автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему: Повышение эффективности высокоскоростной механической обработки при фрезеровании
Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности высокоскоростной механической обработки при фрезеровании"
На правах рукописи
САБЛИН Павел Алексеевич
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ
Специальность 05 03 01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (ГОУВПО «КнАГТУ») на кафедре «Технология машиностроения»
заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Кабалдин Юрий Георгиевич
доктор технических наук, профессор Давыдов Владимир Михайлович
кандидат технических наук Дунаевский Юрий Владимирович
Институт машиноведения и металлургии Дальневосточного отделения Российской академии наук г Комсомольск-на-Амуре
Защита диссертации состоится «15» мая 2008 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212 092 01 в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете по адресу 681013, г Комсомольск-на-Амуре, пр Ленина, д. 27, ауд 201-3, Факс 8-(4217)-54-08-87, E-mail: mdsov@,knastu ru
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по указанному адресу
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета
Автореферат разослан «14» апреля 2008 г
Ученый секретарь диссертационного совета, к т н, доцент
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Повышение эффективности высокоскоростной обработки (ВСО) требует углубленного изучения физических явлений, сопровождающих процесс резания Основными отличиями ВСО от традиционной механической обработки с физической точки зрения являются - преобладание быстротекущих динамических процессов, как в зоне резания, так и в упругой системе станка (УСС) и ярко выраженная нелинейность законов развития этих процессов
Для условий ВСО перестают быть адекватными линейные, либо слабонелинейные математические модели, хорошо зарекомендовавшие себя на малых и средних скоростях резания, и становятся неэффективными большое количество методов оценки состояния динамической системы станка.
Кроме того, высокая скорость процессов пластической деформации и тепловых процессов при ВСО в совокупности с существенной нелинейностью зависимости силы резания от толщины среза и скорости резания приводят к возникновению хаотического состояния динамической системы, вследствие чего динамическая система станка становится очень чувствительной даже к незначительным внешним возмущениям Например, небольшие колебания припуска заготовки в процессе резания приводят к значительным искажениям траектории формообразования и как следствие снижению качества обрабатываемой поверхности
В этой связи, исследование физических явлений, сопровождающих процесс ВСО, и установление их взаимосвязи с устойчивостью процесса резания и качеством обработанной поверхности является актуальной задачей современного машиностроения
Целью работы является повышение эффективности высокоскоростного фрезерования на основе исследования динамических, силовых и тепловых процессов при ВСО
Для реализации цели работы поставлены следующие задачи:
- исследовать динамику процесса высокоскоростного фрезерования на основе силовых и температурных измерений,
- провести экспериментальные исследования, раскрывающие особенности протекания тепловых процессов при высокоскоростном фрезеровании;
- разработать математическую модель, характеризующую устойчивость динамической системы резания;
- разработать пути повышения эффективности высокоскоростного фрезерования.
Научная новизна работы состоит в том, что
- исследована динамика сил резания и температурные условия ВСО Показано, что в зоне резания температура может достигать температуры плавления;
- предложена математическая модель динамики процесса резания в виде нелинейного осциллятора, позволившая изучить механизмы возникновения динамической неустойчивости и детерминированного хаоса при ВСО,
- предложен метод оптической диагностики тепловых процессов при высокоскоростном фрезеровании, основанный на использовании современных цифровых фототехнологий и применении аппаратных нейронных сетей
Метод исследования сочетает теоретический анализ и физический эксперимент В теоретических исследованиях применялись методы технологии машиностроения, станковедения, методы теории колебаний, теории нелинейных колебаний и волн, теории хаоса, теории фракталов и теоретической нелинейной динамики В отдельных исследованиях использовались методы оптической пирометрии, цифровой регистрации и обработки фотоизображений и нейронносетевые технологии Производственно-экспериментальные исследования проводились по разработанным методикам с помощью прямых и косвенных измерений для токарной и фрезерной операций Практическая ценность работы состоит в следующем
- разработаны рекомендации по повышению устойчивости процесса высокоскоростного фрезерования;
- разработаны рекомендации по улучшению качества обработанной поверхности путем исключения неустойчивых режимов резания, характеризующихся ростом температуры в зоне обработки,
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях студентов и аспирантов, г Комсомольск-на-Амуре, 2006-2007 г Результаты работы докладывалась на расширенных заседаниях кафедры «Технология машиностроения» КнАГТУ (2005-2008 гг.)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 1 в издании, рекомендованном ВАК РФ
Структура и объем работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений Диссертация изложена на 141 странице и включает 65 рисунков и 4 таблицы Библиографический список охватывает 109 литературных источников
Автор выражает искреннюю благодарность доктору технических наук, доценту Биленко Сергею Владимировичу за постоянную поддержку и помощь в работе над диссертацией, а также выражает благодарность коллективу кафедры «Технология машиностроения» за помощь в проведении исследований
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, отмечена ее научная новизна и практическая ценность
В первой главе проведен аналитический обзор научной литературы, посвященный проблемам высокоскоростной обработки Проанализированы преимущества высокоскоростного фрезерования перед традиционными методами механообработки, зависимости сил резания и распределения тепла в зоне обработки от скорости резания, устойчивость динамической системы при высокоскоростном фрезеровании, а также математические методы оценки устойчивости динамических систем
