автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Совершенствование режущего инструмента для токарной обработки древесных материалов

На правах рукописи

ТРИ111ИНЛ Татьяна Владимировна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.21.05 -Технология и оборудование деревообрабатывающих производств, древесиноведение

АВТОР ЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 1999

Работа выполнена в Воронежском государственном аграрном университете им. К.Д. Глинки.

Научные руководители - Почетный работник высшего

профессионального образования РФ, член-корреспондент АЕ, доктор технических наук, профессор Кузнецов В.В.;

кандидат физико-математических наук, доцент Л.П. Яновский

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Д.И. Станчев; кандидат технических наук, доцент В.К. Астанин

Ведущая организация: ОАО «Мебель Черноземья».

Защита состоится «19» февраля 1999 г. в « 1052» часов на заседании диссертационного совета Д 064.06.01 при Воронежской государственной лесотехнической академии по адресу 394613 г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, ВГЛТА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан « Д » января 1999 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор г ^ В.К. Курьянов

" ^

flW-W'1 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. II настоящее кремя машиностроительный комплекс подвергается существенной струк!урной перестройке, переорк ентации па выпуск продукции..удовлетворяющей и иериую очередь сощ • альпые запросы общссгаа. Постановлением правительства Российской Федерации утаерждепа федеральная целевая научно-техническая программа на 1996-2000 г, "Исследования и разработка по приоритетным направлениям развития науки и техники г ражданского назначения". Она включает в ербя ряд шециализировашшх прог рамм, » том числе подпрограмму " Комплексное использование древесного сырья".

Задача по увеличению выпуска деталей для машиностроительных отраслей промышленности в большинстве своем в настоящее время решается за счет интенсификации технологических режимов производства.

В основе повышения производительности механической обработки древесины, наряду с механизацией, лежит интенсификация режима рек\-ния, при этом обязательным условием должно явиться высокое качес. ю режущего инструмента и его правильное использование.

Исходя из выше изложенного следует отметить, что создание инструмента позволяющего получить качественную поверхность обработки деталей из древесных материалов за один проход при высокой производительности является актуальным,

Цель н задача исследований. Целью настоящих исследований является повышение качества поверхностей деталей из древесных материалов, обработанных точением, за счет совмещения чернового и чистового прохода с использованием специального инструмента.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выделить основные конструктивные и технологические факторы, оказывающие наибольшее влияние на геометрические параметры обра, батываемой детали;

- разработать инструмент, позволяющий производите качественную обработку поверхностей пращения легален из древесных материален за один проход;

- разработать интегральные критерии для оценки качества поверхности в зависимости от характера требований предъявляемых к детали;

- создать адекватные математические модели процесса формирования поверхности при обработке новым резцом древесных материалов и на их основе оп тимизировать геометрические параметры резцов и технологические режимы резания;

- разработать рекомендации по изготовлению и технологическ: м режимам эксплуатации нового суппортного токарного резца;

- пронести испытания нового суппортного токарного резца И производственных условиях и определить эффективность сто применения.

Объект исследования. Процесс формирования геометрических параметров дегади ири токарной обработке поверхности.

Предмет исследования. Закономерности формирования геометрических параметров детали из древесных материалов в процессе обработки поверхности за один проход.

Методика исследований. Поставленные задачи решались посредством тсорсшчсских и экспериментальных исследований.

В рамках теоретических исследований разработаны интегральные критерии доя оценки качества поверхности детали, созданы математические модели, описывающие геометрические параметры резца и режимы обработки деталей из древесины в зависимости от т ребований, предъявляемых к качеству обработанных поверхностей.

Экспериментальные исследования проводились в учебной мастерской и лаборатории кафедры ТКМ Воронежского ГАУ, производсгвсн-ные- на Воронежском ACO, цех № 35.

Полученные данные обрабатывались методами математической статистки с использованием стандартных пакетов прикладных программ дня персонального компьютера. Экономическую эффективность определяли н соо тветствии с ГОСТ 23728-93.

Научная новизна. Разработаны интегральные критерии Для комплексной оценки качества поверхностей деталей из древесных материалов: MGR (отклонение от цилиндричности- М, поверхностная твердость-G, шероховатость- R); MR, который определяет геометрическую точность обработанных поверхностей. Предложен новый суппортный токарный резец для обработки древесины, новизна которого подтверждена патентом РФ на изобретение.

Практическая ценность работы. На основе результатов научных исследований разработана конструкция сунпортаого токарного резца, который позволяет производить черновую и чистовую обработку поверхностей вращения деталей из древесины за один проход, обоснованы его геометрические параметры и технологические режимы работы.

Апробация работ. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАУ им. К,Д. Глинки и ВГЛТА в 19961998 гг., межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Обеспечение стабилизации АПК в условиях рыночных форм хозяйствования» (Воронеж, 1997), международной научно-практической «Научно-технические проблемы в развитии ресурсосберегающих технологий и оборудования лесного комплекса» (Воронеж, 1998).

Публикапни. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, из которых 6 в соавторстве, 1 патент на изобретение.

