Повышение эффективности механообработки высокотехнологичных деталей

Многими учёными, научными школами, предприятиями проводятся исследования и накоплен большой опыт по повышению эффективности процессов резания. Вместе с тем, применение этого опыта в современных производственных условиях часто не даёт ожидаемого результата.

Отсутствие полной информации о применении различных способов интенсификации при конкретных условиях выполнения операции механической обработки не позволяет объективно оценивать эффективность процессов в новых условия обработки по известным критериям производительности, себестоимости и качества.

Приведённые в технической литературе данные исследований наиболее применяемых на практике способов обобщены в таблице 1. Из анализа перечисленных способов создается впечатление о противоположном физическом воздействии на процесс некоторых способов, таких как «предварительный нагрев» и «охлаждение СОТС», «наложение вибраций» и «демпфирование вибраций». Так, например, эффективность воздействия на процесс резания способа нагрева зоны резания заключается в предварительном нагреве зоны обрабатываемой заготовки перед движущимся резцом с целью снижения механических свойств обрабатываемого материала. Однако очевидно, что при этом нагреваются контактные поверхности инструмента, что оказывает негативное влияние на его износостойкость. Этот способ позволяет повысить режимы резания, но применения из-за сложности технической реализации он практически не получил. В то же время в производстве широко используются различные СОТС, назначение которых — снизить температуру и силы трения на поверхностях контакта инструмента с обрабатываемым материалом. Но в то же время, снижение температуры повышает механические свойства материала обрабатываемой заготовки. В результате создаются технологические условия для повышения стойкости инструмента и режимов резания.

Способы повышения эффективности обработки резанием

Способ Результаты воздействия
Применение смазочно­охлаждающих технологических средств увеличение срока службы инструмента в результате снижения мощности источника тепла при охлаждении, а также уменьшение адгезии и диффузии;

уменьшение работы резания за счёт снижения работы трения и деформации в результате смазывания;

вымывание с рабочих поверхностей инструмента продуктов износа инструмента, мелкой стружки и других отходов

Оптимизация режимов резания  удовлетворение заданных критериев производительности, себестоимости и качества за счёт повышения режимов резания, износостойкости инструмента, снижение напряжений и температур на обработанной поверхности
Применение высокоскоростной обработки увеличение производительности обработки;

достижение высокого качества обработанной поверхности

Совершенствование геометрии режущего инструмента возникновение в режущей пластине благоприятных сжимающих напряжений, необходимых для увеличе­ния хрупкой прочности режущей пластины;

улучшение шероховатости обработанной поверхности;

при определённых геометрических параметрах инструмента происходит уменьшение работы резания за счёт снижения работы трения и деформации

Увеличение износостойкости и прочности инструментального материала повышение твёрдости, прочности (износостойкости) и теплостойкости режущего клина, позволяющие увеличить режимы обработки и изменить геометрию инструмента на более благоприятную с точки зрения работы трения и деформации при резании
Нанесение на режущий инструмент износостойких покрытий возможность повышения скорости резания;

для инструментов из инструментальных сталей и твёрдых сплавов  повышение твёрдости контактных площадок инструмента и снижение их адгезионного взаимодействия с обрабатываемым материалом;

для инструментов из керамики и сверхтвёрдых материалов  «залечивание» поверхностных дефектов и торможение развития трещин, идущих из глубины пластины в направлении поверхности

Как известно из практики работы на металлорежущих станках и ряда исследований, вибрации, возникающие при обработке резанием до 5 раз снижают стойкость режущего инструмента при обработке заготовок из жаропрочных сплавов, что заставляет снижать режимы резания. Это может быть объяснено тем, что при колебаниях возникает дополнительное увеличение скорости резания и, как следствие, температуры, приводящее к увеличению интенсивности изнашивания инструмента.

На практике иногда используется и прямо противоположный способ интенсификации механической обработки — наложение вибраций.

