автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Аналитический метод определения режимов резания при сверлении сталей и сплавов

РЫБИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АВИАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

МОСКОВСКИЙ Ярослав Васильевич

АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ ПРИ СВЕРЛЕНИИ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

Специальность 05.03.01 — Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Силин Сергей Семенович

Научный консультант кандидат технических наук, доцент Баранов Александр Владимирович

Рыбинск - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

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

1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО МЕТОДАМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ ПРИ СВЕРЛЕНИИ .. 6

1.1. Состояние зоны резания при сверлении и стружкообразование...................7

1.2. Анализ методов учета влияния тепловых процессов при сверлении на параметры обработки............................................................................................15

1.3. Динамика процессов сверления.....................................................................17

1.4. Анализ основных результатов исследования износа сверл..........................20

1.5. Показатели качества поверхности |1ри сверлении........................................25

1.6. Точность обработки при сверлении.^у.КТ;. & г ;............................................29

1.7. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1....................................................................................32

2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА СКОРОСТЕЙ РЕЗАНИЯ..................34

2.1. Параметры сечения среза при сверлении......................................................34

2.1.1. Определение рабочих углов инструмента.................................................................................................34

2.1.2. Определение параметров сечения среза....................................................................................................46

2.1.3. Определение геометрической составляющей шероховатости обрабатываемой поверхности..................51

2.2. Расчет сил резания при сверлении................................................................52

2.2.1. Определение коэффициента трения на задней поверхности зуба сверла.................................................64

2.3.1. Определение мощностей тепловыделения в зоне обработки....................................................................68

2.3.2. Постановка и схематизация задачи определения теплового баланса при сверлении..............................72

2.4. Расчет температур резания при сверлении...................................................75

2.4.1. Расчет температур на задней поверхности инструмента..........................................................................76

2.4.2. Расчет температур в условной плоскости сдвига.....................................................................................81

2.4.4. Определение температуры резания (средней температуры) для зуба сверла...........................................92

2.4.5. Расчет взаимного влияния температурных полей зубьев инструмента друг на друга..............................95

2.4.6. Определение относительной толщины области тепловыделения в зоне первичных пластических деформаций..........................................................................................................................................................99

2.5. Решение системы уравнений баланса механической и тепловой энергии при сверлении; анализ баланса тепла.................................................................103

2.6. Получение аналитического выражения для определения тангенса угла наклона условной плоскости сдвига..................................................................111

2.7. Аналитическое критериальное уравнение. Уравнение скорости резания для оптимизации по температуре резания.........................................................117

2.8. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2...................................................................................119

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПОЛОЖЕНИИ РАБОТЫ. ПОЛУЧЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО -АНАЛИТИЧЕСКОЙ ЗАВИСИМОСТИ «СКОРОСТЬ - СТОЙКОСТЬ»................................................122

3.1. Оборудование, приборы, режущий инструмент, материалы.....................122

3.1.1. Металлорежущее оборудование и оснастка.............................................................................................122

3.1.2. Контрольно-измерительные средства и приборы....................................................................................124

3.1.3. Режущий инструмент...............................................................................................................................126

3.1.4. Обрабатываемые материалы...................................................................................................................127

3.2. Методика и результаты исследований особенностей работы спиральных сверл из быстрорежущей стали..........................................................................127

3.2.1. Исследование работы поперечной кромки спирального сверла.............................................................127

3.2.2. Исследование распределения температур на режущих кромках спирального сверла............................133

3.2.3. Исследование особенностей изнашивания спиральных сверл................................................................139

3.3. Статистическое обеспечение и результаты экспериментальной проверки основных аналитических результатов................................................................141

3.4. Связь между радиальным размерным износом сверла и периферийным износом по задней поверхности зуба инструмента...........................................149

3.5. Методика и результаты исследований по установлению зависимости между относительным линейным износом сверла и энергетическим критерием А. Экспериментально-аналитическая зависимость «скорость — стойкость»............................................................................................................152

4. ПАРАМЕТРЫ ОПТИМИЗАЦИИ И МЕТОДИКА НАЗНАЧЕНИЯ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ ПРИ СВЕРЛЕНИИ...........................................................162

4.1. Наклеп обработанной поверхности при сверлении....................................162

4.2. Шероховатость поверхности отверстия при сверлении.............................163

4.3. Допустимый увод инструмента и точность диаметра обрабатываемого отверстия при сверлении.....................................................................................168

4.4. Методика определения режимов резания при сверлении по заданным критериям оптимизации......................................................................................174

4.5. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4..................................................................................183

5. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ......................................................................189

6. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...........................................192

ВВЕДЕНИЕ

Современное индустриальное производство отличается большой номенклатурой изделий при сравнительно небольших объемах выпуска продукции и при этом высокой частотой переналадки оборудования. В этих условиях чрезвычайно актуальным становится сокращение трудоемкости технологической подготовки производства. Решение этой проблемы обусловливается стратегическим выбором: методов обработки, оборудования, системы управления производством, инструментов и инструментальных материалов, обрабатываемых материалов и учетом других технических и экономических факторов. Выбор ограничивается большим количеством технологических (точность, требуемые свойства поверхностного слоя) и технико - экономических требований (стойкость инструмента, производительность операций и др.) к изделиям.