Объем в структура дисссргаини. Диссертационная работа состоит

из »ведения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы Iпложен на 163 страницах машинописного текста, содержит 21 рисунок, 10 таблиц, 3 приложения. Список использованной литсрачуры включает 115 наименований, из них 6 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается краткая характеристика современного состояния проблемы, обоснование актуальности темы, сформулнрованы основные положения выносимые на защиту.

В первом разделе дан анализ работ по тенденции развития использования древесных материалов в современном машиностроении, строительном деле и мебельном производстве. Проведен краткий обзор свойств, преимуществ, недостатков и особенностей обрабатываемости древесины. Возникновение теории резания относится к1868 г., когда проф. И А. Тиме опубликовал свой труд «Сопротивление металлов и древесины резанию». Неоценимый вклад в науку о резании древесины и древесных материалов внесли известные ученые МА. Дешевой, А.Э. Грубе, А А. Бершадский, Ф.М. Манжос, С.Г. Ивановский, В.В. Амалиц-кий, Б.И. Кожевников, В.В. Воронин и др.

Наиболее распространенными деталями из древесных материалов являются всевозможные втулки и вкладыши в узлах лесозаготовительных, лесохозяйственных, сельскохозяйственных машин и орудий. Необходимо обеспечить такие качественные показатели указанных детален, как геометрическая точность, шероховатость и твердость поверхностей. Для определения наиболее существенных факторов, влияющих на процесс формирования геометрических параметров детален нз древесных материалов при механической обработке, предложена многофакторная система, описывающая совместное влияние конструктивных, физических и технологических факторов.

Известные инструменты и устройства дш? токарной обработки древесины имеют главный недостаток, обусловленный невысокой производительностью из-за неиозможноети получить качественную поверхность детали за один проход. Таким образом, дальнейшее совершенствование инструмента для токарной обработки в направлении совмещения чернового и чистового прохода является актуальной задачей.

Второй раздел посвящен обоснованию конструкции нового суппортного токарного резца и теоретическим исследованиям вопросов оптимизации его геометрических параметров и режимов резания, изложена программа экспериментальных исследований.

Использование нового суппортного токарного резца позволяет повысить производительность и улучшить качество обрабатываемые • поверхностей тел вращения за счет выполнения чисюього точения по-

всрхпостсй за один проход, ири этом возможно выполнение других токарных работ (подрезка, обработка торца, снятие фаски и т.д.) без переустановки инструмента. Новый, предложенный нами резец (патент РФ на изобретение № 2075378) содержит державку 3 с режущей фасонной частью 1, по всей ширине торца которой выполнен режущий клин 2 (рис. 1). Положительный эффект достигается за счет выполнения чернового и чистового точения поверхности за один проход, при этом черновая стружка поджимает чистовую. Такое поджатие стружки предотвращает образование опережающих трещин в направлении обработанной поверхности, что значительно повышает ее качество. 1

1- фасонная часть резца; 2- режущий клин; 3- державка; у, у'-главпые передние углы фасонной части и чистового клипа резца;а,а'- главные задние углы фасонной части и чистового клина резца; X, Х- углы наклона главной режущей кромки фасонной части и чистового клина резца; Ь-расстояния между чистовой и черновой вершинами резца; К- радиус скругления фасонной части резца.

Рис. 1

Математическая теория планирования позволяет выясним, повеление исследуемого процесса и целом: т.е. найти такую функцию, ко торая связывает некоторую численную характеристику этого процесса с величинами, влияющими на сто протекание. Объектом оптимизации бьи > принято качество поверхности детали. С методической точки зреш важным является определение факторов, которые I) значительной мере будут шшять на качество. К числу таких факторов было отнесено семз>: углы наклона главной режущей кромки фасонной части и чистового клина резца- Я.(Х), ЦУ), передний угол чистового клина резца- y'(W), расстояние между чистовой и черновой вершинами резца- L(Z), диаметр обрабатываемой детали- D(D), частота вращения шпинделя- n(N), нодача-S(S). В скобках даны обозначения используемые при математическом моделировании.

15 качестве основных выходных параметров, определяющих, качество поверхности детали, приняты: твердость поверхностного слоя, отклонение от цилиндричности и шероховатость.

Наилучшее качество обрабатываемых поверхностей достигается при максимальной поверхностной твердости- G, минимальной шероховатости- R и минимальной погрешности формы- М. Возникает задача оптимизации параметров по трем выходным критериям. В этом случае возможно несколько подходов к решению задачи. Поиск подходящего решения проводился на множестве Парето допустимых решений. Данный подход связан с трудностями перебора решений Парето в ссмимерпом пространстве фактороп (D, N, S, IV, X, Y, Z). Другой подход, введение интегрального критерия качества, учитывающего важность каждого кри терия. Мы остановились па последнем варианте преодоления многокрите-риальпосги задачи. Чтобы сделать критерии безразмерными были введены стандартизированные значения твердости {О""), погрешности формы (Л-/™) и шероховатости (Л""):

G-G t,m М-М ст R-R

G м =T(R)> С)

где С, М, R . средние выборочные значения G, М, S; o(G), а(М), <r(S) - средние квадратичсскис о тклонения выходных переменных G, М, R.

