автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение эффективности механической обработки на основе оценки качества применения металлорежущего инструмента

На правах рукописи

Остапенко Мария Сергеевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование

механической и физико-технической обработки

Специальность 05.02.23 - Стандартизация и управление качеством продукции

2 8 НОЯ 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005540887

Тюмень - 2013

005540887

Работа выполнена на кафедре «Станки и инструменты» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Артамонов Евгений Владимирович

Официальные оппоненты: Моргунов Анатолий Павлович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет», заведующий кафедрой технологии машиностроения

Щипаное Владимир Викторович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет», профессор кафедры «Менеджмент организации»

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский

государственный университет» (национальный исследовательский университет), г. Челябинск

Защита состоится 24 декабря 2013 г. в 11-00 час. на заседании диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.273.09 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского 38, зал имени А.Н. Косухина.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре при ТюмГНГУ по адресу: 625039, г.Тюмень, ул. Мельникайте, 72.

Автореферат разослан « 22 »ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

' И- А- Венедиктова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации. Эффективность машиностроительного производства во многом определяется использованием прогрессивных металлорежущих инструментов, к которым относятся сборные инструменты со сменными многогранными пластинами (СМП) из инструментальных твердых сплавов (ИТС). Однако как показывает производственная статистика, на долю отказов инструментов с СМП из ИТС в результате разрушения пластин приходится 65-80% представленному на рисунках 1, 2. В основном это связано с неправильным выбором инструмента и режимов резания, то есть с неэффективным применением сборных инструментов, что, в свою очередь, приводит к низкой эффективности механической обработки.

Рисунок 1- Характерные виды Рисунок 2-Доли отказов СМП

разрушения СМП

Доля покупного инструмента в системе инструментального обеспечения предприятий машиностроительной отрасли составляет 82%, остальная часть приходится на инструмент собственного изготовления. Не удовлетворены качеством покупного инструмента 70% опрошенных, при этом оценка эффективности применения инструмента перед его приобретением с целью повышения эффективности механической обработки не проводится. Это связано с отсутствием методик ее проведения и сложностью однозначного определения показателей качества металлорежущего инструмента, а решения о выборе инструмента и режимов обработки принимаются на основе опыта предприятий, а также по результатам эксперимента, что могут себе позволить далеко не все предприятия

в связи с трудоемкостью и высокой стоимостью экспериментальных исследований.

Таким образом, повышение эффективности механической обработки на основе оценки качества применения металлорежущего инструмента является актуальной проблемой.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности механической обработки за счет повышения надежности, оптимизации производительности и снижения себестоимости на основе оценки качества применения металлорежущего инструмента, учитывающей физико-механические взаимосвязи обработки.

Задачи работы

1. Провести литературный анализ физико-механических взаимосвязей обработки металлов резанием и существующих подходов оценки качества, выделить этапы создания методики повышения эффективности механической обработки.

2. На основе установленных взаимосвязей между производительностью, надежностью и единичными показателями качества, разработать математическую модель оценки качества применения металлорежущего инструмента.

3. Разработать способы оценки основных показателей и факторов применения металлорежущих инструментов, влияющих на эффективность механической обработки.

4. Разработать методику повышения эффективности механической обработки, путем оптимизации параметров используемого инструмента и режимов резания обеспечивающих технически и экономически эффективные процессы обработки.

Методы исследований. Представленные в диссертации теоретические и экспериментальные исследования проводились на основе научных положений технологии машиностроения, теории резания, методов всеобщего управления качеством, квалиметрии, методики структурирования функции качества, а так

же обобщения производственного опыта отечественных и зарубежных машиностроительных предприятий.

Достоверность результатов исследований подтверждается хорошей корреляцией с результатами многолетних опытных данных исследователей-предшественников. Повышение эффективности применения сборного инструмента за счет повышения надежности, оптимизации производительности и снижения себестоимости механической обработки подтверждено результатами экспериментов и внедрением разработанных методик на производстве. Научная новизна

1. Определены этапы процесса повышения эффективности механической обработки, направленного на повышение надежности и снижение себестоимости процессов обработки материалов резанием.

2. Разработан метод оценки качества применения сборного инструмента, направленный на повышение эффективности механической обработки.

3. Разработана математическая модель оценки качества применения металлорежущего инструмента на основе установленных взаимосвязей между производительностью, надежностью и показателями качества, на примере резцов с СМП.

Практическая значимость результатов работы

1. Оптимизированы параметры используемого инструмента и режимов резания, что позволило обеспечить наиболее выгодное соотношение технической и экономической составляющих процесса обработки.

2. Определены зависимости уровня качества применения сборного инструмента с СМП от коэффициентов теплопроводности обрабатываемого и инструментального материалов, геометрических параметров инструментов и параметров режимов резания.

3. Апробирована и внедрена методика повышения эффективности механической обработки за счет повышения надежности, оптимизации производительности и снижения себестоимости механической обработки.

4. Внедрены документированные процедуры методики повышения эффективности механической обработки на ЗАО «Томский завод электроприводов» АК Транснефть.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель оценки качества применения сборного инструмента на основе установленных взаимосвязей между производительностью, надежностью и единичными показателями качества (на примере резцов с СМП).

2. Способы оценки основных показателей и факторов применения металлорежущих инструментов, влияющих на эффективность механической обработки (на примере сборных резцов с СМП).