Оптимизация операций механической обработки связана с определением такого режима работы станочного оборудования и оператора, который научно обоснованно гарантирует получение готовой детали требуемого качества при минимальных затратах на производство.

Для решения этой актуальной задачи применительно к операциям сверления отверстий, широко распространенным в промышленности (не менее 35% всех отверстий получается сверлением), недостаточно применение только экспериментального метода, связанного с получением степенных формул Тейлора. Экспериментальный метод требует значительных затрат времени и материалов (особенно при проведении стойкостных испытаний), результаты при этом получаются ограниченные рамками конкретных испытаний. Это в значительной мере относится к сверлению, так как инструмент отличается сложностью и разнообразием конструкций, а условия резания затруднены (ухудшение отвода стружки по сравнению с точением, наличие поперечной кромки у сверл и др.). Появление конструкционных материалов с заранее за-

данными свойствами на заказ и, вообще, новых материалов приводит к серьезным трудностям экспериментального метода при решении традиционных задач проектирования технологии.

Между тем, поставленная задача может быть успешно решена при помощи аналитического метода определения режимов резания, основу которого составляют обобщенные методами теории подобия математические модели, устанавливающие связь между наиболее важными характеристиками процесса резания.

Аналитический метод разработан в Рыбинской государственной авиационной технологической академии под руководством профессора С.С. Силина и успешно применен к точению, протягиванию, различным видам фрезерования и глубинному шлифованию.

Данная работа посвящена применению аналитического метода для разработки методики определения режимов резания для операций сверления отверстий требуемого качества, что, учитывая вышесказанное, делает работу актуальной.

Целью работы является разработка аналитического метода определения режимов резания при сверлении сталей и сплавов для обеспечения требуемых показателей качества деталей.

Автор защищает результаты экспериментальных и теоретических исследований процессов сверления, оформленные в виде математических моделей, полученных на основе совместного рассмотрения тепловых и механических явлений при резании материалов, а также базирующуюся на этих результатах методику расчета режимов резания для операций сверления отверстий.

1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО МЕТОДАМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ ПРИ

СВЕРЛЕНИИ

Под обрабатываемостью в литературе чаще всего понимается способность материала воспринимать обработку режущим инструментом /30,48,61,62,88,89,90/. Так как производственные процессы стараются оптимизировать, необходимо конкретизировать понятие обрабатываемости относительно какого-либо критерия оптимизации. Проще всего осуществляется од-нопараметрическая оптимизация, связанная с такими критериями как максимальная производительность операции, минимальная стоимость операции, максимальная стойкость режущего инструмента и другие /2,30,88,89,90/. Поскольку требования оптимальности предъявляются не только к процессу обработки детали, но, что существенно важнее, к затратам на обеспечение качества данной детали /19,48,53,108/, на практике возникают задачи многопараметрической оптимизации /98,99,115/.

Наиболее часто применяемым параметром, по которому судят об уровне обрабатываемости материала, является скорость резания относительно эталонного материала /30,89,90/. Выбор достижимой при известных технологических условиях скорости резания за критерий обрабатываемости имеет то преимущество, что для заданной пары инструментальный материал - обрабатываемый материал существует оптимальная температура резания /61,62/ и соответствующая ей оптимальная скорость резания, при которой достигается минимальный относительный износ режущего инструмента, соответственно, максимальная его размерная стойкость, наивысшие показатели качества обработанной поверхности /48/, которые также используют в качестве параметров обрабатываемости. Таким образом, мы получаем опорную точку при оптимизации как по технологическим, так и по экономическим критериям. Примени-

тельно к сверлению, например, Даниленко Б.Д. /31/ предложена классификация режимов по скорости резания, приводимая к следующей таблице

Таблица 1

Марка обрабатываемого материала Скорости резания, м/с, характеризующие режимы сверления

умеренные нормальные форсированные

углеродистые стали 0,20...0,28 0,33...0,58 >0,58

малолегированные стали (типа 40Х) 0,17... 0,25 0,30... 0,50 >0,50

среднелегированные стали (38ХС, 18ХГТ, ЗОХГСА) 0,13...0,20 0,25...0,42 >0,42

высоколегированные стали (типа 20X13, Х18Н9Т) 0,08...0,15 0,17...0,27 >0,27

серый чугун 0,22...0,29 0,30...0,47 >0,47

Данные режимы являются ориентировочными для назначения при проектировании операций сверления.