Наложение колебаний на кинематическую схему резания эффективно только в том случае, если температура, возникающая при вибрационном резании с определённой частотой и амплитудой колебаний ниже, чем при стационарном режиме. Такой режим обеспечивается только при вынужденных заданных колебаниях или расчётными методами с дополнительной регулировкой упругих характеристик технологической системы.

Эффективность наложения на инструмент вынужденных ультразвуковых колебаний, снижающих силы трения и напряжения при пластическом деформировании обрабатываемого материала в зоне деформаций.

Наибольшее влияние на эффективность процесса резания оказывает выбор оптимальных режимов резания и конструкции режущего инструмента, включая его геометрию, инструментальный материал и упрочняющее покрытие.

При обработке ответственных деталей газотурбинных двигателей и газотурбинных установок наиболее важным критерием выбора режимов обработки и инструмента являются геометрические параметры качества обработанной поверхности и физические параметры качества приповерхностного слоя. Формирование этих параметров, согласно исследованиям В. Ф. Безъязычного, В. А. Горелова, Т. Д. Кожиной, С. С. Силина, В. К. Старкова зависит от геометрии изнашивающегося инструмента и режимов резания. Что касается параметров приповерхностного слоя (величины, глубины залегания и характера распределения остаточных напряжений, глубины и степени наклёпа и др.)» то они формируются в зависимости от температур и сил резания, возникающих на поверхностях инструмента, контактирующих с обработанной поверхностью детали.

Экономические критерии — себестоимость и производительность обработки деталей, исследовались многими учёными (А. С. Кондратовым, М. М. Тверским, Г. И. Темчиным и др.). Экономические расчёты эффективности процесса обработки резанием строились по эмпирическим зависимостям стойкости инструмента от режимов резания. На основе эмпирических зависимостей разработаны нормативы на режимы резания жаропрочных сплавов, выпущенные более двадцати пяти лет назад. На основе этих нормативов на режимы резания на ММПП «Салют» создана методика по расчёту нормативов трудовых затрат при обработке резанием и её программная версия САПР «Норма-НТ», используемая на многих предприятиях.

Важно отметить, что эмпирические зависимости стойкости от режимов резания имеют весьма ограниченный диапазон использования и применимы только для тех условий обработки резанием, при которых проводились испытания, и строилась эта зависимость.

Из приведённых примеров способов повышения эффективности и критериев оценки эффективности процессов механической обработки следует, что наиболее полная и объективная оценка эффективности процесса резания может быть проведена на основе анализа сил и температур на контактных поверхностях режущего инструмента, зависящих от режимов резания, интенсивности изнашивания и времени работы инструмента до установленных критериев отказа при различных условиях стационарного и переменного контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью заготовки.

Эффективность обработки деталей резанием существенно зависит от динамического поведения технологической системы «станок-приспособление-инструмент-деталь». Это подтверждается многочисленными исследованиями и практическим опытом технологов машиностроительных предприятий. Однако назначать наиболее эффективные режимы резания для конкретных технологических процессов мешает отсутствие количественных зависимостей между динамическими характеристиками технологической системы и изнашиванием инструмента. В наибольшей степени это сказывается на операциях механической обработки тонкостенных деталей из жаропрочных труднообрабатываемых материалов. В процессе токарной обработки таких деталей возникают повышенные силы резания и автоколебания технологической системы, приводящие к интенсивному изнашиванию, сколам и поломкам инструмента и, как следствие, к снижению производительности и качества обработки.

В производственных условиях для уменьшения колебаний технологической системы при обработке резанием зачастую снижают режимы резания, ограничивая тем самым производительность обработки.

Успешно решить проблему повышения эффективности резания при токарной обработке в указанных условиях возможно путём разработки динамической модели автоколебаний технологической системы с целью анализа условий их возбуждения и интенсивности, а также оценки их влияния на стойкость инструмента. Методика на основе такой модели позволяет уже на стадии технологической подготовки производства выбирать рациональные режимы резания в зависимости от различных динамических условий обработки заготовок на металлорежущих станках.