3. Методика повышения эффективности механической обработки путем оптимизации параметров используемого металлорежущего инструмента и режимов резания, обеспечивающих технически и экономически эффективные процессы обработки (на примере использования токарных резцов с СМП).

Апробация работы. Результаты работы докладывались на международной научно-практической конференции «Качество-стратегия XXI века» - Томск: ТПУ, 2007 г.; международная научно-практическая конференция «Качество-стратегия XXI века» - Томск: ТПУ, 2009 г.; международная научно-практическая конференция «Качество-стратегия XXI века» - Томск: ТПУ, 2010 г.; Интернет - конференция с международным участием «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» - Тюмень: ТюмГНГУ 2010г.; международная научно-техническая конференция «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» - Курск: Юго-зап.гос.университет 2011 г.

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 12 печатных работ. В том числе в 2 работах в изданиях рекомендованных ВАК Российской Федерации, а также 2 работы опубликовано в журналах входящих в базы цитирования Web of Science и Scopus и 1 монографии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложения.

Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка, 20 таблиц, список литературы, включающий в себя 153 наименования источников и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели и задачи исследований.

В первой главе приведен литературный обзор экспериментальных и теоретических исследований по теме диссертации, на основе которого сделан анализ и сформулированы цели и задачи настоящего исследования.

Решению вопросов оптимизации применения режущих инструментов и повышения эффективности обработки металлов резанием и посвятили свои работы: Аваков A.A., Андреев Г.С., Астахов В.П., Артамонов Е.В., Безъязычный В.Ф., Бетанели А.И., Бобров В.Ф., Васин С.А., Верещака A.C., Грановский Г.И., Гречишников В.А., Гордон М.Б., Зорев H.H., Кабалдин Ю.Г., Коротков А.Н., Клушин М.И., Кирсанов С.В., Куфарев Г.Л., Кушнер B.C., Лоладзе Т.Н., Макаров А.Д., Мирнов И.Я., Мухин B.C., Остафьев В.А., Петрушин С.И., Подпоркин В.Г., По-дураев В.Н., Полетика М.Ф., Прибылов Б.П., Промптов А.И., Резников А.Н., Ро-зенберг A.M., Розенберг Ю.А., Романов В.Ф., Старков В.К., Силин С.С., Талантов Н.В., Некрасов Ю.И., Тахман С.И., Третьяков И.П., Утешев М.Х., Хает Г.Л., Хво-ростухин Л.А., Шаламов В.Г., Шарин Ю.С., их учениками и др.

Решению вопросов управления обеспечением качества продукции посвятили свои работы: Адлер Ю.П., Азаров В.Н., Азгальдов Г.Г., Барвинок В.А., Версан В.Г., Бойцов Б.В., Бойцов В.В., Васильев В.А., Гличев A.B., Э.Деминг, Зорин Ю.В., К. Исикава, Лапидус В.А., Сеггези Х.Д., А. Фейгенбаум, Чайка И.И., Яры-гин В.Т. и др.

Изучены существующие подходы к выбору инструмента и режимов обработки. Изучены существующие подходы к оценке качества. Дан краткий анализ рассмотренных работ, сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе приводятся результаты разработки организационных принципов постоянного совершенствования базы и инструментария оценки при создании и использовании методики установления качества применения металлорежущего инструмента, направленной на повышение эффективности механической обработки; математической модели оценки качества применения металлорежущего инструмента; методики оценки качества применения металлорежущего инструмента (на примере сборных токарных резцов с СМП); развернутой схемы определения основных показателей и факторов применения металлорежущих инструментов влияющих на эффективность механической обработки (на примере сборных токарных резцов с СМП).

При решении поставленных в работе задач был разработан алгоритм повышения эффективности механической обработки, представленный на рисунке 3. Создание методики оценки качества применения металлорежущего инструмента проводили по алгоритму, представленному на рисунке 4.

Рисунок 3- Алгоритм Рисунок 4- Алгоритм создания методики оценки повышения эффективности качества применения металлорежущего

механической обработки. инструмента.

На основании данных полученных от потребителей металлорежущего инструмента установлено, что доминирующая составляющая рынка инструментов приходится на токарные резцы. Следовательно, наиболее целесообразно рассмотреть проблемы оценки качества применения металлорежущего инструмента на примере сборных токарных резцов с СМП.

В ходе реализации разработанной процедуры формирования списка потребительских требований установлены определяющие потребительские требования к сборным резцам с СМП. Этими требованиями являются производительность и надежность.

Этапы построения информационной модели металлорежущего инструмента представлены на рисунке 5.

Рисунок 5- Этапы построения информационной модели оценки качества применения металлорежущего инструмента В результате проведения экспертной процедуры определения факторов применения (ФП) для токарных резцов с СМП были установлены следующие ФП: виды обрабатываемых поверхностей, вид обработки (черновая, чистовая),шероховатость обработанной поверхности (для чистовой обработки), глубина резания, характеристики обрабатываемого материала.

В результате проведения экспертной процедуры определения технологических показателей (ТП) для токарных резцов с СМП были установлены: ха-

рактеристики инструментального материала; & - задний угол; Г - радиус при вершине; 8 = 90° — у, У- передний угол; X = 90° + Л, Л - угол наклона главной режущей кромки; <р - главный угол в плане; угол при вершине е; толщина пластины; наличие твердосплавной подложки и ее толщина; схема базирования и крепления пластин.

