость становится зависимой от напряженно-деформированного состояния, кинематики деформируемых зон и деформационных связей, а также от зарождения, роста и разрушения переходных зон на трибоконтактах. Следствием этого является так называемая равновесная шероховатость трибоконтактных поверхностей, формируемая в процессе и зависимая от него, которая преобразуется в шероховатость обработанной поверхности. Это может быть одной из главных причин свойства инвариантности многих параметров математической модели от условий реализации процесса резания.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Улитина, Анна Вячеславовна, 2004 год

1. Афифи А., Эйзен С. Статистический анализ: Подход с использованием ЭВМ. Пер. с анг. - М.: Мир, 1982. - 488 е., ил.

2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. — М.: Мир, 1974.-392 с.

3. Бендат Дж., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа. М.: Мир, 1983. - 312 с.

4. Беспрозванный И.М. Основы теории резания металлов. — М.: Машгиз, 1948.-392 с.

5. Боровиков В. STATISTICA. Искусство анализа данных на компьютере: Для профессионалов. 2-е изд. (+CD). — СПб.: Питер, 2003. — 688 е.: ил.

6. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. — 13-е изд., исправленное. — М.: Наука, Гл. Ред. физ.-мат. лит., 1986. —544 с.

7. Варфоломеев С. Д., Калюжный С. В. Биотехнология: Кинетические основы микробиологических процессов: Учеб. Пособие для биол. и хим. спец. Вузов. М.: Высшая школа, 1990. — 296 е.: ил.

8. Веников В. А., Веников Г. В. Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики): Учебник для вузов по спец. «Кибернетика электр. систем». — 3-е изд., переаб. И доп. — М.: Высшая школа, 1984.-439 е., ил.

9. Вершинин О. Е. Компьютер для менеджера: Учеб. Пособие для экон. спец. вузов. — М.: Высшая школа, 1990. — 240 е.: ил.

10. Витенберг Ю. Р. Исследование шероховатости поверхности после точения с помощью корреляционных функций // Станки и инструмент, №2, 1970.

11. Гайдышев И. Анализ и обработка данных: специальный справочник — СПб: Питер, 2001. 752 е.: ил.

12. Дальский А.М. Технологическое обеспечение надежности высокоточных деталей машин. М.: Машиностроение, 1975. - 223 с.

13. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.: Машиностроение, 1981.-244с.

14. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ: В 2-х книгах, кн.1. — М.: Финансы и статистика, 1986. 366 е., кн. 2 — М. Финансы и статистика, 1987. — 351 с.

15. Дунин-Барковский И. В., Карташова А. Н. Измерения и анализ шероховатости, волнистости и некруглости поверхности. — М.: Машиностроение, 1978, —232 е., ил.

16. Дьяконов В. П., Абраменкова И. В. MATLAB. Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник. — СПб.: Питер, 2002. — 608 е.: ил.

17. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник. — СПб.: Питер, 2001. — 480 е.: ил.

18. Дьяченко П.Е. Исследование зависимости микрогеометрии поверхности от условий механической обработки. — M.-JL: АН СССР, 1949. — 126 с.

19. Дьяченко П.Е., Якобсон М.О. Качество поверхности при обработке металлов резанием. М.: Машгиз, 1951. — 208 с.

20. Исаев А.И. Микрогеометрия поверхности при токарной обработке. М.: АН СССР, 1950. 106 с.

21. Исаев А. И. Процесс образования поверхностного слоя при обработке металлов резанием М.: Государственное научно-техническое из-во машиностроительной литературы, 1950. — 358 с.

22. Иозайтис В. С., Львов Ю. А. Экономико-математическое моделирование производственных систем: Учебн. Пособие для инженерно-экономич. спец. вузов. —М.: Высшая школа, 1991. — 192 е.: ил.

23. Кожина Т. Д. Расчетное определение параметров шероховатости обработанной поверхности. В сб. «Повышение качества деталей в машиностроении технологическими методами». Рыбинск, 1980, с.с. 15-18.