В методике для исследования инструмента разработана модель, учитывающая регенеративный механизм возбуждения колебаний при резании по следу поверхности, обработанной на предыдущем обороте заготовки. Динамические параметры технологической системы М, с, k и коэффициенты модели силы резания Кр идентифицировались эмпирическим путём. По полученным значениям М, с, k, Кр рассчитывались частотные характеристики колебаний технологической системы в процессе резания. Данная методика позволяет рассчитывать параметры колебаний режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности в зависимости от режимов резания, характеристик жёсткости технологической системы и свойств обрабатываемого материала.

Коэффициенты Кх, Кz модели сил резания определяются на базе экспериментов по прямоугольному свободному резанию обрабатываемого материала при точении специальных образцов трубчатой формы с постоянной глубиной резания. В процессе точения измеряют составляющие сил резания в направлении скорости резания Рz, и в направлении подачи Рх, при различных значениях подачи S0. В результате были определены коэффициенты модели сил резания:

КРх = 1,6 • 109 Н/мм2, Крz = 5,2 • 109 Н/мм2.

Для идентификации параметров М, с, k динамической модели технологической системы использовали метод, заключающийся в возбуждении тестируемой технологической системы с помощью виброударного молотка с последующим измерением возникающих вибраций. Полученные в результате измерений данные анализировали с помощью специальных программ обработки сигналов, которые используют Фурье-преобразование.

Полученные коэффициенты были использованы в расчётах перемещения Z режущей кромки инструмента на различных режимах резания. Пример полученной зависимости приведён на рисунке 1.

График изменения рассчитанных перемещений режущей кромки инструмента
График изменения рассчитанных перемещений Z режущей кромки инструмента по времени т при точении сплава ХН73МБТЮ на режиме резания τ = 1 мм, v = 20 м/мин, S0 = 0,1 мм/об

Экспериментальные данные для моделирования получены на диагностическом стенде, разработанном на базе токарного станка фирмы Jesco Machinery 1650ENC с ЧПУ системы Fagor 800TGI и укомплектованного трёхкомпонентным динамометром «9257 ВА», акселерометром «Kistler 8614А1000М1» с усилителем и фильтром сигнала «Kistler 5127В» и трёхкомпонентным акселерометром «ГлобалТест АР2043-50» с высокочастотным фильтром сигнала. В качестве универсального модуля сбора данных (УМСД) используется модуль USB3000 производства НПГ «R-Technology», который обеспечивает скорость до 3 миллионов преобразований в секунду.

Экспериментальная проверка адекватности полученной модели проводилась при продольном точении деталей типа нежёстких дисков из жаропрочного никелевого сплава ХН73МБТЮ. В качестве инструмента применялись токарные резцы, оснащённые твёрдым сплавом ВКЮХОМ. Изменяя жёсткость державки, варьировали динамические параметры конкретной технологической системы.

Как показали экспериментальные исследования, вибрации в процессе резания устанавливаются на стационарном режиме, так как есть и другие механизмы, вызывающие вибрации в процессе резания.

Результаты экспериментальных исследований подтвердили расчётные значения с достаточной точностью (рис. 2).

Рассчитанные по нелинейной модели и экспериментальные - результаты влияния на амплитуду колебаний
Рассчитанные по нелинейной Арас модели и экспериментальные — Аэксп результаты влияния на амплитуду колебаний: а — глубины резания; б — подачи.

Сравнение экспериментальных данных и расчётных зависимостей стойкости инструмента из твёрдого сплава ВКЮХОМ при обработке стали ХН73МБТЮ на режиме резания t = 1 мм, v = 28 м/мин, S0 = 0,12 мм/об при изменении жёсткости технологической системы представлено на рисунке 3.

Расчётная и экспериментальная зависимость стойкости инструмента для различной жёсткости технологической системы
Расчётная и экспериментальная зависимость стойкости инструмента для различной жёсткости технологической системы (ТС).