Далее введем ин тегральный кри терий качества но формуле:

MGS а ■ С,'т -[Г КГ" - у Rст, (2)

где а, ß, у - коэффициенты, которые показываю]' приоритетность каж-

дот критерия качества в общем критерии: a i fi i у - i.

15 частном случае при а -I, ¡3 0, у 0 мы получаем первый критерий качества пренебрегая остальными. При ¡} I, а = 0, у - 0 исследуются только макро неровности обработки , и наконец, при у = 1, а -О, р = 0 исследуются только микро неровности обработки. Если выбрать а = ='/з, Р =-' '/з, у = 1/з, то все критерии будут иметь в интегральном критерии равный вес (приоритетность). Рассмо трим в работе последний случай. Опуская множитель '/з получим кри терий:

МСЖ- (Г -Kfm -Rcm, (3)

Увеличение критерия MGR может достигаться за счет увеличения стандартизированной твердости (+G"") и уменьшения погрешности формы (-\fm) и шероховатости (-R™).

Математическая модель оптимизации геометрических параметров резца и режимов обработки детали в общем виде формулируется следующим образом, максимизировать функцию

MGR = p/D, N, S, W, X, Y, Z), (4)

где к - индекс древесного материала при технологических ограничениях на переменные D, N, S, W, X, У, Z.

Интегральный критерий качества формы поверхности MR определяем по формуле:

MR hfm 1 Пст, (5)

Математическая модель в общем виде формулируется следующим образом, минимизировать функцию:

MR =-- <pK(D, N, S, W. X, Y, Z), (6)

Анализ использования лесоматериалов строительными организациями, показываег, что деревянные строительные конструкции все более часто применяются не столько как несущие, а как декоративные. Новые формы применения древесины диктуют повышенные требования к качеству обработанных поверхностей и в первую очередь к шероховатости (R). Тогда математическая модель в общем виде формулируется следующим образом, минимизировать функцию:

R - <h(D, N, S. W. X, Y, Z).

(7)

Таким образом, разработаны инта ральные критерии комплексной оценки качсстна поверхностей деталей:

- MGR, который является комплексным крит ерием качес тва;

- MR, который определяет геометрическую точность обработанных поверхностей.

В третьем разделе изложена методика проведения экснериментал: ных исследований. Исследование влияния факторов ири обработке деталей новым резцом проводилось па различных породах естественной древесины и древесных материалов.

Образцы отбирались в соответствие с Г0СТ16483.0-89. Место произрастания древесины - Воронежский учебно-опытный лесхоз. Естественной сушкой в условиях лаборатории влажность исходной древесины доводилась до 15-17%. Во всех опытах исходные заготовки предварительно обрабатывались токарным резцом с отклонением от цилиндрич-поети- 2 мм.

Исследования проводились на токарно-винторезном станке 1А616. Новый резец с сечением державки 15x20 устанавливался в резцедержатель с вылетом 50 мм. Заготовка крепилась в двух точках: в грехкулачковом патроне и пиноли задней бабки. Для проведения экспериментов принята достаточно большая длина заготовки (L= 800 мм), которая позволяла с одного установа проводить пять экспериментов со следующими режимами резания: 1) п= 230 мин1, S= =0,4ММ/Об; 2) п= 230 mhit1,S= 0,1 MM/„G; 3) п— 765 мин-', S= 0,25MM/Of,; 4) n= =1200 mhit1,S= 0,4>H>6; 5) n= 1200 миг rl,S= 0,1 MM/(,6. Диаметры заготовок в процессе выполнения всех экспериментов изменялись не более чем, в 1,3 раза (от 80 до 60 мм).

Каждая серия опытов повторялась трехкратно. Результаты считались достоверными, сели расхождение измерений в трех сериях не превышало 5%. Для измерения погрешности формы мы выбрали метод образующих. Измерения велись по 3 сечениям, 6 линиям в 30 точках (рис.?, а) микрометром с рычажной головкой. Измеренные профили заиисыв-. лись на одной и той же линейной диаграмме и па пей с гром ли прилс -гагощий профиль продольного сечения. Наибольшее расстояние отточс.с профилограмм до соотастствующей стороны прилегающего профиля есть отклонение от цилипдричности RFZ (рис. 2, б). Для контроля шероховатости поверхности использовался прибор МИС-11. Шероховатость Rmmix вычислялась как среднее из пяти замеров, произведенных в точках, равномерно расположенных на поверхности образца па расстоянии не ближе 10мм от края и друг от друга. Для измерения поверхностной твердости деталей предложена оригинальная методика. Измерения проводились с помощью прибора для измерения твердости резины ИТ-5078. Проведенные испытания подтвердили равенство твердости, полученной по разрабо танной методике и твердости но ГОСТ. Общая погрешность измерений входит в пределы допус тимых и составляет не более 2%. Измс-

Измерение отклонения от цилиндричносги методом образующих

а- расположение измеряемых продольных сечений; б- нрофилограммы образующих

Рис. 2

рение твердости велось в тех же точках, что и отклонение от цилиндрич-ности. Обработка данных велась методами математической статистики.