24. Кожина Т. Д. Технологическое обеспечение эксплуатационных показателей тяжелонагруженных деталей газотурбинных двигателей и деталей общего машиностроения/ под общей редакцией Безъязычного В. Ф./ -Рыбинск: РГАТА, ОАО «Формат», 1999,42 с.

25. Козлов В.А. Температурно-силовые характеристики процесса резания и их теоретико-экспериментальное определение: Монография / РГАТА. Рыбинск, 1998. - Часть 1, 2 - 454 с.

26. Колесников Ю. В., Морозов Е. М. Механика контактного разрушения. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. — 224 с.

27. Колмогоров В. Л. Механика обработки металлов давлением. Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1986. 688 с.

28. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение. 1967. 360 с.

29. Кулаичев А. П. Компьютерный контроль процессов и анализ сигналов. — М.: Информатика и компьютеры, 2002. — 291 е., ил.

30. Кулаичев А. П. Методы и средства анализа данных в среде Windows. STADIA 6.0. — М.: Информатика и компьютеры, 1996. — 257 е., ил.

31. Левин А. А. Дайджест книги Р. Фостера «Обновление производства: атакующие выигрывают»// Приборы и системы управления, №4, 1991, с.с. 1-5; №5,1991, с.с. 1-2

32. Лукьянов В. С., Рудзит Я. А. Параметры шероховатости поверхности. М.: Издательство стандартов, 1979. — 162 с. ил.

33. Макаров А. Д. Оптимизация процессов резания. — М.: Машиностроение, 1976. 278 с.

34. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. В 2-х томах. — Пер. с франц. — М.: Мир, 1983.-Т.1 312с., т.2 256с.

35. Макушок Е. М., Калиновская Т. В., Белый А. В., Массоперенос в процессах трения. Мн., «Наука и техника», 1978,272 с.

36. Макушок Е. М. Механика трения, Минск, «Наука и техника», 1974,256 с.

37. Макушок Е. М., Белый А. В., Дмитрович Д. И., Калиновская Т. В., Красневский С. М., Масаковская А. С. Инженерная теория пластичности/ Под ред. Беляева В. И. Мн.: «Наука и техника, 1985. - 288 с.

38. Маталин А.А. Технология машиностроения: Учебник для машиностроительных вузов по специальности «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты».- Л.: Машиностроение, Ленинградское отд-ние, 1985.-496 е., ил.

39. Маталин А. А. Технология механической обработки. Л.: Машиностроение. 1977.460 с.

40. Мороз Л. С. Механика и физика деформаций и разрушения материалов. — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. — 224 е., ил.

41. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. — Л.: Энергоатомиздат. Лениградск. отд-ние, 1985. 248 е., ил.

42. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей/ В. Ф. Безъязычный, Т. Д. Кожина, А. В. Константинов и др. М.: Изд-во МАИ, 1993. — 184 с.

43. Пуш В. Э., Кочинев Н. А., Хачатрян А. X. Формообразование поверхности при точении с учетом относительных колебаний заготовки и инструмента // Станки и инструмент, 1991, № 7, с.с. 28-30.

44. Рабинович Э. Е. Шероховатость поверхности при скоростном внутреннем протягивании стали 18ХГТ // Станки и инструмент, 1980, № 12, с.с. 30-31.

45. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М.: Машиностроение. 1981. 278 с.

46. РТМ 24.004.129-78. Шероховатость поверхности. Технологическое обеспечение. М.: ЦНИИТЭИТЯЖМАШ. 1979.45 с.

47. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Федоров В.П. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. М.: Машиностроение, 1979.-176 с.

48. Сато Ю. Обработка сигналов. Первое знакомство./ Пер. с яп.; под ред Ёсифуми Амэмия. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2002. — 176 е.: ил.

49. Силин С. С. Метод подобия при резании материалов. — М.: Машиностроение, 1979. — 152 с.

