автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Интенсификация обработки плоскостей с учетом технологических требований на основе моделирования процесса фрезерования

005011086

БУРГОНОВА Оксана Юрьевна

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ОБРАБОТКИ ПЛОСКОСТЕЙ С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФРЕЗЕРОВАНИЯ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 МДР ¿512

005011086

БУРГОНОВА Оксана Юрьевна

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ОБРАБОТКИ ПЛОСКОСТЕЙ С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФРЕЗЕРОВАНИЯ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

КУШНЕР Валерий Семенович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

БРАИЛОВ Иван Григорьевич

кандидат технических наук, доцент РОЖКОВСКИЙ Александр Алексеевич

Ведущее предприятие: ФГУП «Научно-производственный центр

газотурбостроения «Салют», г. Москва

Защита состоится 07 марта 2012 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.178.05 при ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет» по адресу: 644050, г. 0мск-50, проспект Мира, 11, аудитория 6-340.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью составителя, заверенные гербовой печатью организации, просим направить в адрес диссертационного совета

Автореферат разослан «3 .» февраля 2012 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских

диссертаций 212.178.05, канд. техн. наук, доцент В. Б. Масягин

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Снижение себестоимости или повышение производительности обработки относится к основным задачам науки о технологии машиностроения. Решение этой задачи в производственных условиях осложняется необходимостью обеспечения различных технологических требований к точности, шероховатости обработанной поверхности и износостойкости режущего инструмента, а также ограничений, накладываемых характеристиками оборудования, что требует разработки соответствующих математических моделей.

На практике, при разработке нормативов, рекомендаций по назначению режимов резания задача проектирования операций фрезерования осуществляется на основании обобщения производственного опыта или экспериментальных исследований. Эмпирический путь успешно использовался при оптимизации условий в конкретных условиях обработки, для доказательства достоверности разрабатываемых моделей, определения или уточнения эмпирических констант, однако в связи с огромным числом требуемых дорогостоящих и трудоемких опытов, а также при наличии разнообразных технологических ограничений он недостаточно эффективен.

В последнее время в теоретическом описании процессов лезвийной обработки получены новые перспективные результаты, позволившие значительно точнее рассчитывать силы, температуры и другие характеристики процесса резания. Однако эти результаты не использовались для решения технологических задач. Таким образом, интенсификация обработки плоскостей с учетом технологических требований на основе использования экспериментальных и теоретических методов, а также учета ограничений, связанных не только с износостойкостью инструмента и шероховатостью обработанной поверхности, но и с точностью обработки, актуальна как для науки о технологии машиностроения, так и для машиностроительного производства.

Целью работы является повышение производительности обработки плоскостей стальных деталей с учетом технологических требований к точности, шероховатости обрабатываемой поверхности, износостойкости режущего инструмента и других на основе экспериментального и теоретического исследования процесса фрезерования.

Методами исследований являются экспериментальные методы измерения погрешности и шероховатости обработанных поверхностей, сил резания; планирование эксперимента и статическая обработка экспериментальных данных с целью их аппроксимации подходящими функциями теоретически определяемых факторов; теоретические методы расчета технологических составляющих технологические составляющие технологические составляющие силы- фрезерования, температур на поверхностях режущего лезвия, точности, шероховатости обрабатываемой поверхности, износостойкости инструмента и интенсивности изнаши-' вания режущего лезвия. ; ............

Достоверность и обоснованность основных результатов и выводов достигалась сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными, в том числе с данными других авторов, применением статистических методов планирования и обработки эксперимента, использованием современных научно обоснованных термомеханических методов расчета сил и температур, совершенствованием схематизации процессов фрезерования.

На защиту выносятся математические модели и программы моделирования и интенсификации процессов фрезерной обработки плоскостей стальных деталей, с учетом технологических требований и ограничений.

Научная новизна:

- установлено, что влияние условий резания на технологические характеристики может быть обобщено путем использования теоретически рассчитанных технологических составляющих сил фрезерования и температур поверхностей режущего лезвия, характеристик изнашивания и износостойкости режущего инструмента;

- показано, что силы фрезерования и температуры режущего лезвия могут быть рассчитаны по экспериментальным или теоретическим данным о силах и температурах при точении на основе разработанной схематизации процессов фрезерования торцовыми, концевыми и дисковыми фрезами;

- установлено, что в условиях ограничений по точности при рациональных значениях критерия затупления инструмента наибольшая минутная подача достигается при одновременной работе одного зуба фрезы и минимуме периода холостого хода, что связано с влиянием сил на задней поверхности инструмента;

- выявлено, что при фрезеровании амплитуда колебаний температуры поверхностей режущего лезвия за его один оборот составляет около 70% от максимальной температуры, что объясняет существенное влияние частоты вращения фрезы на ее стойкость.

Практическая значимость диссертации заключена в разработке:

- программ для определения физических характеристик операций фрезерования плоскостей и уступов торцовыми, цилиндрическими, концевыми и дисковыми фрезерами;

- методики оптимизации параметров фрезерования при ограничениях по точности, шероховатости обработанной поверхности и износостойкости режущего инструмента, заключающейся в последовательности назначения конструктивных и геометрических параметров фрез, режимов резания;

- рекомендаций по обоснованию параметров конструкции фрезы и рациональных режимов резания операции восстановления профиля железнодорожных колес фрезерованием.

Реализация результатов. Полученная математическая модель интенсификации фрезерования и разработанные программы по определению физических характеристик процесса фрезерования, методика опрёделёния режимов резания и конструктивных параметров фрез, позволили разработать практические рекомендации по обоснованию диаметра фрезы, числа зубьев, угла наклона режущей кромки, критерия затупления, материала режущего инструмента, режи-

мов фрезерования и др. Программы использовались в учебном процессе при проведении лабораторных работ, РГР, при анализе технологии восстановления профиля железнодорожных колес фрезерованием, а также для разработки практических рекомендаций по режимам фрезерования торцовыми, цилиндрическими, концевыми и дисковыми фрезами для машиностроительных предприятий.