В четвертой разделе изложены результаты экспериментальных исследований. Ввиду большого числа независимых переменных и нелинейного характера зависимостей пришлось рассмотреть 35 переменных, учитывающих линейные, квадратичные и парные эффекты воздействия изучаемых переменных на интегральные параметры выхода- MGR, MR и R.

Построение моделей проводилось методом шаговой регрессии на основе метода наименьших квадратов, где использованы результаты факторного эксперимента. Включение неременных производилось на основе отбора частных коэффициентов корреляции и значения F- критерия. Итерационный процесс отбора параметров останавливался, когда достигались следующие значения критериев отбора:

- критерий Фишера-Снедекора более 99 %;

- R2 - критерий (коэффициент детерминации), R2 > 0,7;

- t- критерия Стьюдента больше 2.

- сериальной корреляции остатков моделей (критерий Дарбипа-Уотсопа), всегда была à 1,5.

Получены уравнения регрессии по трем математическим моделям для различных пород древесины. Сформулируем полученные результаты для ясеня.

1. MGR - -2,8118 f 1,6512-Z - 14,063 S2 + 0,0006-DY - 0,0021-N-V\

^ 0,00092-N-X + 0,1047 S-Y- 0,001-Y-W - 0,0554-N-Z, (8)

при условиях:

55 < ¿><77; 230 < N <1200; 0,1 < S £ 0,4; 50 5 Г <65; 5<; x<\5-, 45 <; У < 60; . 1 ¿Z<5.

Из анализа уравнения следует, что при механической обработке на формирование поверхности оказывают линейное воздействия- расстояние между вершинами резца, квадратичное- подача инструмента, остальные факторы носят парный характер воздействия.

Рисунок 3 позволяет проследить влияние геометрических параметров нового резца на интегральный критерий качества MGR. Наилучшее качество поверхности соответствует максимальному значению MGR, т.е. при использовании инструмента с заточкой переднего угла 55° и расстоянием между вершинами резца 1мм.

Двумерное сечение для изучения влияния геометрических параметров нового резца (L,y') на MGR (8)

Значения интегрального критерия MGR: 1- -2,000; 2- -1,059; 3- -0,118; 4- 0,824; 5-1,765

Рис. 3

2. MR= 4,5835 + 0,205-S-Х- 0,01247-DW f 0,000001-N2 -

- 0,06928-Z 2 + 1,1756-S-Z- 0,00363-N-V, (10)

при условиях 9. Из анализа уравнения следует, что при механической обработке на формирование формы поверхности оказывают квадратичное

воздействие расстояние между вершинами резца, частота вращения шпинделя, остальные факторы носят парный характер воздействия.

Двумерное сечение для изучения влияния п2 и Б-у' на МП (10)

и

1600000 1400000 1200000 юооооо 800000 600000 400000 200000

0

3200

О-?', мм град. 3600 4000

Значения интегрального критерия МИ.: 1- 0,455; 2- 0,315; 3- 0,175; 4- 0,035;5- -0,105; 6- -0,246; 7- -0,386

Рис.4

г

Представленный график рис. 4 показывает, что чем меньше частота вращения шпинделя и меньше значение произведения диаметра заготовки и переднего угла резца, тем меньше значение функции МЯ, т.е. выше точность обработки.

3. Л - -4506,09 ^ 1,97-5-Х - 0,07-ОУ + 0,03-Г2 - 1,36-Ш2 + 153,40-Ш+ + 0,15-0-№+ 14,14^-1-0,¡З-О-г + 0,48-У-г - 0,29-\У-7-- 0,04-0 2 + + 366,72Я 2-2,67 ^-Н', (11)

при условиях 9. Из анализа уравнения следует, что при механической обработке на шероховатость поверхности детали оказывает линейное и квадратичное воздействия главный передний угол чистового клина резца, квадратичный- частота вращения шпинделя, угол наклона чистового клина резца, диаметр обрабатываемой детали, остальные факторы носят парный характер воздействия.

График (рис. 5) позволяет назначить частоту вращения шпинделя в зависимости от диаметра обрабатываемой детали, т.е. в плоскости ограниченной линией 24,4мкм лежат оптимальные значения параметров. Путем оптимизации уравнений регрессии методом полного перебора по специальной программе получены следующие результаты (ем. таблицу). Найдены онтимумы для древесных материалов различной твердости в зависимости от требований предъявляемых к качеству обрабо танных поверхностей. По этим результатам были изготовлены резцы и проведены

Двумерное ссчспис дня изучения влияния п и Э на шероховатость (11)

и, МИН"'

Ягапшх, мкм: 1-48,2; 2- 44,3; 3- 40,4; 4- 36,5; 5- 32,6; 6- 28,7; 7- 24,4

Рис. 5

эксперименты на оптимальных режимах, которые показали что качество обрабо танных поверхностей соответствует расчетным.