В результате выполненной работы подготовлены инженерные методики по оценке динамических характеристик технологической системы и определению эффективных режимов токарной обработки деталей из жаропрочных сплавов с учётом возбуждаемых вибраций.

Инженерная методика по оценке динамических характеристик технологической системы основана на возбуждении системы виброударным молотком с пьезоэлектрическим датчиком силы и измерении вибраций акселерометром.

Последующая обработка полученных данных осуществляется с помощью цифроаналоговых преобразователей и программного обеспечения, что позволяет провести амплитудно-частотный анализ с определением обобщённой массы ТС и коэффициентов жёсткости и демпфирования.

Методика по расчёту нормативов резания с учётом амплитудно-частотных параметров процесса обработки даёт возможность уточнить режимы резания для заданной стойкости инструмента, учитывая динамические параметры технологической системы, свойства обрабатываемого материала и термосиловые факторы процесса резания.

На базе этих методик разработаны нормативы режимов резания, обеспечивающие высокопроизводительную обработку деталей из жаропрочных сплавов на токарных станках с ЧПУ.

В настоящее время для получения профиля пера лопаток компрессора газотурбинных двигателей (ГТД) из жаропрочных сплавов широко используется строчечное фрезерование по контурам сечений на 5-координатных станках с ЧПУ радиусной частью концевой фрезы с малыми значениями ширины и глубины резания. Главной целью при окончательной обработке лопаток, как ответственных деталей, является достижение необходимых параметров качества обрабатываемой поверхности.

Одним из путей повышения эффективности фрезерования лопаток компрессоров газотурбинных двигателей является применение диагностирования состояния фрез в процессе обработки. Ожидаемым эффектом является снижение затрат на финишную обработку лопаток. Параметры качества лопатки (точность контуров сечений пера, шероховатость и прочностные свойства поверхностного слоя) существенно влияют на эксплуатационные свойства и надёжность лопаток и, соответственно, ГТД. Анализ взаимосвязей параметров качества обработки лопатки с её эксплуатационными показателями показывает, что задачу достижения необходимой параметрической надёжности детали можно решить путём диагностирования износа инструмента.

Обработка лопаток крупными сериями на 5-координатных станках с ЧПУ производится по отлаженному технологическому процессу. Тем не менее, не удаётся обеспечить заданное качество лопаток и другие показатели эффективности. Связано это с тем, что элементы технологической системы подвергаются в процессе обработки изнашиванию, тепловым, силовым и динамическим воздействиям, которые вызывают соответствующие изменения в станке, инструменте и приспособлении. Погрешности обработки от этих изменений добавляются к исходным погрешностям траектории формообразования и настройки станка. При достижении суммарной погрешности выше предельного значения возникает отказ технологической системы по параметрам качества.

Значения составляющих и суммарных погрешностей являются случайными величинами, функции их изменения также случайны, поэтому исключается возможность их компенсации по управляющей программе в процессе обработки.

Для предотвращения отказов по параметрам качества на станок устанавливают систему диагностирования и контроля процесса фрезерования в реальном времени. Она состоит из подсистем:

  • определения величины износа инструмента по одному из косвенных признаков;
  • принятия решений по результатам определения износа;
  • управления процессом обработки.

В результате обеспечивается автоматическое определение состояния фрезы и связанного с ней параметра качества, например шероховатости, и на основе полученных данных принимается решение по адаптивному управлению процессом обработки.

При фрезеровании лопаток основным видом отказа является волнистость обработанной поверхности с глубиной впадин свыше 0,2 мм, измеренной в направлении подачи. Она возникает вследствие вибраций от самовозбуждающихся колебаний заготовки из-за её недостаточной жёсткости, из-за нестабильности физико-химических свойств жаропрочных сплавов, а также из-за нестационарности самого процесса фрезерования.