Апробация работы. Основные научные результаты работы докладывались на международных и межрегиональных конференциях и семинарах, проводившихся в г. Тюмени, Томске, Харькове (Алуште), Екатеринбурге, Омске.

Конкретное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации, заключается в следующем:

- в проведении экспериментальных исследований по изучению влияния

- условия резания на погрешности обработки, шероховатость обработанной поверхности, сил резания и в аппроксимации этих результатов степенными функциями;

- в формулировании и обосновании гипотез о возможности обобщения влияния факторов, характеризующих условия резания, такими характеристиками процесса фрезерования, как силы и температуры; о возможности расчета технологических составляющих сил при фрезеровании путем проецирования сил, измеренных или рассчитанных при точении на соответствующие технологические оси; о целесообразности одновременной работы только одного зуба при минимуме холостого хода;

- в уточнении формул для расчета интенсивностей изнашивания и стойкости фрезы с учетом частоты ее вращения;

- в уточнении формулы для расчета максимальной толщины срезаемого слоя при фрезеровании круглых поверхностей;

- в разработке математических моделей интенсификации фрезерования плоскостей с учетом технологических ограничений, выраженных непосредственно функциями факторов, характеризующих условия резания, а также с использованием характеристик процесса фрезерования (сил, температур), определяемых с помощью программ.

Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложения, объемом 162 стр.

Основные результаты диссертации опубликованы в 1 монографии и 10 статьях, в том числе 3 статьях в журналах, входящих в перечень рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК для опубликования материалов диссертационных работ. .

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность интенсификации обработки плоскостей с учетом технологических требований на основе моделирования процесса фрезерования, определены цели и задачи исследования.

Первая глава диссертации посвящена аналитическому обзору ранее выполненных работ. Исследованием и оптимизацией операций обработки резани-

ем, в частности фрезерованием, занимались В.Ф. Бобров, И.Г. Браилов, A.C. Верещака, Г.К. Горанский, H.H. Зорев, М.И. Клушин, Т. Н. Лоладзе, Н.П. Мазур, А.Д. Макаров, В.Н. Подураев, А.Ю. Попов, А.И. Промптов, A.A. Рауба, А.М. Розенберг, Ю.А. Розенберг, С.С. Силин, В.К. Старков, Н.В. Талантов, С.И. Тахман, Л.В. Худобин, Е.М. Трент и многие другие.

Анализ литературы выявил, что в различных справочниках не ставилась задача оптимизации операций, а только фиксировались практически применяемые режимы с учетом небольшого числа факторов.

Применение эмпирических степенных функций в качестве математических моделей технологических ограничений и требований, хотя и позволяло использовать для оптимизации методы линейного программирования, оказалось не эффективным в связи с тем, что не отражало сложной взаимосвязи различных факторов.

А.Д. Макаровым, Т.Н. Лоладзе и другими была показана целесообразность использования физических характеристик, таких как температуры, силы, интенсивности изнашивания для обобщения влияния большего числа факторов. Недостатком этого подхода являлось то, что эти характеристики, как правило, определялись экспериментально и, главным образом, для точения. При фрезеровании экспериментально и теоретически определялись только крутящий момент (окружная сила) или мощность, тогда как технологические составляющие силы фрезерования оценивались по эмпирическим соотношениям с окружной силой. Отсутствие достоверных сведений о технологических составляющих силы фрезерования препятствовало оценке их влияния на погрешность обработки и шероховатость обработанной поверхности. Т.Н. Лоладзе, H.H. Зоревым, С.И. Тахманом и др. отмечалось влияние цикличности термомеханического нагружения зубьев фрезы на ее стойкость.

Термомеханический подход, основанный на учете взаимовлияния температуры и предела текучести, обрабатываемого материала, позволил разработать более точные математические модели для теоретического определения характеристик процесса резания. Однако теоретическое определение сил и температур сдерживалось отсутствием корректных схематизаций операций фрезерования.

На основании выполненного обзора поставлены следующие задачи исследования:

1. Обосновать математическую модель интенсификации фрезерования плоскостей на основе аппроксимации технологических ограничений по точности, шероховатости обработанной поверхности, износостойкости режущего инструмента эмпирическими степенными функциями.

2. Обосновать возможность обобщения влияния условий фрезерования на погрешности, шероховатость обработанной поверхности, износостойкость инструмента и др. путем использования физических характеристик - сил и температур фрезерования.

3. Разработать схематизацию процесса фрезерования и методику теоретического определения и моделирования температур, сил, крутящего момента, мощности при фрезеровании торцовыми, концевыми и дисковыми фрезами.

4. Доказать возможность определения технологических составляющих силы фрезерования на основании данных о силах при точении, при равных условиях резания.

5. Оценить колебания температур поверхностей режущего лезвия при фрезеровании и их влияние на интенсивность изнашивания.

6. Разработать методику и программу для интенсификации фрезерования с учетом технологических ограничений, а также расчета и моделирования сил, крутящего момента, мощности и температур на поверхностях режущего лезвия.

Вторая глава диссертации посвящена обоснованию математической модели интенсификации операции фрезерования с учетом технологических ограничений по точности, шероховатости, износостойкости режущего инструмента, на основе экспериментального исследования влияния условий резания на погрешности, шероховатости, стойкость инструмента и силы резания, а также обобщению этих связей путем использования физических характеристик процесса фрезерования - сил и температур.

Рис. 1. Зависимость погрешности обработки Д^от подачи (а), глубины резания (б), глубины врезания (в) при различных критериях затупления, твердости инструмента

При фрезеровании плоскостей (сталь 45) торцовыми и концевыми твердосплавными и быстрорежущими фрезами экспериментально исследовано влияние на погрешность обработки условий резания. Установлено, что на погрешность обработки Д ,, возникающей под действием сил, влияет большое число факторов (рис. 1): подача на зуб Sz, глубина резания t, глубина врезания е, критерий затупления h3, твердость обрабатываемого материала, радиус при вершине зуба фрезы г, углы в плане <р и наклона режущей кромки X и др.