В результате было установлено, что определение основных потребительских требований (производительности и надежности) затруднено даже в производственных условиях. А учитывая то, что данные показатели существенно зависят от обрабатываемого материала, выбора инструментального материала, режимов резания, естественно предположить, что данные показатели не являются единичными показателями качества.

Известно, что производительность обработки резанием характеризуется объемом металла, срезаемого в единицу времени:

Пp = vxsxt 5 (!)

где V— скорость, мм/мин; $ - подача, мм/об; I - глубина резания, мм.

Анализ работ по теории резания металлов, показал, что значимым фактором обработки является температура резания. Естественно предположить, что температура резания связывает между собой интересующие показатели качества сборного инструмента.

На основании температурных исследований при реализации полного факторного эксперимента 210 определена зависимость температуры резания от переменных параметров резания ® = для инструментальных твердых сплавов групп ВК и ТК при обработке сталей и сплавов.

Реализация плана позволила после потенцирования получить следующую модель, адекватно описывающую искомую зависимость:

145XУ°58 X14 XЛ10 X/18 х/'34

ГхГ^^хЛхГ ' <2>

где: V - скорость резания; 5 - подача; I - глубина резания; Л0 — коэффициент теплопроводности обрабатываемого материала; Ли — коэффициент теплопроводности инструментального материала; СС— задний угол; - радиус при вершине; ¿>=90°— у, У- передний угол; ,£ = 90°+ Л, Л - угол наклона главной режущей кромки; ф - главный угол в плане.

Учитывая, что при оценке качества применения металлорежущего инструмента будут использоваться относительные показатели качества, постоянными величинами можно пренебречь. Выразив скорость из уравнения 2, и подставив полученное выражение в уравнение производительности 1, в котором коэффициенты весомости всех сомножителей одинаковы, а сумма коэффициентов весомости равна единице, получим:

[ л ^0,103 ✓ ч 0,195

(3)

Пр = е0-575 X л°'2 X л°'т X а0-029 X г0006 X ¿>0'029 х 50'253 х/0-276 х

\

.X)

х

I

<Р)

Обработку материала целесообразно производить при температуре резания соответствующей температуре его максимальной обрабатываемости. Температура максимальной обрабатываемости это температура резания, при которой наблюдается стабилизация сил резания и минимальные значения шероховатости обработанной поверхности. Соответственно уравнение 1 примет вид:

/ 4.0,103 , ч 0,195

Т7» = 00'575 хЛ°'2 хЛ0,121 х а0'029 х г0'006 х £0'029 х я0,253 х/0'276 х| 1

* м.о. о и

\Х у

х

1

,(4)

где © температура максимальной обрабатываемости материала.

Если рассматривать металлорежущий инструмент, то показателями надежности являются стойкость (путь резания Ь) и безотказность. Максимальный путь резания достигается при правильном выборе инструментального твердого сплава и режимов резания. Это обеспечивается при совпадении или максимально возможном приближении температуры максимальной обрабатываемости

®л!.о. обрабатываемого материала и температуры максимальной работоспособ-

ности инструментального твердого сплава ®м р. и соответствующим поддержанием данной температуры в зоне резания (назначением соответствующих режимов). От правильного выбора инструментального твердого сплава существенно зависят показатели надежности: стойкость (путь резания) и безотказность. С целью учета этого параметра предложено ввести коэффициент температурной совместимости (Кт.с.) обрабатываемого материала и инструментального твердого сплава.

Так же на показатели надежности существенно влияют геометрические характеристики СМП и схемы их базирования и крепления. Их предлагается учесть с помощью коэффициента напряженности ( Кн ).

Учитывая вышеизложенное, при умножении выражения 4 на коэффициенты надежности (коэффициент напряженности и коэффициент температурной совместимости), получим уравнение качества применения сборного инструмента с СМП:

К = Кн. х Ктс. х 0

,0.575 „ ч0,2 „ 10,121 „0,029 ___0.006 .

м.о.

л 0,103 ^ \ 0,195 X —

\Х у

<р.

(5)

В третьей главе приводятся результаты практической апробации разработанного метода оценки качества применения металлорежущего инструмента (на примере сборных токарных резцов с СМП).

В экспериментальных исследованиях использовалась деталь «Вал-23», которая изготавливается из заготовки (прутка) о 58 мм, сплав ХН77ТЮР. В качестве объектов исследования использовались сборные резцы с СМП, представленные в таблице 1.

Таблица 1- Обозначения исследуемых инструментов

№ Обозначение инструмента и п/п пластины

Характеристики инструментов используемые в расчетах

а

0.

