автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Совершенствование технологии объемной финишной обработки неперетачиваемого твердосплавного инструмента

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

НЫРКОВ НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБЪЕМНОЙ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ НЕПЕРЕТАЧИВАЕМОГО ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Трилисский В.О.

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент Симанин H.A.

ПЕНЗА, 1999

Содержание

стр.

Введение 5

1. Состояние вопроса. Задачи исследования 8

1.1. Анализ условий эксплуатации и способы повышения прочности неперетачиваемых твердосплавных режущих пластин 8

1.2. Технология и оборудование для объемной обработки режущего инструмента 20

1.3. Методы оптимизации параметров и повышения качества технологических систем 28

1.4. Цель и задачи исследования 38

2. Моделирование процесса центробежно-р^тационной- обработки неперетачиваемых твердосплавных режущих пластин

2.1. Методика экспериментальных исследований

2.2. Разработка математической модели процесса центробежно-ротационной обработки неперетачиваемых твердосплавных режущих пластин

2.3. Влияние режимов и условий обработки на выходные параметры процесса центробежно-ротационной обработки неперетачиваемых твердосплавных режущих пластин

2.4. Выводы

3. Моделирование процесса работы инструмента, прошедшего объемную обработку. 70

3.1. Влияние микрогеометрии рабочих поверхностей режущих пластин на характеристики процесса резания 70

41 41

45

64 69

3.2. Влияние радиуса округления режущей кромки инструмента

на характеристики процесса резания 80

3.3. Модель работы инструмента с переменными параметрами радиуса округления режущей кромки и шероховатости поверхностей 86

3.4. Выводы 97

4. Оптимизация параметров процесса центробежно-ротационной обработки неперетачиваемых твердосплавных режущих пластин 98

4.1. Постановка задачи оптимизации 98

4.2 Разработка автоматизированной сервисной информационно-вычислительной системы 104

4.3. Примеры определения оптимальных параметров центробежно-ротационной обработки для конкретных задач 107

4.4. Выводы 121

5. Эксплуатационные характеристики режущего инструмента после центробежно-ротационной обработки и ее эффективность 122

5.1. Экспериментальные исследования влияния объемной центробежно-ротационной обработки режущего инструмента

на характеристики процесса его работы 122

5.2. Производственные стойкостные испытания режущих пластин, подвергнутых центробежно-ротационной обработке 129

5.3. Оценка экономической эффективности центробежно-ротационной обработки неперетачиваемых твердосплавных режущих пластин 135

5.4. Выводы 139

Выводы по работе 140

Список литературы 142

Приложение 1. Справка об использовании результатов диссертационной работы 150

Приложение 2. Справка о результатах производственных испытаний неперетачиваемых твердосплавных режущих пластин, прошедших центробежно-ротационную обработку 152

Приложение 3. Листинг исходных текстов программных модулей сервисной информационно-вычислительной системы 154

Введение

В современных условиях, характеризующихся развитием рыночных отношений, остро стоит проблема повышения эффективности машиностроительного производства, предполагающего повышение производительности механообработки, снижение затрат на режущий инструмент и издержек, связанных с простоями оборудования в результате выхода его из строя.

Одним из направлений в решении этих задач является использование режущего инструмента с повышенными эксплуатационными характеристиками, снижение его стоимости.

В современном машиностроительном производстве в качестве режущей части инструмента широко применяются неперетачиваемые твердосплавные режущие пластины (НТРП).

Анализ публикаций в данной области показал, что одной из основных причин выхода из строя НТРП является недостаточная прочность режущей кромки, проявляющаяся в ее выкрашивании и сколах. В свою очередь, прочность НТРП определяется рядом геометрических и физико-механических параметров, в том числе формой профиля нормального сечения режущего клина, микрогеометрией рабочих и опорных поверхностей, физико-механическими характеристиками поверхностного слоя.

В настоящее время используются различные технологические методы обеспечения требуемых значений перечисленных параметров, наиболее производительными из которых являются методы объемной обработки, обладающие возможностью одновременного управления значениями всех перечисленных параметров.

Публикации, посвященные объемной обработке режущего инструмента, в частности, виброобработке, как правило, описывают частные случаи ее применения. Отсутствуют комплексные исследования влияния качественных характеристик режущего инструмента, прошедшего объемную обработку, на показатели процесса резания. Отсутствуют универсальные методики расчета и оптимизации режимов объемной обработки с учетом условий работы инструмента.

Известно, что одним из наиболее производительных методов объемной обработки является центробежно-ротационная (ЦРО). Однако до настоящего времени ЦРО НТРП не производилась. В то же время анализ метода ЦРО и его технологических возможностей позволяет сделать вывод о целесообразности его применения, с соответствующей доработкой, на финишных операциях обработки режущих пластин, что может повысить производительность обработки и снизить ее себестоимость, особенно для пластин со сложной геометрией режущей кромки. В связи с вышеизложенным поставлена цель диссертационной работы: повышение производительности и качества финишной обработки неперетачиваемых твердосплавных режущих пластин путем разработки и внедрения технологии объемной цетробежно-ротационной обработки.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие вопросы, составляющие ее новизну:

1. Впервые показана принципиальная возможность применения технологии объемной цетробежно-ротационной обработки для повышения эффективности финишных операций при изготовлении неперетачиваемого твердосплавного инструмента и определены области ее рационального использования.