В связи с этим исследовалась возможность сокращения числа факторов путем обобщения их влияния использованием соответствующих технологических составляющих технологические составляющие технологические составляющие силы фрезерования Pv, Рн, Pw.

Силы резания измерялись на станках моделей GILDERMESTER, HERMLE динамометром KISTLER. При этом было установлено, что в условиях нестационарного резания, характерного для процесса фрезерования, колебания датчиков динамометра вносят большие погрешности в измеряемые силы (рис. 2а).

Более точные измерения могут быть выполнены при стационарном, установившемся процессе резания, например при точении (рис. 26).

Выявлено, что технологические составляющие технологические составляющие силы фрезерования для каждого конкретного углового положения зуба фрезы с достаточной точностью могут быть рассчитаны по данным о силах при точении при аналогичных условиях резания: проецированием со-

ставляющих сил при точении Рх, Рг, заданных в системе координат, связанной с вращающимся зубом фрезы, на оси системы координат, связанной со станком

Н,У,\У.

10

5

2:

СС О

■ас

-5

15 ■ 10 ■

«5 5 ■ ■■■ 1,1 ■ —Рх(Рг) — Дг|йо

0 5

б)"

•10 ■|

Рис. 2. Зависимости технологических

составляющих силы фрезерования (а) и точения (б) от времени

Рис. 3. Сопоставление расчетного крутящего момента с экспериментальными данными А. М. Промпто-ва при фрезеровании стали 20 твердосплавной торцовой фрезой 0=150 мм, г=б, у=10°, В-75 мм, (=3 мм

Это позволило использовать данные, полученные при точении, и значительно сократить количество опытов, проведенных непосредственно при фрезеровании. Достоверность этого метода определения сил фрезерования подтверждена сходимостью результатов, полученных непосредственно при фрезеровании и рассчитанных по экспериментальным данным при точении (рис. 3).

- \Уг „ V

(О

&У =Д0|

А

0,5

Г

0,7.

I

0,7

где 4^0,05-0,109; Ра=849-2060; *=0,46-1,57; >=0,57-2,88; г=0,04-0,47.

Сопоставлением полученных аппроксимирующих функций (1-2) доказано, что влияние большого числа факторов, определяющих погрешности обработки, может быть обобщено использованием соответствующей технологической составляющей силы фрезерования, действующей в нормальном направлении.

Аналогичные выводы получены и для шероховатости обработанной поверхности, с той лишь разницей, что шероховатость зависит не только от сил, но и от температур фрезерования:

где Rz%>ac4 - учитывает влияние подачи и геометрических параметров фрезы, Д -учитывает влияние соответствующей технологической составляющей силы фрезерования.

Характеристики износостойкости инструмента представлены в виде допускаемых скоростей резания для быстрорежущих и твердосплавных фрез, которые определялись с использованием экспериментальных зависимостей температуры от скорости резания при различных толщинах срезаемого слоя и твердостях обрабатываемого материала, полученных H.H. Зоревым, А.Д. Макаровым для точения. Переход к условиям фрезерования осуществлялся с учетом зависимости толщины срезаемого слоя от параметров фрезерования:

• SZ Y°'Y D V''Y Є Г'05 • -0 5 }-*>

vS00.o=145-------- ——I ------ — sin© * cos¿ ,

U500J (0,14j {22,6) 1^5,5) Y

-0,18 f ^-0.06

cos X'

(4)

На основании выполненных исследований получена математическая модель интенсификации фрезерования плоскостей в виде максимума минутной подачи (£,„,„ —> max) при ограничениях по точности (1), шероховатости обработанной поверхности (3) и износостойкости режущего инструмента (4). Область применения этой модели ограничивается только теми условиями резания, при которых проводились эксперименты

В третьей главе для расширения области использования модели интенсификации и учета большего числа факторов решались задачи обобщения технологических ограничений с использованием теоретических методов расчета характеристик фрезерования.

Схематизация процесса фрезерования приведена в соответствие международным стандартом ДИН и доработана применительно к обработке уступов (рис. 4, 5). Для цилиндрических и торцевых фрез, а также периферийной и торцовой части концевых фрез принято, что глубина резания t измеряется в направлении оси вращения фрезы, а глубина врезания е в рабочей плоскости перпендикулярно подаче (рис. 4, 5). Показано, что положение фрезы относительно фрезеруемой поверхности (боковое, лобовое и т. д.) необходимо характеризовать путем задания двух значений глубины врезания ен и ек, соответствующих

началу и концу контакта зуба с обрабатываемой поверхностью, причем при обработке уступов значения глубин резания и врезания необходимо задавать для каждой из обрабатываемых плоскостей (рис. 5).

а) Основная плоскость

Ю

£

' Н ' V* 8г

1

!’ГТ1 чЖМ-і

А і

61 Рабочая плоскость

е) Плоскость струтообртс^тия

А-А

Рис. 4. Схема фрезерования торцовой фрезой

а) Основная плоскость в) Плоскость резания

Технологические составляющие силы резания в системе координат, связанной со станком Ру, Рц, /'и-, определялись путем проецирования приращений проекций сил на передней и задней поверхностях на технологические оси и последующего интегрирования. Уточнение расчета сил Ру и Р№, достигнуто благодаря допущению о расположении плоскости стружкообра-зования перпендикулярно режущей кромке в каждой ее точке.

І-— •г -

п ! 'Н IIV

Вид А

г) Плоскость стружкообразования

Вг

бГ~

ті і

п Т в

■■ 'Б /

6) Рабочая плоскость

л-л

Рис. 5. Схема фрезерования концевой фрезой

1500 ї I 1000 - о Д. і I Рїрасч Рурасч

-і Рирасч ♦ РЬэксп

• ■Ь'- Л: "Т ~! 4 Р\'ЭКСП ■ Ртксл

500 -

а) 50 Скоро 100 стьре 150 зания 200 л/мин

I Рґрасч рурасч

3: у А Рйрвсч ♦ Ріїжсп А РЧЭКСП ■ Рюксп

V У Л' , 1

У --•Г

іґ - 1

б) 0,1 Псс 0.2 ёчаш 0,3 уб- ММ' 0,4 зуб

Рис. 6. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных при фрезеровании торцовой фрезой (у=10°, а =8 °, (р=90 “, /1=0 0=63 мм, 2=1) е„=0, ек=30 мм при различных скоростях резания, подачах

Теоретически рассчитанные зависимости технологических составляющих силы фрезерования от характеристик режима резания хорошо согласуются с экспериментальными (рис. 6). Это позволило использовать для обобщения факторов, влияющих на погрешность и шероховатость обработанной поверхности, теоретически рассчитанные технологические составляющие силы фрезерования.