Схема базирования и крепления

Р1ШСМ-4040820

(ЫСМХ 2006 М08 сплав ВКбм)

850°

Р1ШСМ-4040820

(КСМХ 2006 МОБ сплав ВК8)

1=

750°

РЯБСМ-4040820 (ЯСМХ 2006 МОЭ сплав Т15К6)

900°

8Ы)СМ-4040820

(КСМХ 2006 МР8 сплав ВКбм)

850°

81ШСМ-4040820

(КСМХ 2006 МОЭ сплав ВК8)

81ШС1чГ-4040820 (КСМХ 2006 М08 сплав Т15К6)

750°

900°

9

ТГ ~72~

8ЫЭС]чГ-4040820-М

(КСМХ 2006 МР8 сплав ВКбм)

850°

8ЮЭС>1-4040820-М (ЯСМХ 2006 МС« сплав ВК8)

750°

81ШС]чГ-4040820-М (ЯСМХ 2006 М08 сплав Т15К6)

900°

Р80С№4040819

(ЭСМХ 1906 048 сплав ВКбм)

850°

Р80С]Ч-4040819

(БСМХ 1906 048 сплав ВК8)

Ж

750°

Р80СМ-4040819

(8СМХ 1906 048 сплав Т15К6)

900°

13

7Г

80№М-4040815

(РРМХ 1505 088 сплав ВКбм)

850°

80№М-4040815

(ЭРМХ 1505 088 сплав ВК8)

750°

15 80КРЫ-4040815

(ОРМХ 1505 088 сплав Т15К6)

900°

Рассчитан интегральный показатель качества применения металлорежущего инструмента по разработанной методике. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2— Результаты расчетов интегрального показателя качества

Кн Кт.с. 0 X о Хи а г 8 э 1 X Ф К

Инструмент №1 0,125 0,6870 1 1 1 0,6364 1 1 1 1 1 1 0,0848

Инструмент №2 0,125 1 1 1 0,8662 0,6364 1 1 1 1 1 1 0,1212

Инструмент №3 0,125 0,5780 1 1 0,3662 0,6364 1 1 1 1 1 1 0,0631

Инструмент №4 0,5 0,6870 1 1 1 0,6364 1 1 1 1 1 1 0,3391

Инструмент №5 0,5 1 1 1 0,8662 0,6364 1 1 1 1 1 1 0,4850

Инструмент №6 0,5 0,5780 1 1 0,3662 0,6364 1 1 1 1 1 1 0,2526

Инструмент №7 1 0,6870 1 1 1 0,6364 1 1 1 1 1 1 0,6781

Инструмент №8 1 1 1 1 0,8662 0,6364 1 1 1 1 1 1 0,9670

Инструмент №9 1 0,5780 1 1 0,3662 0,6364 1 1 1 1 1 1 0,5052

Инструмент № 10 0,019875 0,6870 1 1 1 0,6364 1 1 1 1 1 45 0,0063

Инструмент №11 0,019875 1 1 1 0,8662 0,6364 0,04 1 1 1 1 45 0,0090

Инструмент №12 0,019875 0,5780 1 1 0,3662 0,6364 0,04 1 1 1 1 45 0,0047

Инструмент №13 0,009 0,6870 1 1 1 1 0,08 1 1 1 1 62,5 0,0027

Инструмент №14 0,009 1 1 1 0,8662 1 0,08 1 1 1 1 62,5 0,0039

Инструмент № 15 0,009 0,5780 1 1 0,3662 1 0,08 1 1 1 1 62,5 0,0020

Производственные исследования проводились каждым выбранным инструментом с применением 10 одинаковых пластин при черновой обработке. Определялось количество деталей, обработанных каждой пластиной до ее затупления или выхода из строя (скол, поломка). На основании исследования производительность оценивалась с помощью относительного показателя производительности Протн, а надежность с помощью относительного показателя стойкости Ст0ТН и коэффициента безотказности Кб. Соответственно интегральный показатель качества применения металлорежущего инструмента по результатам производственного исследования Кп можно представить в виде:

Кп= Протн х Ст„,„ ХК6, (6)

где ПрОТ„ — относительный показатель производительности, Ст0ТН — относительный показатель стойкости, Кб — коэффициент безотказности.

Рассчитаны интегральные показатели качества применения металлорежущих инструментов по результатам производственного исследования, результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3- Результаты расчетов интегрального показателя качества применения металлорежущего инструмента по результатам производственного исследования

Протн Стотк кй Кп

Инструмент №1 1 0,7011 0,4 0,1122

Инструмент №2 0,95 0,9955 0,4 0,1513

Инструмент №3 0,7037 0,5314 0,4 0,0598

Инструмент №4 1 0,6915 0,7 0,3388

Инструмент №5 0,95 0,998 0,7 0,4646

Инструмент №6 0,7037 0,5261 0,7 0,1814

Инструмент №7 1 0,6936 1 0,6936

Инструмент №8 0,95 1 1 0,95

Инструмент №9 0,7037 0,5250 1 0,3694

Инструмент №10 1 0,6387 0,1 0,0064

Инструмент №11 0,95 0,9681 0,1 0,0092

Инструмент №12 0,7037 0,499 0,1 0,0035

Инструмент №13 1 0 0 0

Инструмент №14 0,95 0 0 0

Инструмент №15 0,7037 0 0 0

Сравнение теоретических и экспериментальных показателей качества применения металлорежущего инструмента показало высокую степень их корреляции. Коэффициент корреляции составил Я = 0.9, что свидетельствует о возможности практического использования разработанной методики.

В четвертой главе приводятся результаты расчетов затрат при обработке инструментами с целью проверки повышения экономичности механической обработки в результате применения методики повышения качества применения сборного инструмента.

Суммарные затраты на выполнение перехода — Зперех складываются из:

Зперех ЗИНСтр+ 30боруд~^ З3/п, (7)

где Зинстр - затраты на инструмент; 30б0руд - затраты на оборудование; Зз/П -затраты на зарплату рабочих.