Таблица

Оптимальные геометрические параметры резца _и технологические режимы_

Древесина с Требования Геометрические параметры резца и

торцовой к качеству технологические режимы

твердостью, поверхности № Г), У'. X, V, и п, Б,

Н/мм2 строки мм град град град мм МИН *ии

мел 1 77 55 10 60 1 1200 0,1

до 30 МЛ 2 77 65 10 60 1 1200 0,4

Я 3 55 55 10 60 5 830 0,1

моя 4 55 55 10 60 1 1200 0,1

<30 до 50 ми 5 55 55 10 45 1 1200 0,4

я 6 77 65 10 60 1 1200 0,1

мои 7 60 65 15 45 1 1200 0,1

<50 до 70 мя 8 77 55 15 60 1 230 0,4

л 9 55 65 10 45 5 1200 0,1

моя 10 77 55 15 60 1 1200 .0,2

свыше 70 мя 11 55 55 10 45 3 230 0,4

я 12 77 55 10 60 1 830 0,1

В пятом разделе показана реализация исследований и эффективность их применения. Результаты производственных испытаний показали, что при обработке новым резцом уменьшается шероховатость обработанных поверхностей по параметру гшх в 2,3- 2,6 раза и погрешность формы (отклонение от цилиндричности) и 1,5-2,4 раза, рост производительности труда работающих составляет 338,7%, срок окупаемости капи-

тальнмх вложений 0,467 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Существующие конструкции токарных резцов для обработки древесных материалов не позволяют получить качественную поверхность за один проход, за счет образующихся опережающих трещин, ч то ведет к неоправданно большим затратам на дополнительную обработку.

2. Предложена и разработана конструкция нового суппортного токарного резца, позволяющая производить черновую и чистовую обработку поверхностей вращения деталей из древесных материалов за одиН проход. Положительный эффект достигается за счсг поджатая стружки, которое предотвращает образование опережающих трещин в направлении обработанной поверхности, что повышает качество поверхности детали.

3. Предложена и описана система, позволяющая определить факторы влияющие на процесс формирование геометрических параметров деталей из древесных материалов. К числу факторов, оказывающих наибольшее влияние при обработке новым суппортным токарным резцом, отнесено семь: углы наклона главной режущей кромки черновой части и чистового клина резца- Я., Я,'; главный передний угол чистового клина резца- у'; расстояние между червовой и чистовой вершинами резпа- L; диаметр обрабатываемой детали- D; частота вращения шпинделя- п; подача- S.

4. Для решения многокритериальной задачи оценки качеству поверхностей деталей разработаны интегральные критерии качества:

- MGR (уравнение 3), который является комплексным критерием качества ( M - погрешность формы; G - поверхностная твердость; Л - шероховатость);

- MR (уравнение 5), который определяет геометрическую точность обработанных поверхностей.

5. Созданы адекватные математические модели, описывающие геометрические параметры резца и режимы обработки деталей из различных древесных материалов в зависимости от требований, предъявляемых к качест ву обработанных поверхностей (уравнения 8,10,11).

6. Разработаны рекомендации по изготовлению и технологическим режимам эксплуатации нового суппортного токарного резца:

- для получения поверхностей деталей с максимальной твердостью, минимальной шероховатостью и погрешностью формы рекомендуются геометрические параметры резца и технологические режимы при обработке древесных материалов с твердостью до 50 Н/мм2 (строки 1, 4 таблицы), свыше 50 Н/мм2 (строки 7, К) таблицы).

- для получения поверхностей деталей с максимальной геометрической точностью, то сеть минимальной шероховатостью и погрешностью

формы рекомендуются гсомсгричсскис параметры резца и технологические режимы при обработке древесных материалов с твердостью до 50 Н/мм2 (строки 2,5 таблицы), свыше 50 Н/мм2 (строки 8, II таблицы).

- для получения поверхностей деталей с минимальной шероховатостью рекомендуются геометрические параметры резца и технологические режимы при обработке древесных материалов с твердостью до 50 Н/мм2 (строки 3,6 таблицы), спышс 50 Н/мм2 (строки 9, 12 таблицы).

8. Производственные испытания нового суппортного токарного резца показали, что при обработке опытным резцом, уменьшается шероховатость обработанных поверхностей по параметру Кттях в 2,3- 2,6 раза и погрешность формы (отклонение от цилиндричности) в 1,5- 2,4 раза, рост производительности груда работающих составляет 338,7%, срок окупаемости капитальных вложений 0,467 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кузнецов В.В., Павлов В.К., ТришинаТ.В. Улучшение геометрических характеристик и свойств материалов деталей сельскохозяйственного машиностроения // Резервы стабилизации аграрного производства: Тезисы докл. науч. конф. госагроуниверситета по итогам за 1991-1995 гг. Ч. 2. -Воронеж, 1996. - С. 64.

2. Кузнецов В.В., Тришина Т.В. Разработка универсального резца для обработки древесины // Научно-технические проблемы в развитии ресурсосберегающих технологий и оборудования лесного комплекса: Мат -риалы междунар. науч.-нрактич. конф. - Воронеж, 1998. - С. 232-234.

3. Кузнецов В.В., Японский Л.П., Тришина Т.В. Исследование параметров резца для обработки древесины методом единого многофакторного эксперимента // Теория, постановка и результаты агроииженерного эксперимента: Сб. научных трудов. Воронеж 1998.- С. 4 -7.

4. Патент РФ на изобретение № 2075378 от 31.05.95. "Суппортный токарный резец". Авторы: Кузнецов В.В., Павлов В.К., Тришина Т.В. Опубл. 20.03.97. бюл. № 8.