Для анализа изменения сил, крутящих моментов, мощности при различных условиях фрезерования были разработаны программы, позволяющие не только определять характеристики фрезерования для конкретного положения зуба фрезы, но и представлять их в виде графиков в зависимости от времени или угла поворота, т. е. моделировать процесс фрезерования (рис. 7).

Время, с

Рис. 7. Графики зависимости сил фрезерования, крутящего момента и мощности при фрезеровании торцовой частью концевой фрезы: £>=16 мм, }»=10о, ^=90°, 2=4, ^=0,1 мм, 5^=0,1 мм/зуб, е=8 мм, Г=0,5 мм

і 300

§ 200

§ 100 о

о

Угол поворота зуба, град

1 93 І85 277 369

Угол поворота зуба, граб

Анализ результатов, полученных с помощью расчета и моделирования, позволил сформулировать принцип квазиравномерного фрезерования, заключающийся в целесообразности одновременной работы 1 зуба и минимизации времени холостого хода фрезы, а также оценить значение сил, действующих на задней и передней поверхности инструмента, амплитуду колебаний и изменение направления технологических составляющих силы фрезерования (Рн и Ру) и установить влияние числа одновременно работающих зубьев на величину сил, мощности и погрешностей обработки.

Для условий квазиравномерного фрезерования получены формулы, позволяющие рассчитывать рациональное количество зубьев фрезы:

_ ■ 2 л , -

Z <-------7------------,-------7-------^ - для торцовой,

arccos

1-

2(g„ + В)

ФР

А

1-

2е„

д

фр

2 л

arccos

2е

Офр

Л

<Z<

2л

(5)

+ Д$1

1-

2е

—для цилиндрической.

Д

фру

Помимо сил рассчитывались температуры на поверхностях режущего лезвия. При этом учитывалось изменение характеристик материала при резании, взаимосвязь пределов текучести и температуры, изменение толщины срезаемого слоя при вращении зуба фрезы, наличие мощного источника теплоты на участке застойной зоны задней поверхности зуба, а также теплоотвод в режущее лезвие. Учет отвода теплоты в режущий инструмент позволил уточнить расчет температуры в пределах 10%. Расчетные температуры на передней поверхности хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными А.И. Пром-птова.

В работе была получена численная оценка изменения температуры поверхностей режущего лезвия в течение периода резания и холостого хода (рис. 10). Установлено, что температуры поверхностей режущего лезвия в период холостого хода уменьшается примерно на 70% (рис. 8).

Полученные результаты подтверждают ранее высказывавшееся некоторыми учеными предположение о существенном колебании температур поверхностей режущего лезвия при фрезеровании, приводящим к циклическим термическим напряжениям. Этим объясняется существенное влияние частоты вращения поверхности режущего лезвия фрезы твердосплавной фрезы на ее

в период резания и холостого хода стойкость.

Сопоставление экспериментальных данных об интенсивностях изнашивания твердосплавного режущего инструмента при фрезеровании с аналогичными данными, полученными при точении, позволило обобщить влияние температуры и частоты вращения фрезы на суммарное время непрерывной работы одного зуба Получена формула для расчета стойкости фрезы, учитывающая влияние угла контакта и периода холостого хода зуба фрезы:

гт7 2л1г3*

( 2еЛ’

1000<?ь (я, в) агсож 1 - — IV

0,4

где <5¿(0,п) =

{ 0,-в^ ' 2 / \ п

Й — Й ч ^тах рац ^гшп , ,"сь

(Ятырт-Ятт)/Км-Я^п1 Кк - интен-

сивность изнашивания, Км - коэффициент, учитывающий свойства материала; <5тш и в,„1„ - минимальная интенсивность изнашивания и соответствующая ей температура; 6тахра!, и 0тах рац - максимальная рациональная интенсивность изнашивания и соответствующая ей температура, п - частота вращения фрезы, по

- условно малая частота вращения.

На основании выполненных теоретических исследований и использования разработанных программ расширено количество ограничений в математической модели интенсификации операции фрезерования:

Я,,,,» —■► тах при следующих ограничениях:

» ^ Ду(и) ^ Л рум ^ .* ,-ч

Нюр - —: - Д пюр ’ цил - : — А чш > С?)

] ]

^2 тор ~ пюР' К г пт ~/(0(п)’РУ(п)) - V™ > (8)

Ые<Ыф)йМ*е, (9) Мкр<Мкр(п)<Мкр\ (10)

у = П)> О О вм ’ О2)

т=--------2лйз, - , <г*, (13)

1000«^ агссоб! 1 - |у

(14) п*т;п<п<п;ах, (15)

где индекс * - означает допускаемые значения соответствующих величин, индекс (п) - означает, что характеристика рассчитывается по программе, индексы цил и тор означают соответствующие характеристики, определяемые для поверхности, обрабатываемой периферийной или торцовой частью фрезы, 0(11) -температура одной из поверхностей (наибольшая) зуба фрезы.

В четвертой главе представлены результаты практического применения и внедрения выполненных исследований в производство и учебный процесс.

Приведены рекомендации по оптимизации операции фрезерования уступов стальных деталей с учетом технологических ограничений с помощью разрабо-

тайной программы анализа операции обработки уступа, путем последовательного приближения и варьирования факторов, характеризующих конструктивные, геометрические параметры фрезы, режимы резания.