Показано, что исследованию процессов обработки металлов резанием посвящено большое количество работ как российских, так и зарубежных ученых, среди которых В Ф Бобров, А М Даниелян, Н Н Зорев, М И Клу-шин, Т Н Лоладзе, А Н Резников, Н В Талантов и ряд других авторов
Большой вклад в исследование динамических процессов при механической обработке внес В А Кудинов Ряд понятий, введенных им при разработке этого научного направления, в настоящее время является общепризнанным Крупный вклад в решение проблемы управления динамической устойчивости процессов механической обработки внесли Б М Бржозовский, И Г. Жарков, В Л Заковоротный, ЮГ. Кабалдин, С.С. Кедров, А В Кудинов, М Л Орликов, А В. Пуш
Отмечено, что в большинстве опубликованных на сегодняшний момент исследовательских работ, резание рассматривается как непрерывный в масштабе времени эксперимента стационарный процесс Поэтому предложенные в данных работах модели, отражающие различные аспекты процесса резания адекватны только для технологических операций непрерывного резания, таких как точение, сверление, волочение и т д Для обработки фрезерованием, данные модели можно использовать только при условии введения существенных динамических поправок, учитывающих прерывистый характер резания Причем эти поправки практически не затрагивают такой важный с позиций обеспечения эффективности высокоскоростного фрезерования фактор, как динамическая устойчивость процесса прерывистого резания
Таким образом, для обеспечения эффективности высокоскоростного фрезерования необходимо более глубокое изучение динамики процесса прерывистого резания при ВСО, а также разработка новых динамических моделей, позволяющих проводить оценку устойчивости как процесса ВСО в целом, так и отдельных его рабочих процессов (силовых, тепловых и т д )
Во второй главе изложены методы экспериментальных исследований Представлены технические характеристики используемого технологического оборудования, измерительных преобразователей (датчиков) и аппаратуры для наблюдения и записи результатов измерения Рассмотрены применяемые методы устранения шумов в измеряемых сигналах
В процессе экспериментальных исследований изучались динамика процесса прерывистого резания, силы резания и температура в зоне обработки при высокоскоростном фрезеровании жаропрочных и закаленных сталей, а также титановых сплавов
Эксперименты проводились на вертикально-фрезерном станке 6М12П и высокоскоростном малогабаритным фрезерном станке с ЧПУ «Снайпер-9» 2004 года выпуска Станок 6М12П оснащен коробкой скоростей, способной развивать частоту вращения шпинделя до 1600 мин"1, что позволило добиться скорости резания 1000 м/мин Данный станок обладает жесткостью, позволяющей обрабатывать на нем детали из закаленных сталей и титановых сплавов Станок «Снайпер-9» оснащен высокоскоростным электрическим шпинделем, позволяющим развивать скорость вращения до 26 тыс мин"1 (максимальная скорость резания 650 м/мин при диаметре инструмента 8 мм) Точность позиционирования (повторения) по осям X, Г и 2 составляет ±0,02 мм Усилия, производимые приводами подач, позволяют производить высоко-
скоростную обработку любых конструкционных материалов, вплоть до закаленных сталей с параметрами твердости HRC 55 Станок оснащен системой ЧПУ, выполненной на базе промышленного компьютера с предустановленной операционной системой реального времени QNX
Составляющие сил резания при фрезеровании измерялись четырехко-ординатным динамометром СУР-600 Конструкция динамометра позволяет использовать его вместо станочного приспособления для закрепления в нем детали при фрезеровании Сигнал, поступающий с динамометра, усиливался при помощи полупроводникового тензоусилителя Топаз-3
Измеряемые величины фиксировались с помощью прецизионного че-тырехканального цифрового осциллографа «Adlink NuDAQ РС1-9812» 2002 года выпуска Осциллограф выполнен в виде модуля расширения для персональной ЭВМ В измерительной части осциллографа используется 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь, что позволяет снизить уровень погрешностей квантования до 0,025% Максимальная частота преобразования составляет 20 МГц, максимальная длина осциллограммы - 6,7 107 отсчетов
Наряду с анализом сил резания, проводилось изучения тепловых процессов, протекающих в зоне резания. Известно, что изменение температуры при прерывистом резании представляет серьезную задачу, особенно при ВСО Поэтому нами проводились как экспериментальные исследования по оригинальной методике, так и теоретические расчеты Для измерения температуры стружки и инструмента использовался метод оптической пирометрии Такой выбор обоснован тем, что высокоскоростная обработка металлов в подавляющем большинстве производится без применения СОЖ, поэтому в зоне резания отсутствуют пары и конденсат, которые очень затрудняют применение методов оптической диагностики при традиционной металлообработке Кроме того, ВСО характеризуется образованием мелкой хорошо сегментированной стружки, часть из которой сгорает сразу же после отделения от заготовки, а остальная дробится на элементы малой массы, следовательно, вероятность повреждения оптических датчиков стружкой чрезвычайно мала
В качестве метода оптического измерения температуры использовалась цветовая пирометрия, основанная на определении отношения яркостей b в двух областях спектра
где 7ц - цветовая температура, в качестве bt и Ь2 - яркости излучений, XhX2-длины волн излучений. Истинная температура Т тела определяется по формуле
где е(Х,Т) - излучательная способность тела на длине волны X при температуре Т Цветовую пирометрию обычно проводят с помощью специальных фотоэлектронных измерительных приборов Единственной причиной по которой фотоэлектронные цветовые пирометры не нашли пока широкого промышленного применения является сложность их конструкции и дороговизна
Однако наблюдающийся в последние годы бурный рост развития цифровых фото- и видеотехнологий открывает новые перспективы для создания компактных и недорогих цветовых пирометров.