5. Павлов В.К., Тришина Т.В. Влияние материала инструмента и качества его заточки па процесс резания волокнистых материалов // Улучшение работоспособности деталей и узлов сельскохозяйственной техники: Сб. нач. тр. ВГАУ. - Ворнсж, 1995. - С. 175-178.

6. Павлов В.К., Трипшпа Т.В., Трухачсв В.П. Особенности определения погрешностей параметров деталей из анизотропных материалов// Методы и средства научных исследований: Сб. науч. исследований. - Воронеж, 1996.-С. 218-224.

7. Тришина Т.В. Совершенствование инст румента для механической обработки деталей из анизотропных материалов II Обеспечение стабилизации АПК в условиях рыночных форм хозяйствования: Тезисы докладов межрегиональной паучпо-нрактич. конф. молодых ученых и снсциали-

стов. Ч. 2. - Воронеж, 1997. - С. 81-83.

8. Тришина Т.В. Обоснование параметров инструмента для механической обработки деталей из анизотропных материалов // Теория и практика машиностроительного оборудования: Тезисы докладов международной научно-технич. конф. - Воронеж, 1996. - С. 73-74.

9. Тришина Т.В. Влияние технологических режимов обработки на шероховатость обработанной поверхности древесины // Рациональное использование ресурсного потенциала в агропромышленном комплексе: Тезисы докладов всероссийской научно-технич. конф. - Воронеж, 1998.- С. 11.

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 064.06.01 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, Воронежская государственная лесотехническая академия, ученому секретарю

Тришина Татьяна Владимировна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

ДЛЯ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронежский государственный аграрный университет

им. К.Д. Глинки

На правах рукописи

ТРИШИНА Татьяна Владимировна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.21.05 - Технология и оборудование

деревообрабатывающих производств, древесиноведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители -член корреспондент Академии Естествознания доктор технических наук, профессор В.В. Кузнецов; кандидат физико-математических наук, доцент Л.П. Яновский

Воронеж 1999

АННОТАЦИЯ

Стремление изготовить детали из древесины и материалов на ее основе с необходимыми эксплуатационными свойствами поверхностного слоя требует совершенствования технических средств для механической обработки. Значительное число деталей, изготавливаемых из данных материалов, подвергаются механической обработке точением. В связи с этим возникает необходимость совершенствования режущего инструмента для токарной обработки.

В работе приводятся результаты исследования технологического процесса формирования геометрических параметров деталей из древесных материалов при токарной обработке и на основе этого предложен новый суппортный токарный резей, позволяющий производить черновую и чистовую обработку деталей за один проход. Получены адекватные математические модели, описывающие геометрические параметры резца и режимы обработки деталей из древесины различных пород в зависимости от требований, предъявляемых к качеству обработанных поверхностей.

Разработаны рекомендации по изготовлению и технологическим режимам эксплуатации нового суппортного токарного резца при обработке деталей из древесных материалов различной твердости в зависимости от требований, предъявляемых к качеству обработанных поверхностей.

Использование разработанной конструкции суппортного токарного резца позволяет уменьшить шероховатость обработанных поверхностей по параметру Rm max в 2,3- 2,6 раза и отклонение от цилиндричнотсти в 1,5- 2,4 раза, рост производительности труда составляет 338,7 %, срок окупаемости капитальных вложений 0,467 года.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................... 6

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ................................................... 9

1.1. Тенденции развития использования древесных материалов в

машиностроении................................................................................. 9

1.1 Л. Использование древесных материалов в современном машиностроении ...................................................................................... 9

1.1.2. Использование древесины и материалов на ее основе в лесном и сельхозмашиностроении.......................................................... 12

1.2. Свойства, преимущества, недостатки древесных материалов......................................................................................................... 15

1.2.1. Механические характеристики древесных материалов............. 16

1.2.2. Обрабатываемость применяемых древесных материалов........ 21

1.2.3. Формирование поверхностей деталей из древесных материалов при механической обработке....................................................... 23

1.3. Влияние шероховатости на прирабатываемость и сохранение характера соединения.......................................................................... 29

1.4. Выводы. Цель и задачи исследования.......................................... 34

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ОБОСНОВАНИЮ ПАРАМЕТРОВ СУППОРТНОГО ТОКАРНОГО РЕЗЦА............... 37

2.1. Конструктивная идея суппортного токарного резца и его параметры, требующие теоретического обоснования............................ 37

2.2. Планирование проведения эксперимента..................................... 42

2.3. Математические модели задачи оптимизации геометрических параметров резца и технологических режимов.................................. 45

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОДОЛЬНОГО РЕЗАНИЯ НОВЫМ СУППОРТНЫМ ТОКАРНЫМ РЕЗЦОМ........................................................................... 52

3.1. Описание суппортного токарного резца..................................... 53

3.2. Экспериментальная установка для комплексного исследования процесса формообразования поверхности детали.............................. 56

3.3. Методы и средства измерения состояния поверхности детали .. 58

3.4. Подготовка образцов и режущего инструмента для экспериментальных работ............................................................................... 62

3.4.1. Обоснование выбора древесной породы.................................. 62

3.4.2. Подготовка режущего инструмента.......................................... 64