Г(80СР) при

0=10 км

г>(801) при

0=1 2 мм

Г(80Р) при

0= 1$ ми

1%6йчин) При

0=10 Ми

/ХбСмин} ори

0=12 т

,1(6СЫ1Л) при

0= 16 ми

■' вмин ори

0=10 мм

—вмингри

0=16 мм

Рис. 9. Зависимость частоты вращения твердосплавной (а), быстрорежущей (б) фрезы и погрешности обработки от подачи на зуб: сталь (НВ 1800 МПа), а = 6°, А = 36°, у = 10°, е,„= 8 мм, е,,=7 мм, Г„,= г = 0,5 мм, ?,,= 15,5 мм

Выявлено, что черновое фрезерование сталей концевыми фрезами обеспечивает 10-11 квалитеты точности. Установлено, что с уменьшением диаметра твердосплавной фрезы возрастает роль ограничения по стойкости, связанного с влиянием частоты вращения на интенсивности изнашивания режущего лезвия. В этом случае применение быстрорежущих концевых фрез малых диаметров может быть более целесообразным, чем твердосплавных (рис. 9).

При чистовой обработке режимы фрезерования ограничиваются не стойкостью фрезы, а рациональной температурой на поверхностях зуба. При этом твердосплавные фрезы оказались более производительными, чем быстрорежущие.

Выполненный анализ показал целесообразность уменьшения диаметра фрезы, как при черновом, так и при чистовом фрезеровании. Этот вывод согласуется с рекомендациями нормативов режимов резания, полученными на основании обобщения эмпирических данных.

Обоснованы рекомендации по назначению рационального числа зубьев фрезы по формулам 1.5. Выявлено, что рациональное количество зубьев концевой фрезы ограничивается условиями ее работы на торцовой части.

¡Торцово-цилиндрическое фрезерование

Размеры обрабатываемых поверхностей Таблица 1 Технологические требования и ограничения

Высота уступа 16 Ширина ; уступа 6ц, мм Пц, мм Пт, мм -Вт ( бгор, мм ; 5зер, мм Яг гор, мкм | | Рг вер, мкм Стойкость, шн Мощ- ность, кВТ 5

6' 15.5 8 0.5; 8 0.036) 0,043 10 10 60

Свойства обрабатываемого материала Таблица 2

НВ. Мпа ЕГ Я! т ; 0 :0 Р) В ! ли ЯЕЗ и к

1700 596,667- 0.2; 6.15! 1.25' 6.3 0.75 1.3; 1.6 0,000008 5; 1800

:

Геометрия инструмента а режимы резания Таблииа 3

Гпавная режущая кромка

У." а,а у?,8 Ь1, мм выт," V <Р,е г, мм Кг, мкм Нц. мм ИЗ. ММ

10 6; 9; 0.20226 90,0456 35 90 0,5 0,976563 8 0.3

ви!вг 0 фр, мм г |с?. | вмц, • пг об/мин 5г, ыи'зуб Бо, мм/об Д0 Ы 61 / Нг Пт

1,0005 16 4 90 90.0456 1450 0,25 1 5,00254 Ш5314 9.3925 13 17 18

Режим резания Усадка стружки* пг1

V, М/МИН 5мин (ц мм еиц, мм екц, мм 62 град Ф град 5 I. 00 град.С N

72,848 1450 15,5 0 8 90,0456 90,04565 2 0,01 300 1.0136 0,6 \в тр„ |<с

*г, мм ент, мм ё*!Т, мы 170.£ЭВ& 1,89665

0,5 0 8

ЧйСПО губвев на периферийной части фрезы Число зубьев торцовой части фрегы

2,1! <г< ; 4.0 г = 4,0)

Температуры на передне» и задней поверхностях режущего лезвия

600

400

200

0

0,114 0,252 0,39 0.529 0.673 0,822 0.972 1,121 Длина контта. мм

О 500

«3 400

300

в) 5 г 200

& 100 0

0,050,05 0,06 0 ! 0,140,17 0,21 0,250,29 0,32 Координата задних поверхностей, мм

Максимальные температуры

■=£1£Е!

Тзтар

Средние тешераг/ры

гЭ ЦПЛИНДСИ-ЬСКСИ

Тп цип

Гп сртор

Тз ср тор

на циливдри-<5ск‘сй

Тп ср цкл

Тз ер цил

Рутсс. Н Р'Ьтар, Н Р.утор. И

Составляющие силы фрезерования

Руцип.Н

3511

-2917

РЬцил, Н Р,уц',!л. Н Русумь*. Н |РЬау»и. пРу,Су:.ш, (

-21501 39971

-2766,

Крутя-

щий

нонент,

Ни

Мощ-

ность,

нВТ

Прогнозируемая погрешность, ни Прогнозируемая шероховатость

йт, мл? ! Дц, им Л?, мм ■ И/и Ягтар, мкм ¡Ягцт. ит

0,170! 0,141 0,032; 20000 14; 13:

Оценка стойкости инструмента

Т?)*5з, мин Т£. сплзг Б р 2 16

Тинстр. УИН 8 63

61. мм 1.94372Е-06 2.62923Е-07

Путь. МИ- 18221

Уахтбупбрэтурэ 520

Мах допустимая 930

Мин ц=гбссссра. г 74*

Км 1!

Рис. 10. Интерфейс программы по расчету и моделированию характеристик фрезерования при обработке уступа

Разработанные для анализа операций фрезерования программы (в приложении Microsoft Office Exei), позволяют (пример программы приведен на рис. 10):

• определять в графической и численной форме распределение температур по передней и задней поверхности зуба фрезы, максимальные и средние температуры;

• рассчитывать технологические составляющие силы фрезерования для различных угловых положений зуба фрезы;

• оценивать погрешности обработки, связанные с силами резания и изнашиванием инструмента, шероховатость обработанных поверхностей и прогнозируемую стойкость режущего инструмента;

• назначать геометрические параметры фрез и режимы резания, соответствующие максимальной производительности с учетом технологических требований и ограничений.

Результаты, полученные с помощью разработанной программы, сопоставлены с общемашиностроительными нормативами режимов фрезерования.