2. Установлены взаимосвязи между режимами ЦРО и изменением геометрии режущей кромки и шероховатости поверхности неперетачиваемых твердосплавных режущих пластин, обеспечивающие возможность управления процессом объемной обработки.

3. Разработана математическая модель процесса работы инструмента, позволяющая прогнозировать влияние изменений радиуса округления режущей кромки инструмента, шероховатости его поверхностей на выходные параметры обработки резанием для конкретных условий ее реализации.

4. Предложен метод определения оптимальных режимов ЦРО, базирующийся на использовании современных компьютерных технологий, который обеспечивает необходимый набор вычислительных операций, хранение, ввод и вывод всех необходимых данных, а так же возможность оптимизации с учетом условий эксплуатации инструмента по заданному набору критериев и ограничений.

* Автор выражает благодарность за помощь, оказанную ему при подготовке материалов данной работы:

- коллективу кафедры "Металлорежущие станки и робототехнические комплексы " Пензенского государственного университета;

- коллективу инструментального предприятия "ЮРПАХ" (Пенза).

1. Состояние вопроса. Задачи исследования

1.1. Анализ условий эксплуатации и способы повышения прочности

неперетачиваемых твердосплавных режущих пластин

В современном производстве работоспособность металлообрабатывающего оборудования в значительной степени определяется качеством режущего инструмента. Надежность инструмента имеет особое значение при обработке деталей в многооперационных системах, где отказ хотя бы одного из режущих инструментов влечет за собой издержки, связанные с простоем и наладкой всей системы. Например, 23-63% от общего числа нарушений работоспособности станков с ЧПУ связаны с отказами режущего инструмента [97]. Поэтому повышение надежности режущего инструмента является важной производственной задачей.

В настоящее время в качестве режущей части инструмента широко применяются неперетачиваемые твердосплавные режущие пластины (НТРП). Так, по данным [97], 68...70% стружки срезается твердосплавными инструментами при доле их выпуска в общей номенклатуре инструмента 32%. На станках с ЧПУ, в гибких автоматизированных производственных системах (ГАПС) до 100% всех режущих инструментов оснащаются НТРП [83]. Следует отметить, что принцип неперетачиваемости режущих кромок на базе создания сборных конструкций с механическим креплением многогранных НТРП положен в основу развития большинства конструкций режущего инструмента как в зарубежной, так и в отечественной промышленности [2,53,83] (так устраняются довольно значительные издержки на затачивание и перетачивание инструмента).

Известно, что существенная часть (в среднем до 45% по данным [84]) выходов из строя НТРП вызвана выкрашиванием и сколами режущей кромки, особенно в условиях прерывистого и чернового резания, что является следствием выхода напряжений в режущем клине за пределы допустимых значений, т.е. недостаточной его прочностью.

Одним из способов минимизации числа поломок НТРП является изменение условий их работы [8,20,25,49,52,97,98]:.снижение режимов резания, изменение углов установки инструмента, изменение состава СОТС и т.д.. Но их применение может

быть ограничено при использовании НТРП в автоматизированном оборудовании (в частности, в автоматических линиях), где невозможно внесение изменений в технологию обработки и в конструкцию системы СПИЗ. Кроме того, снижение режимов резания ведет к падению производительности механообработки, что в большинстве практических случаев неприемлемо.

Другой способ минимизации числа поломок режущего инструмента -улучшение его собственных прочностных свойств.

Эксплуатационные характеристики режущего инструмента, в том числе его прочность, в значительной степени определяются технологией его изготовления, а именно обеспечением необходимых геометрических и физико-механических параметров. В свою очередь, для разработки технологии изготовления НТРП необходимо проанализировать его напряженное состояние во время работы (т.е. резания) и на основе этого анализа выявить пути повышения прочности т.е. возможные изменение конкретных геометрических и физико-механических параметров.

Напряженное состояние режущего клина определяется контактными нагрузками на его режущих поверхностях [1,47]. Данные о фактическом распределении контактных нагрузок на режущих поверхностях инструмента и о напряженном состояний режущего клина получают путем проведения исследований. В качестве методов таких исследований наибольшее распространение получили метод составного (или разрезного) резца и поляризационно-оптический.

Метод разрезного резца (рис. 1.1) [47] заключается в том, что рабочая поверхность резца выполняется составной из двух частей (А) и (Б), которые могут иметь независимые смещения. Это позволяет определять силы, действующие на различные участки поверхности. Меняя соотношение длин участков СуСг, получают эпюры контактных напряжений на данной поверхности.

С помощью поляризационно-оптического метода (или метода фотоупругости) [47] путем расшифровки оптических картин (см. рис. 1.5, 1.6, 1.7), отображающих линии изохром (линии постоянных напряжений) в оптически активном материале резца получают эпюры напряжений в режущем клине.