3.5. Резание древесины различных методов прессования.................. 65

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ..................................................................................................... 67

4.1. Построение математических моделей и оптимизации геометрических параметров и режимов работы резца................................. 67

4.2. Многомерная регрессионная модель.............................. 73

4.3. Исследование влияния применяемого инструмента на шероховатость поверхностей деталей из нрессованиой березы ........................................................................................ 83

5. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ НОВОГО СУППОРТНОГО ТОКАРНОГО РЕЗЦА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ.................................................................... 86

5.1. Производственные испытания нового суппортного токарного резца для обработки древесины.......................................................... 86

5.2. Расчет экономической эффективности использования и изготовления нового суппортного токарного резца............................. 90

5.2.1. Расчет технологической себестоимости изделия при работе

новым суппортным токарным резцом................................................................................................90

5.2.2. Расчет экономической эффективности от производства нового сугшортного токарного резца................................................................................................99

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..........................................................................................................................................................107

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ....................................................110

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................................................................................................120

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время машиностроительный комплекс подвергается существенной структурной перестройке, переориентации на выпуск продукции, удовлетворяющей в первую очередь социальные запросы общества.

Основная задача промышленности на данном этапе становления новых, народно-хозяйственных отношений заключается в расширении и совершенствовании индустриальной базы развития экономики и экономических отношений, в повышении технического уровня и эффективности производства, коренном изменении ассортимента и улучшения качества продукции.

Постановлением правительства Российской Федерации утверждена федеральная целевая научно-техническая программа на 1996-2000 г. [104]. "Исследования и разработка по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения". Она включает в себя ряд специализированных программ, в том числе подпрограмму " Комплексное использование древесного сырья".

Задача по увеличению выпуска столярно-строительных изделий, мебели и деталей для машиностроительных отраслей промышленности в большинстве своем в настоящее время решается за счет значительного повышения производительности действующих предприятий посредством комплексного механизации и автоматизации производственных процессов и интенсификации технологических режимов производства.

В основе интенсификации процессов механической обработки древесины, наряду со всемерной механизацией подобных операций, лежит интенсификация режима резания, при этом обязательным условием должно явиться высокое качество режущего инструмента, его надлежа-

щая подготовка и правильное использование.

Инструментальная промышленность нашей страны достигла серьезных успехов в деле создания новых инструментальных материалов, конструирования усовершенствованных и качественно новых инструментов. Указанные достижения, позволившие интенсифицировать режим обработки, в значительной степени стали возможными благодаря достигнутому в эти годы прогрессу в науке о физике резания конструкционных материалов.

Исходя из выше изложенного следует отметить, что создание инструмента позволяющего получить качественную поверхность обработки деталей из таких материалов как древесина, фанера, древесные плиты, модифицированная и прессованная древесина за один проход при высокой производительности является весьма актуальным.

На кафедре технологии конструкционных материалов Воронежского ГАУ в течении многих ведутся разработки по совершенствованию режущего инструмента для обработки древесины и материалов на ее основе. Доцентом Павловым В.К. и инженером Кольцовым М.В. разработаны конструкции суппортного токарного резца для растачивания отверстий без предварительного их формирования, резцовая головка для точения деталей в форме тел вращения и другие, которые в целом позволяют получить качественную поверхность обработки при высокой производительности [1,2].

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию влияния факторов на формирование поверхности детали из древесины и материалов на ее основе при механической обработке, обоснованию оптимальной конструкции инструмента и технологических параметров резания, обеспечивающих обработку деталей с заданными эксплуатационными требованиями.

На защиту выносятся следующие положения диссертационной работы:

1) конструкция суппортного токарного резца для обработки древесины;

2) математическая модель оптимизации геометрических параметров резца для древесины различной твердости;

3) результаты теоретических и экспериментальных исследований физико-механических параметров деталей из древесных материалов, обработанных новым суппортным токарным резцом.

Работа является частью комплексных исследований, проводимых кафедрой «Технология конструкционных материалов» Воронежского государственного университета им. К.Д. Глинки в соответствии с планом НИР по госбюджетной теме № 15 раздел 15.4.3. «Повышение эксплуатационных свойств деталей сельскохозяйственных машин за счет улучшения их материала и качества механической обработки».

Лабораторные испытания суппортного токарного резца для обработки древесины проводились в учебной мастерской и лаборатории кафедры ТКМ, производственные испытания - на Воронежском ACO, цех №35.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Тенденции развития использования древесных материалов в машиностроении

1.1.1. Использование древесных материалов в современном машиностроении

Машиностроительная промышленность крупнейший потребитель конструкционных материалов в России. В 1980 г. на долю машиностроения от общего использования конструктивных материалов приходилось 53% стали, 52 % отливок черных металлов, почти 50 % алюминия, 72 % меди, 65 % цинка, 55 % свинца, 17 % пластмасс, 3 % древесины, большая часть магния и титана [63]. В составе используемых материалов произошли существенные качественные и количественные изменения: проявилась четко выраженная тенденция к значительному увеличению потребления легких металлов, легированных особенно низко легированных сталей, специальных сплавов, пластмасс и древесных материалов. Например, из полиамидов, волокнита и текстолита изготавливают шестерни, работающие бесшумно при высоких окружных скоростях [75]. Наиболее распространенными деталями из древесных материалов являются втулки и вкладыши подшипников скольжения, уплотнительные кольца насосов высокого давления, ползуны насосов, подпятники, диски зубчатых колес, кулачки люнетов, виброгасящие подкладки и т.д. [7, 92, 110].