Проведенные исследования позволили оценить влияние угла наклона режущей кромки на технологические составляющие технологические составляющие технологические составляющие силы фрезерования. Установленные расчетом рациональные значения угла наклона режущей кромки для концевых (Я = 30-40°) и дисковых фрез (1 до 15°) хорошо согласуется с значениями этих углов, полученными опытном путем и фактически использующимися на производстве (рис. 11).

— Pvmop при lipO, 250, -Pvmop при tірО.Ю

— Pvmop про fq=D

• - Рщил при ІірО, 250

■ - Р\цип при /<рО.50

■ - Рмщл при lti=D

— Рхуии при ІірО, 250

— Ріс учи при tU‘0.SD

— Рьсуии при ІЦ-0

Угол наклона режущей кромки

-200

\ -400

• -600

І -800 )

-1000

-1200

-1400

4Г)

"

'V

-----Ритор при 1ц*0.250

-----Рмпор при ¡4=0.50

-----Ршор при 1ц°0

-----Р\щип при 1ц*0,250

-----Рщцп при «ц*0.50

-----Рнциппри1ц*0

-----Рисуыи при /«*0.250

-----Рпсуии при 1цш0,50

-----Русуим при 1ц-Р

Угол наклона режущей кромки

а) б)

Рис. 11. Г рафики зависимости технологических составляющих силы фрезерования от угла наклона режущей кромки при обработке стали НВ 1800 МПа концевой твердосплавной фрезой 0=16 мм, 2=4, /^=0,3 мм, &=0,1 мм/зуб, «=2250 об/мин

Кроме того моделирование операций фрезерования позволило учесть влияние критерия затупления по задней кромке 1г3, которое в ранее не учитывалось. Показано, что его выбор в каждом конкретном случае должен быть обоснован путем анализа и оптимизации операции с учетом технологических ограничений. Сопоставление результатов моделирования с известными нормативами выявило удовлетворительное совпадение только для условий резания, в которых проводились опыты. Рекомендации, полученные экстраполяцией эмпи-

рических зависимостей за пределы областей проведения экспериментов, существенно отличались от расчетных (рис. 12).

Рис. 12. Сопоставление расчетных значений с рекомендованными общемашиностроительными нормативами скоростей резания от подачи при фрезеровании стали НВ 2100 (а) торцовой фрезой из Р6М5 (а):

0=80 мм, £=4, «=1,5 мм, </>=90°, 5/0=0,6) и Т15К10 (б): 0=125 мм, г=6, <?=90°, 2=10, у=0 °, а=12 ", Я=12 °, 5=1 мм, 5/0=0,5,1=3 мм)

В качестве еще одного практического приложения разработанной модели интенсификации фрезерования рассматривалась задача оптимизации конструктивных параметров фасонной фрезы и режимов фрезерования при восстановлении профиля железнодорожного колеса. Используемая в настоящее время фасонная фреза в ряде случаев не обеспечивала требований к точности восстанавливаемого профиля.

Расположение режущих лезвий фасонной фрезы на развертке поверхности резания

Рис. 13. Схема фрезерования при восстановлении профиля железнодорожного колеса и расположение режущих элементов на развертке поверхности резания

Моделирование и анализ показали, что наибольший диаметр фрезы может быть уменьшен в 1,5 раза. Количество режущих элементов уменьшено со 126 до 42 за счет приближения формы режущих пластин к форме профиля колеса. Для этого использованы стандартные твердосплавные пластины шестигранной

формы с углом 80 град. Это обеспечивает требуемую шероховатость и повышает надежность работы фрезы за счет дублирования обработки каждого участка профиля тремя режущими зубьями (рис. 13). Обосновано рациональное расположение режущих элементов, обеспечивающее одновременную работу 2-3 зубьев (вм), уменьшающее по сравнению с аналогом суммарную ширину срезаемого слоя.

Для достижения требуемой равномерности фрезерования и точности обработки изменена схема фрезерования. Учитывая значительные колебания припуска обрабатываемых колес, принята схема фрезерования с постоянной глубиной врезания за счет регулирования поперечной подачи фрезы (рис. 13).

Благодаря формуле для определения максимального угла контакта фрезы с обрабатываемым колесом, учитывающей кривизну обрабатываемой поверхности, точность определения толщины срезаемого слоя повышена на 10%:

в.. = агс сое

{0к+0фр-2е?-01+1)* 2Эфр{рк —2е)

Фр

(16)

0,000 0,080 0.160 8рв>^Я, с

-ХГ

Ю 4 § ? -

Л С О

0,000 0,113 0,226 0,339 Время, с

Г\Г\Л.АГ\Г\

з: ^ О _

0.000 0,161 0,322 0.483 Время с

а) 6) в)

Рис. 14. Влияние глубины врезания (снимаемого припуска) на колебания силы Ру: а) е =2 мм, б) е = 4 мм, в) е = 8 мм

Рациональные диаметр, углы наклона режущих лезвий, глубины врезания (рис. 14), критерий затупления выбирались на основе анализа операции с учетом технологических ограничений по точности, шероховатости и износостойкости инструмента. Рекомендации по назначению режимов фрезерования железнодорожного колеса даны для широкого изменения твердости.

Общие выводы

1. Разработанные математическая модель и программы анализа операций фрезерования, позволили определять рациональные параметры фрез и режима резания, обеспечивающие максимальную производительность при соблюдении технологических требований к точности, шероховатости обработанной поверхности, износостойкости инструмента.

2. Выполненные исследования позволили установить связи факторов, характеризующих условия фрезерования, с технологическими характеристиками (погрешностями обработки, шероховатостью поверхности, износостойкостью инструмента), и обобщить их путем использования физических характеристик (сил, температур, интенсивностей изнашивания).

3. Разработанная схематизация операций фрезерования плоскостей и уступов, основанная на едином подходе к описанию различных способов лезвийной обработки, использование термомеханических моделей расчета сил и температур резания, позволили определять технологические составляющие силы фрезерования (Pv, Pu, Pw)y температуры поверхностей режущего лезвия, интенсивности изнашивания и стойкость инструмента по известным экспериментальным или теоретическим данным при точении.