Описание напряженного состояния режущего клина с помощью аналитических зависимостей базируется, как правило, на рассмотрении его как

Рис. 1.1. Метод разрезного резца (а) и эпюры контактных напряжений (стп -нормальных, тп- касательных) в общем случае на передней поверхности режущего клина Сп (б) в пределах площадки Ск контакта "инструмент-стружка"

нагруженного упругого тела (балки переменного сечения или клина). В этом случае решается плоская упругая задача. Действие нагружающих сил, т.е. сил резания, рассматривается как упрощенно, когда прикладывается одна результирующая сила к вершине (острию) клина [7], так и дифференцированно, когда рассматривается действие сил на всех рабочих поверхностях [32]. Сложность в данном случае представляет аналитическое описание распределения нагрузок в контексте взаимосвязанных процессов в зоне первичной и вторичной пластической деформации и на контактных площадках.

На рис 1.2 представлена схема к расчету напряженного состояния режущего клина методом, предложенным А.И.Бетанели [7]. В данном случае решается задача нагружения упругого клина сосредоточенной силой, приложенной к его вершине. Распределение напряжений в клине рассматривается как простое радиальное и выражается формулой:

<у. =

2К гЪ

соэ

Р

"0-1 ^

сое

7 п \

V-

Р

+ 7

V У

+

БШ

+ -

7 о \

Р

+ 7

V ^ Л

вш

V-

Р Л

V у

(1.1)

<т,=0,г„=0

где

г и у/- полярные координаты с центром на режущей кромке (вершине клина), Ъ - ширина срезаемого слоя, у3 - угол заострения клина, у- передний угол режущего инструмента,

Я2 _

у0 = агс1о —¡=_ - угол, определяющий направление силы резания К.

+

При этом имеются зоны растягивающих и сжимающих напряжений, условно разделенные нейтральной линией, положение которой определяется углом 0. Следует отметить, что данный метод дает адекватные результаты только для зоны клина, относительно удаленной от его острия, т.е. за пределами площадки контакта инструмент-стружка. В тоже время известно, что хрупкое разрушение режущей части НТРП начинается с зоны на передней поверхности, удаленной от острия на 2...3 длины площадки контакта Скп [7,32,49,84,97].

Другой подход к описанию напряженного состояния режущего клина -использование методов численного математического моделирования, в частности, метода конечных элементов (МКЭ) [26,41,60, 61] (см. рис. 1.3). Метод гибок и универсален, но трудоемок в реализации.

Существует несколько путей повышения прочности режущего клина НТРП. Среди них:

1. Улучшение прочностных свойств материала режущей части инструмента: использование твердых сплавов с повышенными прочностными свойствами, применение специальных упрочняющих методов (например, химико-термической обработки [33,34,96]);

2. Изменение формы профиля нормального сечения режущего клина;

3. Изменение микрогеометрии рабочих и опорных поверхностей режущего инструмента;

4. Изменение физико-механических характеристик поверхностного слоя инструмента. Имеется в виду прежде всего снижение растягивающих остаточных напряжений, зачастую имеющих место после изготовления НТРП, и возможный перевод их в область сжимающих.

Рис 1.2. Расчетная схема к определению радиальных напряжений в режущем клине по методике Бетанели А.И. [7]

Рис. 1.3. Расчет напряженного состояния режущего клина с помощью МКЭ [61]: расчетная схема (а), линии главных нормальных (б) и касательных (в) напряжений, полученные в результате расчета

* Следует отметить, что применение метода (1) ограничено из-за того, что для применяемых твердых сплавов изменение их свойств (размера зерна, % содержания кобальтовой связки и др.) в сторону повышения ударопрочности зачастую ведет к нежелательному изменению таких свойств как тепло- и износостойкости, теплопроводности, адгезионных свойств, обрабатываемости, стоимости и т.д. [1,28,33].

Эффект метода (2) основан на том, что изменение профиля нормального сечения режущего клина ведет к изменению (перераспределению) действующих на него сил, и следовательно, к изменению и перераспределению напряжений в теле режущего клина [4,43]. В работе [43] проведен анализ влияния формы профиля нормального сечения режущего клина на величину и распределение в нем радиальных напряжений для конкретных значений сил резания, а так же аналитическим путем рассчитан оптимальный (с точки зрения прочности) профиль нормального сечения режущего клина (см. рис 1.4). Из рисунка видно, что данный профиль имеет сложную криволинейную форму, получить которую при изготовлении инструмента крайне сложно.

Одним из вариантов оптимизации формы профиля нормального сечения режущего клина с целью повышения его прочности является внесение в конструкцию режущей части инструмента дополнительного элемента - отрицательной (-5...-15 град.) фаски по передней поверхности [5,22,37,42,43,49,84,95,97]. При этом на участке режущего клина, близком к острию (именно он является наиболее непрочным, т.к. режущий клин фактически является нагруженной балкой-консолью с сечением переменной площади, а данный участок имеет меньшую площадь сечения), передний угол отрицателен. Вследствие перераспределения сил, действующих на режущий клин, область растягивающих напряжений смещается в часть режущего клина с большим по площади (т.е. безопасным) сечением или вообще исчезает (см. рис. 1.5).