Переведем значения суммарных затрат в относительные (безразмерные)

еДИНИЦЫ: , Г Зперех1

Зперех отн = ---(8)

^Зперехт;п )

Графическая интерпретация результатов расчета суммарных относительных затрат Зперехохн и их сопоставление с интегральными показателями качества применения металлорежущего инструмента, полученными по разработанной методике и по результатам экспериментальных исследований, представлены на рисунке 6.

*

/ { А А /Ч/ -АЛ /

—♦—теоретическое качество —Ш— практическое качество относительн ые затраты

А

\

1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ю 11 12 13 14 15

Рисунок 6 - Сопоставление интегральных показателей качества применения металлорежущего инструмента и относительных затрат на обработку Сравнение интегральных показателей качества применения металлорежущего инструмента и суммарных относительных затрат показало высокую степень их корреляции. Коэффициент корреляции составил Я = — 0.916, т.е. чем выше качество инструмента, тем меньше затраты на обработку деталей. Это подтверждает адекватность разработанной методики повышения качества применения сборного инструмента.

На основании проведенных исследований для производственного использования были разработаны:

1. Инструкция «Методика повышения эффективности механической обработки путем оптимизации параметров используемого инструмента и режимов резания обеспечивающих технически и экономически эффективные процессы обработки».

2. Руководящие технические материалы «Оценка качества применения сборных токарных резцов с СМП при обработке материалов резанием».

Деталь «Вал-23»изготавливается на предприятии для электропривода, который предназначен для управления рабочими органами запорной арматуры магистральных нефтепродуктопроводов. По технологическому процессу при черновой обработке использовался инструмент под номером 11 из таблицы 1. После внедрения разработанной методики повышения эффективности механической обработки на основе оценки качества применения металлорежущего инструмента, принято решение о замене инструмента на №8 из таблицы 1.

1200 юоо 800 600 400 200 0

кол-во деталей

Инстр.№11

Инстр. №8

2,15 2,1 2,05

1,95 мин/шт

Инстр.№11

Инстр. №8

Рисунок 7 - Сравнительный анализ эффективности применения на предприятии инструмента № 11 и предложенного по разработанной методике инструмента № 8

Обработка проводилась при одинаковых условиях каждым выбранным инструментом при обработке партии деталей 1000 шт.. Комплект к инструменту включал 10 одинаковых СМП.

Сравнительный анализ, представленный на рисунках 7, 8 показал, что при применении инструмента № 8 количество деталей, об-

суммарных относительных затрат при -

^ работанных одним комплектом,

применении инструментов № 8 и № 11 увеличилось более чем в два раза,

1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2

сумм, относ, затраты

Инстр. №11

Инстр. N98

Рисунок

Сравнительный анализ

следовательно, повысилась эффективность механической обработки, снизились расходы на инструмент, а также уменьшилось время на обработку одной детали, что повлекло за собой снижение себестоимости изготовления продукции. Основные выводы и результаты:

1. Анализ современного состояния теории и практики металлообработки и существующих подходов к оценке качества продукции позволили определить этапы процесса повышения эффективности обработки металлов резанием.

2. Разработана математическая модель оценки качества применения металлорежущего инструмента на основе установленных зависимостей уровня качества применения сборного инструмента с СМП от физико-механических характеристик обрабатываемого и инструментального материалов, геометрических параметров инструментов и параметров режимов резания.

3. Разработаны способы оценки основных показателей и факторов применения металлорежущих инструментов, влияющих на эффективность механической обработки (на примере сборных резцов оснащенных СМП).

4. Разработана методика повышения эффективности механической обработки на основе оценки качества применения металлорежущего инструмента, путем оптимизации параметров используемого инструмента и режимов резания.

5. Апробирована и внедрена методика повышения эффективности механической обработки на основе оценки качества применения металлорежущего инструмента. При реализации документированных процедур методики повышения эффективности механической обработки на предприятие ЗАО «Томский завод электроприводов» АК Транснефть, штучное время на рассматриваемых операциях уменьшилось на 5%, повысилась стойкость инструмента, что повлекло снижение на 40%. себестоимости технологических операций.

Основные публикации по теме диссертации

Публикации в рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК:

1. Остапенко, М.С. Учет свойств надежности при оценке качества сборных токарных резцов. / М.С. Остапенко, Д.С. Василега // Известия Томского политехнического университета. - 2011. -Т.318. -№2. - С. 33-35.

2. Остапенко, М.С. Квалиметрическая оценка качества металлорежущего инструмента. /М.С. Остапенко, Д.С. Василега, О.А. Сидуленко //Известия Томского политехнического университета. - 2011. - Т.318. - №2. - С. 36-39. Публикации в журналах входящих в базы цитирования Web of Science и Scopus:

3. Ostapenko, M.S. Improvement of Efficiency of Modular Tooling Systems Application Based on Qualimetric Evaluation. / M.S. Ostapenko, E.V. Artamonov, D.S. Vasilega //World Applied Sciences Journal. - 2013- P. 1275-1279.

4. Ostapenko, M.S. Method of evaluation of quality of metal-cutting tool. /M.S. Ostapenko, D.S. Vasilega //Applied Mechanics and Materials. - 2013 - V. 379. - P. 49-55.