4. Установлена количественная зависимость соотношения интенсивностей изнашивания и стойкостей инструмента при фрезеровании и при точении от частоты вращения фрезы и показано, что уменьшение времени непрерывной работы зуба фрезы до затупления связано с колебаниями температур поверхностей режущего лезвия в период резания и холостого хода, которые согласно расчетам достигают 70% от максимальных.

5. Показано, что математическая модель интенсификации операции фрезерования, основанная на теоретически определяемых характеристиках процесса фрезерования, отражает влияние большего числа факторов и имеет более широкую область применения, чем модель, основанная на аппроксимации зависимости технологических ограничений от условий фрезерования эмпирическими функциями.

6. Разработанные программы и рекомендации использованы в научных исследованиях и в учебном процессе в ОмГТУ, ПГУПС, КГУ.

Основные публикации по теме диссертации

Публикации в рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК:

1. Кушнер B.C., Бургонова О.Ю. Расчет сил и моделирование процессов фрезерования сталей торцовыми и цилиндрическими фрезами на основе термомеханического подхода// Омский научный вестник. - Омск, 2008. - Выпуск 4 (73). С. 48-53.

2. Кушнер B.C., Бургонова О.Ю., Воробьев A.A. Влияние неравномерности фрезерования и температур на поверхностях режущих лезвий на рациональные параметры фрезы и режима резания // Омский научный вестник. - Омск, 2010 - С. 128-135

3. Кушнер B.C., Бургонова О.Ю., Лангеман С.В. Совершенствование методики теоретического определения температур и сил резания для инструментов из быстрорежущих сталей // Омский научный вестник. - Омск, 2011. - Выпуск 2 (100). С. 30-32.

В других научных изданиях:

4. Кушнер B.C., Бургонова О.Ю. Теория стружкообразования: монография/ Кушнер B.C., Бургонова О.Ю. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. -176 с.

5. Кушнер B.C., Бургонова О.Ю. Назначение режимов торцового фрезерования по критериям точности обработанной поверхности и теплостойкости инструментального материала // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетнокосмической и авиационной техники. — Матер. IV Всерос.науч. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009.-С. 154-158.

6. Кушнер B.C., Бургонова О.Ю. Определение рациональных режимов фрезерования сталей торцевыми фрезами по Допускаемым максимальным температурам //

Динамика систем, механизмов и машин: Матер. VII Междунар. науч.-техн. конф. -Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009. - Кн. 2. - С. 331-336

7. Кушнер B.C., Бургонова О.Ю. Определение рационального числа зубьев при квазиравномерном торцовом фрезеровании // Россия молодая: передовые технологии

- в промышленность: матер. Всерос. науч.-техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. -Кн.1 - С. 74-77

8. Кушнер B.C., Бургонова О.Ю. Влияние сил резания на рациональное число

одновременно работающих зубьев при торцовом фрезеровании // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность: матер. Всерос. науч.-техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008.-Кн.1-С. 69-73 .

9. Кушнер B.C., Бургонова О.Ю. Моделирование сил при фрезеровании сталей торцовыми и цилиндрическими фрезами // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологи в машиностроении. В 2 т. Том2: Материалы IV международной научно-технической конференции. - Тюмень: Изд. «Вектор Бук». 2008. -С. 52-57.

10. Кушнер B.C., Бургонова О.Ю., Горшенин B.Á. Определение рациональных режимов торцового фрезерования сталей на основе термомеханического анализа процесса резания // Технология производства машин: Межвузовский сборник научных трудов. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, ФГОУ ВПО НГТИ, 2008. - Вып. 2. -С. 86-91.

11. Кушнер B.C., Бургонова О.Ю., Горшенин В.А. Оптимизация торцового фрезерования сталей по температурам и силам резания П Резание и инструмент в технологических системах: Междунар. науч.-техн. сб. - Харьков : НТУ «ХПИ», 2008. — Вып.75. - С. 196-203.

Печатается в авторской редакции

Компьютерная верстка Т. А. Бурдель

ИД№ 06039 от 12.10.2001 г.

Подписано в печать 01.02.2012. Формат 60x84 V]6. Бумага офсетная. Отпечатано на дупликаторе. Уел. печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 100.

Издательство ОмГТУ. 644050, г. Омск, пр. Мира, 11 ; т. 23-02-12 Типография ОмГТУ

61 12-5/1991

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Омский государственный технический университет

На правах рукописи

БУРГОНОВА Оксана Юрьевна

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ОБРАБОТКИ ПЛОСКОСТЕЙ С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФРЕЗЕРОВАНИЯ

Специальность: 05.02.08 - «Технология машиностроения»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кушнер B.C.

Омск-2012

Введение 5

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФРЕЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ 9

1.1. Оптимизация операций обработки плоскостей фрезерованием 9

1.2. Оценка погрешности обработки, шероховатости обработанной поверхности при фрезеровании 15

1.3. Анализ существующих схематизаций процесса фрезерования

1.4. Экспериментальное определение сил и температур при фрезеровании

18

21

1.5. Теоретическое определение сил и температур резания 26

1.6. Учет ограничений по износостойкости режущего инструмента 31

Выводы по главе 1 36

Задачи исследования 36

ГЛАВА 2. ПОСТАНОВКА И РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФРЕЗЫ И РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ НА ОСНОВЕ ЭМПИРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 38

2.1. Влияние условий резания на погрешности обработки при фрезеровании торцово-цилиндрическими фрезами 39

2.2. Влияние условий резания на шероховатость обработанной поверхности при фрезеровании торцово-цилиндрическими фрезами 52

2.3. Влияние условий резания на технологические составляющие

силы фрезерования 57

2.4. Определение рациональной скорости резания (частоты вращения фрезы) из условия максимальной износостойкости инструмента 66

2.5. Математическая модель оптимизация операции обработки уступа с учетом технологических ограничений по точности, шероховатости и износостойкости режущего инструмента на основе экспериментальных зависимостей 69

Выводы по главе 2 73

ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФРЕЗЫ И РЕЖИМОВ ФРЕЗЕРОВАНИЯ С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ НА ОСНОВЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛ И ТЕМПЕРАТУР ФРЕЗЕРОВАНИЯ 75