Объем производства данных деталей из древесных материалов и пластмасс на предприятиях отрасли неуклонно растет. За период с 1970 по 1980 гг. вырос в 2 раза [44, 94], а за период с 1980 по 1990 гг. - в 1,3 раза [23, 49]. Увеличение потребления древесины, древесных плит, моди-

фицированной и прессованной древесины происходит за счет традиционных материалов, доля которых в общем потреблении снижается [109].

Для решения проблемы использования какого-то материала определяющими факторами являются обеспечение сырьем, оценка накопленного опыта на основе научно-технического анализа и освоение современных методов получения материала. В составе природных богатств, которыми располагает Россия, большое значение имеют лесные ресурсы. Лесные площади занимают около 30 % территории страны, ежегодная заготовка древесины достигает 400 млн. м3. Потребление лесоматериалов в машиностроении составляет 3 % от общей заготовки древесины [14, 62].

\ Лесные ресурсы как вид природного сырья обладают рядом особенностей, которые определяют специфику, масштабные и перспективные возможности их использования. Во-первых они воспроизводимы. Во-вторых, древесина как сырье занимает одно из первых мест по разнообразию и масштабам использования. В настоящее время количество видов продукции, получаемых из древесного сырья, достигает 20 тыс. наименований [49]. Научно-технический прогресс меняет конкурентоспособность той или иной продукции из древесного сырья в отдельных сферах использования, однако, значимость древесного сырья не уменьшается, а возрастает. Многообразие, еще не полностью раскрытые свойства древесины, ее определенные преимущества перед некоторыми видами сырья и материалов обуславливают неуклонный рост эффективности использования древесного сырья, расширение ассортимента изделий из древесины. Общее потребление древесины в мире возросло за последние 35 лет в 2 раза, а рост лесозаготовок за 1975-2000 гг. достигнет 136% [49,104].

В настоящее время производство промышленной продукции отличается высоким уровнем материальных затрат. Материальные затраты

нередко достигают 85 % общей суммы затрат на производимую продукцию. В среднем по промышленности они составляют до 65 % [63]. Древесина как материал обладает большими достоинствами, причем некоторые из них делают ее во многих случаях незаменимой. По показателям прочности, отнесенным к плотности древесина стоит выше многих металлов приближаясь в этом отношении к лучшим сортам стали [4, 5, 94]. Поэтому проблема замены остродефицитных деталей машин из черных и цветных металлов, а также из пластмасс, деталями из новых древесных материалов, в настоящее время имеет особо актуальное значение.

В современных условиях истощения запасов деловой древесины весьма актуальны вопросы использования в качестве сырьевой базы деревообработки древесины быстрорастущих деревьев малоценных пород и разработка экологически безопасных методов существенного повышения физико-механических и декоративных свойств материала. При этом особый интерес представляет создание технологичных и вместе с тем эффективных способов изготовления деталей с высокими физико-механическими показателями для различных отраслей машиностроения [50].

Таким образом, анализ литературных источников показывает, что:

- из многих сырьевых источников мира (нефти, угля, газа, железной руды и др.) только древесина является единственным сырьем, которое может возобновляться человеком в сравнительно короткое время;

- древесина и материалы на ее основе стали не только важнейшим заменителем черных и цветных металлов, но и позволяет снизить мате-риало- и энергоемкость выпускаемой продукции;

- особо важно создание технологических и эффективных способов изготовления деталей из древесины быстрорастущих деревьев малоценных пород с высокими физико-механическими показателями для различных отраслей машиностроения.

1.1.2. Использование древесины и материалов на ее основе в лесном и сельхозмашиностроении

Сельскохозяйственное и лесное машиностроение представляет собой отрасль, где используются многие конструкционные материалы, в том числе различные марки сталей, чугунов, многие виды пластических масс, керамики, прессованной и модифицированной древесины, древес-но-слоистые пластики и прочие. Производство, ремонт и эксплуатация большого парка машин и механизмов, используемых в лесном и сельскохозяйственном производстве, делают актуальным вопрос о замене дорогостоящих металлических материалов более дешевыми, без ухудшения эксплуатационных характеристик этого оборудования.

Ассортимент материалов, применяемых при изготовлении деталей лесных и сельхозмашин в среднем от общей массы в процентах составляет 86,7- 96,4 стальных, 2,9- 12,2 чугунных, 0,63- 1,05 сплавов цветных металлов и 0,2- 0,86 неметаллических материалов [75, 96]. Опыт применения деталей из пластических масс, древесины и материалов на ее основе показывает, что они, как правило, появляются в конструкциях машин не на стадии проектирования, а в результате усовершенствования, когда возникает необходимость сократить высокую трудоемкость изготовления и снизить эксплуатационные расходы [18,43, 53].

В качестве заменителей металлов широ