Для обеспечения заданного качества поверхности лопаток необходимо выявить факторы, определяющие максимальную устойчивость фрезерования, а затем осуществлять контроль и диагностику состояния обрабатываемых поверхностей по выявленному критерию отказа на основе изучения информации о динамике процесса фрезерования.

Опыт создания измерительной аппаратуры для исследования параметров процесса строчечного фрезерования в МГТУ «Станкин» на кафедре «ВТО» показывает, что в экспериментальных исследованиях наиболее информативными физическими величинами и критериями оценки состояния процесса фрезерования являются:

  • сила резания (сопротивление разрушаемого слоя), которая определяется кинематикой перемещения инструмента в заготовке и имеет полосу частот 3 — 1500 Гц;
  • вибрация (виброускорение) упругих элементов технологической системы под действием сил резания с полосой частот 3 — 10000 Гц;
  • акустическая эмиссия (излучение волн упругой деформации в результате процессов трения, разрушения и пластического деформирования обрабатываемого материала и инструмента), которая фиксируется в полосе частот 30 — 1500 кГц.

Проводились экспериментальные исследования формы и спектра сигналов в процессе строчечного фрезерования заготовки из сплава ВТ20 концевой твердосплавной двухзубой фрезой диаметром 8 мм. Частота вращения 2100 об/мин (35 Гц), подача на зуб Sz = 0,07 мм, Woc = 1 мм, doc = 0,7 мм. Амплитуда акустической эмиссии (АЭ) измерялась в диапазоне частот от 60 до 1000 кГц с постоянной времени детектирования 0,5 мс. Зависимости сигналов амплитуды АЭ от времени и их спектры во временном и частотном масштабе приведены на рисунке 4.

Амплитуды сигналов акустической эмиссии и её частотный спектр
Амплитуды сигналов акустической эмиссии и её частотный спектр

При выборе косвенного признака качества поверхности лопаток осуществлён анализ различных параметров, который показал, что силы резания отражают только колебания нежёстких элементов технологической среды в области частот 500 Гц. Эти колебания проявляются в виде гармонической составляющей в моменты, когда отсутствует контакт инструмента с деталью.

Виброускорение также характеризует собственные колебания нежёстких элементов технологической среды в значительно большей степени, чем процесс взаимодействия зуба фрезы с заготовкой.

Поэтому для анализа быстропротекающих процессов, характеризующих длительность контакта зуба фрезы с заготовкой, целесообразно использовать измерение амплитуды сигнала акустической эмиссии (АЭ). Этот выбор определяется тем, что при отсутствии контакта инструмента с деталью амплитуда АЭ равно нулю, в то время как динамометр и акселерометр продолжают регистрировать колебания элементов технологической системы.

В результате в процессе фрезерования появляется достаточно надёжная регистрация сигналов АЭ, генерируемых в зоне резания, по которым можно определить фактическую длительность контакта зуба фрезы с заготовкой. Длительность этого контакта увеличивается с ростом износа режущей кромки, а износ, в свою очередь, из-за взаимосвязанного увеличения термосиловых проявлений приводит к ухудшению качества поверхности лопаток. Таким образом, диагностическим косвенным признаком качества обработанной поверхности лопаток можно считать фактическую длительность контакта зуба фрезы с заготовкой. Установив экспериментально взаимосвязь качества поверхности лопатки с величиной фактической длительности контакта каждого зуба фрезы и описав эту связь математической, можно заложить в систему управления станком алгоритм сравнения текущего значения длительности контакта с установленным предельным значением. Например, превышение текущего значения в 1,5 раза будет свидетельствовать о появлении волнистости с глубиной впадин свыше допустимой величины.

Диагностический подход позволяет на основании эксперимента осуществлять выбор режимов резания с учётом влияния данных условий обработки. Для выбора режимов при других условиях обработки резанием также необходимо проведение экспериментов.