При определении скорости резания лезвийной обработки возникают трудности, связанные с необходимостью учета значительного числа факторов, влияющих на искомую скорость резания, что обусловливает высокую трудоемкость экспериментального определения режимов резания /34,66,71, 74,95,96/. Существующие методы, в основном, учитывают такие важнейшие характеристики процесса как степень и характер пластической деформации при резании, температуру в зоне резания, динамику процесса и износ инструмента, взаимосвязь между которыми получена опытным путем. Вместе с тем,озникающие при анализе процесса трудности принципиально преодолимы на основе аналитической методики, разработанной профессором С.С. Силиным, и применения теории подобия /88,89,90/.

1.1. Состояние зоны резания при сверлении и стружкообразование

Как и при других видах лезвийной обработки, при сверлении обрабатываемый материал, подлежащий удалению, срезается в виде стружки, отделяясь за счет пластической деформации и разрушения. В резании участвуют пять кромок /25,30/, принципиально не отличающиеся по принципу работы от режущих клиньев иных лезвийных инструментов. Но с другой стороны, во-первых, режущие кромки работают в различных условиях, а во-вторых, конструкции сверл чрезвычайно разнообразны /32,34,94/, что требует при анализе параметров обрабатываемости привлечения большого количества опытных сравнительных данных. Вместе с тем теоретический анализ процессов деформации позволяет учитывать указанные различия.

Резание при сверлении обычно косоугольное, несвободное. Так как сверло является осевым инструментом, исследование осложняется переменностью скорости вдоль режущих кромок. Для большинства моделей резания используют схему с одной условной плоскостью сдвига, хотя эта схема и не отражает реального положения вещей с физической точки зрения /75,78,79/. Существуют попытки учесть форму граничных линий области пластических деформаций, сохраняя простоту расчетных зависимостей, /87/, но, как отмечают сами авторы, наиболее точен метод при весьма высоких скоростях резания, что при сверлении встречается редко. Метод дает верхнюю границу энергии пластической деформации для жесткопластического тела, что часто используют для решения задач прокатки и резания металлов /3,43/. Как правило механика резания при сверлении из-за сложности реального напряженно-деформированного состояния в зоне резания упрощается и рассматривается на основе положений механики при плоском деформировании /38,80, 105,108,122/. Подразумевается одна линейчатая поверхность сдвига, достаточно гладкая, образующая которой составляет «местный» (в рассматриваемой точке режущей кромки) угол сдвига с «местной» мгновенной скоростью резания. Денисенко В.И. /34,38,40/ считает, что деформация при сверлении плоская, за исключением периферийных округленных участков. Помимо это-

го, при малой толщине среза сказывается влияние округления режущей кромки: помимо основного резания осуществляется резание и смятие обрабатываемого материала /38/. При наличии у сверла поперечной кромки возникает вопрос о характере ее работы. Некоторое время считалось /3/, что поперечная кромка работает только на смятие обрабатываемого материала, поскольку имеет значительные отрицательные рабочие передние углы. Однако в некоторых экспериментах /34/ удается получить отдельную стружку от поперечной кромки, что доказывает обратное предположение о резании этой кромкой.

За меру степени пластических деформаций при резании принято считать, так называемую, усадку стружки. Это вызвано сравнительной легкостью ее определения для большинства видов лезвийной обработки и, особенно, для точения. Для сверления подобная характеристика не имеет однозначного определения, поскольку возникает проблема о направлении измерения. Часто переменную вдоль режущих кромок, вследствие переменных скоростей и передних углов инструмента, усадку стружки измеряют в направлении ее схода при опытах по рассверливанию трубок различного диаметра /75,78/. В этом случае получаются близкие качественные и даже количественные результаты (рис. 1). С другой стороны, иные методы измерения могут дать отличающиеся результаты /34/ (рис. 2). Влияние различных факторов на усадку стружки при любых методах ее измерения может быть даже противоположным. Так увеличение угла наклона режущей кромки к центру сверла снижает усадку, а уменьшение переднего угла вплоть до значительных отрицательных значений ее увеличивает /24,25/. На неоднозначность получаемых результатов может оказывать влияние образующийся на кромках нарост, который увеличивается к центру сверла на главной и уменьшается на поперечной /38/. Таким образом, и метод

3,0 II

2,0

1,0 0

II 2,0

1,0

160 320 п, об/мин.

а) Э=10мм; <1=6мм

0

одо

0 160 320 п, мм/об,

с) Б=18мм; с!=14мм

II 2,0

0 160 320 п, мм/об.

Ь) Б=14мм; d=10мм

0 160 320 п, мм/об.

(1) Б=23мм; <1=18мм

0 160 320 п, мм/об.

е) 0=27,9мм; <1=23мм

Сталь 45 - Р18; 5=0,38мм/об.; без охлаждения

Рис.1 - Усадка стружки при рассверливании трубочек на различных скоростях резания, измеренная весовым методом

и

H

2,5 -É

2,0 ■•

1,5 -

1,0 "

0,5 "

• -V=0,228м/с; + -V=0 415м/с л-V=0 555м/с

p -V=0,786м/с

о -У=1Д50м/с.

0

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 JUR

Сталь 45 - PI8; диаметр сверла 20мм при относительной толщине сердцевины 0,