Монография:

5. Артамонов, E.B. Работоспособность инструментов и физико-механические характеристики инструментальных твердых сплавов и обрабатываемых материалов.: монография / Е.В. Артамонов, Д.С. Василега, М.С. Остапенко, В.А. Шрай-нер. Под общей ред. М.Х. Утешева. - Тюмень: Изд. «Вектор Бук», 2008. - 160 е.: рис., табл. - Библиогр.: с. 143-157. - ISBN 978-5-91409-092-7.

В других научных изданиях:

6. Остапенко, М.С. Проблемы управления качеством в машиностроении. /М.С. Остапенко //Материалы XII Международной научно-практической конференции «Качество-стратегия XXI века» Спецвыпуск журнала «Репутация & качество» - Томск: издательство ТПУ, 2007- С 27.

7. Остапенко, М.С. Производственно-социологическое исследование наиболее значимых показателей качества металлорежущих инструментов. / М.С. Остапенко Качество - стратегия XXI века: материалы XIV Международной науч-

но-практической конференции. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - С. 164 -166.

8. Остапенко, М.С. Экспериментальная апробация методики квалиметриче-ской оценки качества металлорежущего инструмента (на примере токарных резцов). / М.С. Остапенко //Качество - стратегия XXI века: материалы XV Международной научно-практической конференции. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. - С. 164 -168.

9. Остапенко, М.С. Оценка качества сборных токарных резцов. /М.С. Остапенко, Д.С. Василега //Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: материалы V научно-технической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2010 - С. 214-219.

10. Остапенко, М.С. Оценка надежности при анализе качества сборных токарных резцов / М.С. Остапенко, Д.С. Василега //Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: материалы V научно-технической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2010 - С. 219-222.

11. Остапенко, М.С. Методика оценки качества сборных токарных резцов / М.С. Остапенко// Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: материалы VIII Международной научно-технической конференции. - Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2011 - С. 225-228.

12. Остапенко, М.С. Разработка методики квалиметрической оценки металлорежущего инструмента (на примере сборных токарных резцов) / М.С. Остапенко, Д.С. Василега, Г.Н. Эйналов // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: материалы VI научно-технической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2012 - С. 193-199.

Подписано в печать 21.11.2013 Формат 60*90 1/16 Усл. печ. л. 1,25 Тираж 100 экз. Заказ № 1980 Библиотечно-издательский комплекс федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38 Типография библиотечно-издательского комплекса. 625039, Тюмень, ул. Киевская, 52.

Тюменский государственный нефтегазовый университет

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование

механической и физико-технической обработки

Специальность 05.02.23 - Стандартизация и управление качеством продукции

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Не

рукописи

04201455574

Остапенко Мария Сергеевна

Научный руководитель: докт. техн. наук, проф. Е.В. Артамонов

Тюмень- 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

Глава 1. Анализ факторов, влияющих на обработку металлов резанием..............9

1.1 Анализ характера износа и разрушения сменных многогранных пластин из инструментальных твердых сплавов......................................................................9

1.2 Анализ физико-механических взаимосвязей обработки металлов резанием и существующих подходов определения оптимальных режимов резания......15

1.3 Анализ существующих подходов оценивания качества режущего инструмента.............................................................................................................31

1.4 Цель и задачи диссертационного исследования............................................40

Глава 2. Разработка методики повышения эффективности механической обработки за счет совершенствования процедуры выбора инструмента............41

2.1 Определение требований к металлорежущему инструменту на основе структурирования функций качества...................................................................42

2.2 Построение квалиметрической модели применения металлорежущего инструмента.............................................................................................................50

2.3 Выводы по главе...............................................................................................73

Глава 3. Анализ соответствия разработанной квалиметрической модели оценки применения металлорежущего инструмента (на примере токарных резцов).....74

3.1 Выбор и описание инструментов и условий их применения.......................74

3.2 Определение интегрального показателя качества по разработанной методике...................................................................................................................78

3.3 Анализ теоретических и экспериментальных данных..................................86

3.4 Выводы по главе...............................................................................................95

Глава 4. Практическая реализация разработок.......................................................96

4.1 Рекомендации по использованию методики повышения эффективности

механической обработки сборными резцами с СМП.........................................96

4.2 Расчет экономической эффективности.........................................................106

4.3 Анализ эффективности разработанной методики при внедрении на предприятии..........................................................................................................111

4.4 Выводы по главе.............................................................................................113

Заключение и основные выводы по работе..........................................................114

Библиографический список....................................................................................115

Приложения..............................................................................................................131

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Мировой опыт показывает, что успешная работа любой организации, в том числе машиностроительного предприятия, не осуществима без постоянного совершенствования ее деятельности, нацеленной на улучшение качества продукции [1]. На сегодняшний день остро стоит проблема управления рисками на предприятии. Исследовательские работы A.A. Баргесяна [2] посвящены данной проблеме. Путём научных исследований [2] в данной области им и другими учёными доказано, что в машиностроении производственные риски имеют высокую вероятность наступления и являются одним из основных факторов, оказывающих колоссальное влияние на эффективность деятельности предприятия. К таким рискам можно отнести низкую производительность труда и низкую надежность металлорежущего инструмента. По этим причинам на производстве стабилен высокий уровень брака, обусловленный преждевременным выходом из строя некачественного инструмента. И именно такие поломки зачастую вызывают остановку всего производственного процесса, поэтому оценивание качества металлорежущего инструмента в обязательном порядке должно проводиться при его применении.