В настоящее время цифровые фотоэлектронные матрицы с зарядовой связью (ПЗС) достаточно дешевы, а между тем каждая такая ПЗС-матрица содержит все необходимые компоненты для осуществления цветовой пиро-Митпышь, метрии (рис. 1). Основой ПЗС-матрицы яв-
ГСтг^^С*! у""*"""^ ляется массив фотодиодов, регулярно рас-
Фотодиоды положенных на подложке. Каждый фотодиод оснащен микролинзои, фокусирующей на него свет, получаемый через определенную область объектива. Так как фотодиоды яв--¿¿-ц-^ЧУ-1 ляются монохромными устройствами, то
Рис. I. Устройство ПЗС-матрицы есть воспринимают только яркость Ь падающего света, но не длину X его волны, то между микролинзами и фотодиодами расположены цветовые фильтры. Распределение таких светофильтров по поверхности ПЗС-матрицы может быть различным, но чаще всего применяется байеровский цветовой фильтр (рис. 2а).
Рис. 2. Схема расположения цветов на байеровском мозаичном цветовом
фильтре (а): К - красный светофильтр, 3 - зеленый, С - синий. Схема нейронной сети для измерения температуры участка тела по яркост-ным сигналам четырех смежных фотодиодов ПЗС-матрицы (б)
Использование недорогих ПЗС-матриц позволяет создать эффективную тепловизионную систему оптической диагностики процесса высокоскоростного фрезерования. Для этого следует рассматривать ПЗС-матрицу как упорядоченный набор точечных оптических пирометров. Каждый такой пирометр состоит из четырех смежных фотодиодов, расположенных под ближайшими друг к другу красным, синим и двумя зелеными светофильтрами, (на рис. 2а показаны штриховыми границами) и способен определить температуру в отдельной точке проецируемого объекта. Если проградуировать сигналы, получаемые с четырех рассматриваемых фотодиодов в единицах яркости Ь, то мы получим возможность определить температуру Т точки проецируемого объекта пятью разными способами, попарно подставляя в формулы (I) и (2) соотношения Ьк/Ьс, ¿к^зь Ьк/Ьз2, ¿з/бс и Ь^Ьс, где Ьк, Ьс, бзь &32 - соответственно яркости излучения прошедшего через красный, синий и два зеле-
ных светофильтра, регистрируемого фотодиодами.
Однако практическое использование формул (1) и (2) затруднено в силу того, что излучательная способность s обрабатываемого материала и его температура Т являются взаимозависимыми параметрами. Кроме того, изменение г с повышением Т имеет необратимый характер, так как блестящая поверхность нагретой стружки быстро покрывается тончайшей пленкой окислов, окрашенной в цвет побежалости. Поэтому для определения температуры Т была использована обученная на экспериментальных данных нейронная сеть (рис. 26).
Для проверки вышеприведенной методики был создан экспериментальный стенд оптической диагностики процесса высокоскоростного фрезерования. В качестве оптического датчика использовался профессиональный цифровой фотоаппарат «Sony DSC-F828», установленный на штативе рядом с фрезерным станком. Этот аппарат поддерживает RAW-формат хранения изображений (т.е. изображения, снятые непосредственно с ПЗС-матрицы, без последующей их фильтрации и адаптации под особенности человеческого зрения). Фиксируемые фотоаппаратом изображения в режиме реального времени передавались по USB-кабелю на ЭВМ, где производилась их обработка при помощи разработанного оригинального программного обеспечения «Pi-roHSM».
813'С 786 "С 758 "С 731 "С 704 "С S7$"C 649 "С 622 "С 594 "С 567-С 540 X 512 "С !<в5"С