Методы и средства диагностики можно разделить по функциональному назначению на два направления: контроль со стояния процесса структуро- и формообразования детали на автоматизированном оборудовании и оптимизация этого процесса с целью управления. Уровень активности исследований в области контроля процессов механической обработки и инструмента показывает, что основная деятельность разработчиков диагностических систем направлена на контроль износа инструмента или интенсивности его износа в любой текущий момент времени процесса обработки резанием.

Интенсивные исследования в области контроля станков и инструмента ведутся во всём мире: в США — НИСТ, национальная лаборатория Лоуренса в Ливерморе, Ок-Риджская национальная лаборатория, Мичиганский университет, Иллинойский университет, университет шт. Мэриленд, фирмы «Монтроникс», «Ингерсолл миллинг машин» и TPS, в Канаде — Национальный исследовательский совет Канады, университет британской Колумбии, университет Виктории и фирма «Мемекс электронике». В Европе в области контроля станков и инструмента имеют активные программы: в Германии RWTH Aachen, университет Пассау, институт Фраунгофера, фирмы «Роберт Бош», «Прометек», исследовательский институт WZL и Ганноверский лазерный центр; в Испании — фирмы «Текникер», «Соралюче», «Икерлан», «Данобат», «Идеко»; во Франции — фирмы Giat и Objectif; в Греции — фирмы «Грау» и «Эпсилон»; в Италии — фирмы «Фидия» и TXT; в Великобритании — Лидский, Бирмингемский и Ноттингемский университеты; в Швейцарии — фирмы «Кистлер Инструменте» и «Гиндель Гире»; в Венгрии — Венгерская академия наук. В Японии активные программы имеют следующие организации: университет Нагойи, университет Кобе, университет Кейо, исследовательский центр материалов фирмы «Мицубиси», компания «Хитачи сейки машин тул» и фирма NTN.

Очевидно, что эффективность диагностики в основном определяется информативностью используемых диагностических признаков, их зависимостью от условий обработки. Традиционно для диагностики процесса резания применялись его статические температурно-силовые параметры, в большинстве случаев недостаточно информативные. Последнее время и у нас в стране, и за рубежом, всё большее внимание специалистов привлекает диагностика механической обработки на основе анализа высокочастотных динамических явлений различной физической природы:

  • электромагнитного излучения (ЭМИ);
  • экзоэлектронной эмиссии (ЭЭЭ).

В качестве информативных диагностических признаков эмиссионные процессы обычно используют амплитудные, частотные и другие энергетические параметры, связанные с волновым излучением.

В настоящее время метод измерения сигналов АЭ получил наибольшее развитие и применение. По сравнению с ним диагностические возможности других эмиссионных процессов применительно к решению технологических задач раскрыты существенно меньше. Метод измерения сигналов АЭ основан на явлении генерации в твёрдом теле волн упругой деформации частотой 50-100 кГц при локальном динамическом изменении полей механических напряжений, обусловленном развитием дефектов, например, зарождением и ростом трещин, фазовыми превращениями и другими быстропротекающими процессами.

Простота установки датчика на станке и возможность метода измерения сигналов АЭ регистрировать одновременно все энергоёмкие физические процессы, происходящие в зоне резания, в том числе износ инструмента, постоянно привлекала исследователей как в нашей стране, так и за рубежом. Однако трудности, связанные с защитой принимаемого сигнала от случайных помех, с выделением параметров АЭ, генерируемых износом инструмента по задней грани и т.д., до недавнего времени сдерживали развитие метода измерения сигналов АЭ.

Интерес к колебаниям при резании в более высоком частотном диапазоне появился в 80-е годы прошлого века в связи с проблемами автоматического контроля процесса резания на станках с ЧПУ, встраиваемых в ГПС.

Более перспективным для выбора оптимальных режимов резания представляется использование теоретического размерного анализа и теории подобия. Этот метод, который базируется на обобщении опыта операторов станков с ЧПУ, должен получить развитие путём создания системы автоматической обработки статистической информации о состоянии инструмента во взаимосвязи с его параметрами, заложенными на стадиях проектирования и изготовлении.