И согласно требованиям стандарта ИСО 9001:2011г., в состав участников анализа качества процессов или объектов должны быть включены все заинтересованные лица, в том числе и потребители [4]. Однако культура привлечения потребителей к подобному анализу осложнена тем, что на сегодняшний день отсутствует методологическая база, позволяющая им непосредственно участвовать в оценке качества применения металлорежущего инструмента.

Решение вопросов повышения качества продукции машиностроительных предприятий, в первую очередь, связано с модернизацией конструкции режущего инструмента, технологии его изготовления, производственных процессов, связанных с обработкой материалов резанием [3].

Существенное влияние на эффективность машиностроительного производства оказывает применение современных металлорежущих инструментов, к которым относятся сборные инструменты, оснащенные сменными многогранными пластинами (СМП). Однако на долю отказов инструментов с СМП из инструментальных твердых сплавов (ИТС) в

результате преждевременного выхода из строя СМП приходится 70-75%. Это обусловлено неправильным выбором инструмента и режимов резания, то есть неэффективным применением сборных инструментов, что приводит к низкой эффективности механической обработки.

Доля покупного инструмента в системе инструментального обеспечения предприятий составляет 82%, остальная часть приходится на инструмент собственного изготовления. Не удовлетворены качеством покупного инструмента 70% опрошенных, при этом никто не проводит оценку качества применения инструмента перед его приобретением с целью повышения эффективности механической обработки. Это связано с отсутствием методик ее проведения и сложностью однозначного определения показателей качества металлорежущего инструмента, а решения о выборе инструмента и режимов обработки принимаются на основе опыта предприятий, а также по результатам эксперимента, что могут себе позволить далеко не все предприятия в связи с трудоемкостью и высокой стоимостью экспериментальных исследований.

Таким образом, повышение эффективности механической обработки за счет повышения надежности, оптимизации производительности и снижения себестоимости, на основе оценки качества применения металлорежущего инструмента, учитывающей физико-механические взаимосвязи обработки, является актуальной проблемой.

Методы исследований. Представленные в диссертации теоретические и экспериментальные исследования проводились на основе научных положений технологии машиностроения:

- теории резания;

- методов всеобщего управления качеством;

-квалиметрии;

-методики структурирования функции качества;

-обобщения производственного опыта отечественных и зарубежных машиностроительных предприятий.

Достоверность результатов исследований подтверждается хорошей корреляцией с результатами многолетних опытных данных исследователей-предшественников. Повышение эффективности применения сборного

инструмента за счет повышения надежности, оптимизации производительности и снижения себестоимости механической обработки подтверждено результатами экспериментальных исследований и внедрением разработанных методик на производстве. Научная новизна

1. Определены этапы процесса повышения эффективности механической обработки, направленного на повышение надежности и снижение себестоимости процессов обработки материалов резанием.

2. Разработан метод оценки качества применения сборного инструмента, направленный на повышение эффективности механической обработки.

3. Разработана математическая модель оценки качества применения металлорежущего инструмента на основе установленных взаимосвязей между производительностью, надежностью и показателями качества (на примере резцов с СМП).

Практическая значимость результатов работы

1. Оптимизированы параметры используемого инструмента и режимов резания, что позволило обеспечить наиболее выгодное соотношение технической и экономической составляющих процесса обработки.

2. Определены зависимости уровня качества применения сборного инструмента с СМП от коэффициентов теплопроводности обрабатываемого и инструментального материалов, геометрических параметров инструментов и параметров режимов резания.

3. Апробирована и внедрена методика повышения эффективности механической обработки за счет повышения надежности, оптимизации производительности и снижения себестоимости механической обработки.

4. Внедрены документированные процедуры методики повышения эффективности механической обработки на ЗАО «Томский завод электроприводов» АК Транснефть.

Внедрение результатов работы Разработанные методики, направленные на повышение эффективности механической обработки, приняты к внедрению на ЗАО «Томский завод электроприводов» АК Транснефть.

Апробация работы. С результаты работы ознакомились и дали им положительную оценку участники международной научно-практической конференции «Качество-стратегия XXI века» - Томск: ТПУ, 2007г.; международной научно-практической конференция «Качество-стратегия XXI века» - Томск: ТПУ, 2009г.; международной научно-практической конференция «Качество-стратегия XXI века» - Томск: ТПУ, 2010г.; Интернет - конференции с международным участием «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» - Тюмень: ТюмГНГУ 2010г.; международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» -Курск: Юго-зап.гос.университет 2011г.

Область исследований

1 Исследование механических и физико-технических процессов с целью определения параметров инструмента, обеспечивающих выполнение заданных технологических операций и повышение производительности, качества, надежности и экономичности обработки.

2 Оптимизация параметров инструмента, обеспечивающих технически и экономически эффективные процессы обработки.

Объект исследования. Процесс обработки металлов резанием.

Предмет исследования. Оценка эффективности процесса обработки металлов резанием.

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 12 печатных работ. В том числе, 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации, 2 работы в журналах, входящих в базу цитирования Web of Science и Scopus, 1 коллективная монография.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложения.

Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка, 20 таблиц, список литературы, включающий в себя 153 наименования источников, и приложения.

Основные научные положения, выносимые на защиту 1. Математическая модель оценки качества применения сборного

инструмента на основе установленных взаимосвязей между производительностью, надежностью и единичными показателями качества (на примере резцов с СМП).