50. Силин С. С., Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д. Обеспечение точности технологического процесса механической обработки. Уч. пособие, Ярославль, 1979-56 с.

51. Скуднов В. А. Предельные пластические деформации металлов. М.: «Металлургия», 1989.176 с.

52. Славин М. Б. Методы системного анализа в медицинских исследованиях. — М.: Медицина, 1989. — 302 с.

53. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием: Справочник/Под общей ред. С.Г. Энтелиса, Э.М. Берлинера. М.: Машиностроение, 1995.496 е., ил.

54. Сорокин В. М., Улитина А. В. Самоорганизация фрикционных контактов при обработке лезвийным инструментом // Динамика технологических систем: Труды VI Международной научно-технической конференции. Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2001 — с. 100-104.

55. Справочник технолога-машиностроителя. В 2 т. Т1 / Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. М.: Машиностроение. 1972.695 с.

56. Суслов А. Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей — М.г Машиностроение, 1987. 208 е.: ил.

57. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров шероховатости поверхностей деталей машин при обработке лезвийным инструментом // Вестник машиностроение. 1988. №1 С.40-42.

58. Суслов А.Г. Нормирование параметров шероховатости поверхностей деталей машин по ГОСТ 2789-73 // Вестник машиностроения. 1984. № 8. С.5-7.

59. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. — М.: Машиностроение, 2000. 320с.

60. Технологические свойства новых СОЖ для обработки резанием/ Под ред. М. И. Клушина. М. Машиностроение, 1979, 192 с.

61. Тихонов А. Н., В. Д. Кальнер, Гласко В. Б. Математическое моделирование технологических процессов и метод обратных задач в машиностроении. М.: Машиностроение, 1990. — 264 с.

62. Тревис Дж. LabVIEW для всех/ Джеффри Тревис: Пер. с англ. Клушин Н. А. М.: ДМК Пресс; Прибор Комплект, 2004. - 544 е.: ил.

63. Трент Е. М. Резание металлов/ Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1980,263 с.

64. Трофимов В. И., Осадченко В. А. Шероховатость поверхности тонких металлических пленок// Поверхность. Физика, химия, механика. №9, 1987, с.с. 5-26.

65. Тюрин Ю. Н, Макаров А. А. Статистический анализ данных на компьютере. М.: ИНФРА - М, 1999. - 528 с.

66. Хусу А. П., Витенберг Ю. Р., Пальмов В. А. Шероховатость поверхностей. Теоретико-вероятностный подход. — М.: Наука, 1975ю — 344 с.

67. Maeda Y., Fujino D., Yamamoto A., Convenient estimation of machined surface profiles in cylindrical turning/ Bull. Japan. Soc. of Press. Engg., 1987, Mar., vol. 21, № 1, p.p. 57-59.

68. Marquardt, D. W. An Algorithm for Least-Squares Estimation of Nonlinear Parameters, Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics 2, 1963, p.p. 431-441.

69. Meyer, P. S., Ausubel, J. H. Carrying Capacity: A Model with Logistically Varying Limits. Technological Forecasting and Social Change, 61(3), 1999, p.p. 209-214.

70. Meyer, P. S., Yung, J. W., and Ausubel, J. H. A Primer on Logistic Growth and Substitution: The Mathematics of the Loglet Lab Software, Technological Forecasting and Social Change, 61(3), 1999, p.p. 247-271.

71. Meyer, P. S. Bi Logistic Growth. Technological Forecasting and Social Change, 47,1994, p.p. 89-102.

72. H.J. Motulsky, A. Christopoulos, Fitting models to biological data using linear and nonlinear regression. A practical guide to curve fitting. 2003, GraphPad Software Inc, San Diego CA, www.graphpad.com

73. Wright P. K., Thangari A. Correlation of tool wear mechanisms with new slipline fields for cutting. "Wear", 1982, 75, № 1, p.p. 105 122.