2. Способы оценки основных показателей и факторов применения металлорежущих инструментов, влияющих на эффективность механической обработки (на примере сборных резцов с СМП).

3. Методика повышения эффективности механической обработки путем оптимизации параметров используемого металлорежущего инструмента и режимов резания, обеспечивающих технически и экономически эффективные процессы обработки (на примере использования токарных резцов с СМП).

Целью диссертационной работы является повышение эффективности механической обработки за счет повышения надежности, оптимизации производительности и снижения себестоимости на основе оценки качества применения металлорежущего инструмента, учитывающей физико-механические взаимосвязи обработки. Задачи работы:

1. Провести литературный анализ физико-механических взаимосвязей обработки металлов резанием и существующих подходов оценки качества, выделить этапы создания методики повышения эффективности механической обработки.

2. На основе установленных взаимосвязей между производительностью, надежностью и единичными показателями качества, разработать математическую модель оценки качества применения металлорежущего инструмента.

3. Разработать способы оценки основных показателей и факторов применения металлорежущих инструментов, влияющих на эффективность механической обработки.

4. Разработать методику повышения эффективности механической обработки путем оптимизации параметров используемого инструмента и режимов резания, обеспечивающих технически и экономически эффективные процессы обработки.

Глава 1. Анализ факторов, влияющих на обработку металлов резанием

1.1 Анализ характера износа и разрушения сменных многогранных пластин из инструментальных твердых сплавов

Проблема разрушения сменных многогранных пластин (СМП) из

инструментальных твердых сплавов (ИТС) сборных инструментов является наиболее острой на сегодняшний день. Это связано с широчайшим применением сборных инструментов с СМП из инструментальных твердых сплавов и большим количеством преждевременного выхода СМП из строя.

Анализируя собранную за несколько лет статистику эксплуатации сборных режущих инструментов с СМП, можно сделать вывод, что на надежность СМП из твердых сплавов сборных инструментов определяющее влияние оказывают физико-механические характеристики твердых сплавов, форма и тип используемых СМП, схемы базирования и крепления, режимы резания. Статистика видов разрушений СМП в сборных инструментах на производственных предприятиях, занимающихся обработкой

труднообрабатываемых материалов, свидетельствует о том, что в результате нормального износа выходят из строя в среднем не более 30 % пластин из ИТС. В то время как в результате преждевременного разрушения выходит из строя до 80 % СМП из ИТС. Например, на предприятии Тюменский ремонтно-механический завод ОАО «Сибнефтепровод» при обработке жаропрочных сталей и сплавов количество отказов СМП из-за поломок и сколов составляет 50-63%. Эти виды разрушения СМП представлены на рисунке 1.1.

На данном предприятии на долю отказов СМП из ИТС в результате поломки, скалывания и выкрашивания пластин приходится 70% для 4х-гранных СМП и 80% для ромбических СМП.

Анализируя данные по отказам СМП из ИТС, представленные на рисунке 1.2, и технологические процессы изготовления деталей, можно сделать вывод, что отказы СМП происходят по причине неправильного выбора ИТС и режимов резания, что свидетельствует о нерациональном применении металлорежущего инструмента.

Рисунок 1.1- Виды разрушения СМП

Например, как следует из работы [5], внутриконтактные выкрашивания, сколы, изломы режущей кромки появляются в результате повышенных режимов резания.

Рисунок 1.2 - Доли отказов СМП По данным работы [6] можно сделать вывод, что при неизменном ИТС поломка СМП зависит от подачи, а на внутриконтактные выкрашивания, сколы, изломы основное влияние оказывает скорость резания.

В инструментальных каталогах ведущих фирм, например, совместного предприятия 8АЖ>У1К - МКТС г. Москва [7] и ОАО "КЗТС" г. Кировград [8] приводятся результаты обобщения многолетней статистики характера и причин износа и разрушения СМП из ИТС. Основные характерные виды износа и разрушения приведены в таблице 1.1.

Характер износа и разрушения Причина Устранение

Выкрашивание в зоне резания

] 1 Выкрашивание мелких частиц сплава их режущей кромки ведет < ухудшению качества обрабатываемой поверхности и фезмерному износу задней поверхности пластины. ...ж 1 .Слишком хрупкий инструментальный твердый сплав. 2. Недостаточная прочность, вызванная неподходящей геометрией пластины. 3.Образование нароста на пластине. 1 .Выбрать более вязкую марку твердого сплава. 2.Выбрать геометрию пластины, обеспечивающую более высокую прочность. 3.Повысить скорость резания или выбрать пластину с положительной геометрией. 4.Снизить подачу на начальном этапе врезания.

Лункообразование на передней поверхности

Чрезмерное лунке приводящее к осл ?ежущей кромки. Образование нарс >образование. аблению 1 .Диффузионный износ в результате слишком высокой температуры на передней поверхности режущей пластины. 1. Выбрать пластину с положительной геометрией. 2.Уменьшить скорость резания.

»ста

Чаростообразование, снижающее качество эбработанной поверхности и ведущее к выкрашиванию зежущей кромки во время срыва гароста. 1 .Низкая скорость резания 2.Отсутствие заднего угла режущей части пластины. 3. «Налипание» материала, например, некоторых нержавеющих сталей и чистого алюминия. 1. Увеличить скорость резания или выбрать более прочную пластину. 2. Выбрать �