3.1. Схематизация процесса фрезерования при обработке плоских поверхностей, уступов 75

3.2. Экспериментальная проверка математической модели по определению сил резания и анализ влияния режима резания и геометрических параметров инструмента на технологические составляющие силы резания 84

3.3. Теоретическое определение температуры на поверхностях режущего лезвия при фрезеровании стальных деталей 94

3.4. Моделирование температур на поверхности режущего лезвия в период холостого хода фрезы 104

3.5. Влияние температуры и частоты вращения на средние интенсивности изнашивания режущего лезвия при фрезеровании 107

3.6. Математическая модель оптимизации операции фрезерования плоскостей на основе теоретического определения сил и темпе-

121

121

ратур фрезерования 111

Выводы по главе 3 118

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФРЕЗЕРОВАНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ И КОНСТРУИРОВАНИЯ ФРЕЗ

4.1. Методика оптимизации операций фрезерования плоских поверхностей

4.2. Автоматизация расчетов характеристик режима резания и конструктивных параметров фрез при проектировании технологии фрезерной обработки применением ЭВМ 128

4.3. Сопоставление данных общемашиностроительных нормативов с режимам резания, полученными на основе разработанной программы 131

4.4. Анализ операции восстановления профиля железнодорожных колес фасонной фрезой на основе моделирования процесса. 135

Выводы по главе 4. 143

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 144

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 147

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 149

Приложение 159

Введение.

Одной из основных задач науки о технологии машиностроения является снижение себестоимости продукции или повышение производительности обработки при обеспечении разнообразных технологических требований, в частности, к точности, шероховатости обработанной поверхности и износостойкости режущего инструмента. Решение этой задачи применительно к обработке плоскостей, поверхностей типа уступов сдерживается тем, что фрезерование торцовыми, концевыми и дисковыми фрезами является одним из сложных способов лезвийной обработки, зависящим от большого числа факторов, а также тем, что математические модели этих процессов недостаточно разработаны.

На практике, а также при разработке нормативов, рекомендаций по назначению режимов фрезерования эта задача решается на основании экспериментальных исследований. Эмпирический путь успешно использовался для оптимизации условий в конкретных условиях обработки, для доказательства достоверности разрабатываемых моделей, определения или уточнения эмпирических констант, однако в связи с огромным числом требуемых дорогостоящих и трудоемких опытов, а также при наличии разнообразных технологических ограничений он недостаточно эффективен.

Использование теоретического моделирования процесса фрезерования плоскостей и уступов сдерживалось недостаточно разработанными схематиза-циями процесса и теорией определения сил и температур фрезерования.

Таким образом, интенсификация обработки плоскостей с учетом технологических требований на основе использования экспериментальных и теоретических методов, а также учета ограничений не только с износостойкостью инструмента и шероховатостью обработанной поверхности, но и с точностью обработки актуальна как для науки о технологии машиностроения, так и для машиностроительного производства.

Целью работы является повышение производительности обработки плоскостей стальных деталей с учетом технологических требований к точности, ше-

роховатости обрабатываемой поверхности, износостойкости режущего инструмента и других на основе экспериментального и теоретического исследования процесса фрезерования.

Методами исследований являются экспериментальные методы измерения погрешности и шероховатости обработанных поверхностей, сил резания; планирование эксперимента и статическая обработка экспериментальных данных с целью их аппроксимации подходящими функциями теоретически определяемых факторов; теоретические методы расчета технологических составляющих силы фрезерования, температур на поверхностях режущего лезвия, точности, шероховатости обрабатываемой поверхности, износостойкости инструмента и интенсивности изнашивания режущего лезвия.

Практическая значимость диссертации заключена в разработке:

• программ для определения физических характеристик операций фрезерования плоскостей и уступов торцовыми, цилиндрическими, концевыми и дисковыми фрезерами;

• методики оптимизации параметров фрезерования при технологических требованиях и ограничениях, заключающейся в последовательности назначения конструктивных и геометрических параметров фрез, режимов резания;

• рекомендаций по обоснованию параметров конструкции фрезы и рациональных режимов резания операции восстановления профиля железнодорожных колес фрезерованием.

На защиту выносятся математические модели и программы для ЭВМ по расчету, моделированию характеристик фрезерования и интенсификации операций фрезерной обработки плоскостей и поверхностей типа уступов стальных деталей, с учетом ограничений по точности, шероховатости обработанной поверхности и износостойкости режущего инструмента.

Научная новизна.

•Установлено, что влияние условий резания на технологические характеристики может быть обобщено путем использования теоретически рассчитанных

сил фрезерования и температур поверхностей режущего лезвия, характеристик изнашивания и износостойкости режущего инструмента.

•Выявлено, что силы фрезерования и температуры поверхностей режущего лезвия могут быть рассчитаны по экспериментальным или теоретическим данным о силах и температурах при точении на основе разработанной схематизации процессов фрезерования торцовыми, концевыми и дисковыми фрезами.

•Доказано, что влияние угла наклона режущей кромки на технологические составляющие силы фрезерования является следствием перпендикулярности плоскости стружкообразования режущей кромке.

•Установлено, что влияние расположения фрезы относительно фрезеруемой поверхности на характеристики процесса фрезерования может быть обоб-щено заданием двух значений глубины врезания в рабочей плоскости, характеризующих начало и конец работы зуба фрезы.

•Выявлено, что рассмотрение параметров срезаемого слоя относительно рабочей плоскости позволяет связать технологические характеристики, такие как ширина обрабатываемой поверхности и припуск, с параметрами процесса резания - глубинами врезания и глубинами резания.

•Установлено, что в условиях ограничений по допускаемым погрешностям обработанных поверхностей при рациональных значениях критерия затупления инструмента наибольшая минутная подача достигается при одновременной работе одного зуба фрезы и минимуме периода холостого хода, что связано с влиянием сил на задней поверхности инструмента.

•Выявлено, что при фрезеровании амплитуда колебаний температуры поверхностей режущего лезвия за его один оборот составляет около 70% от максимальной температуры, что объясняет существенное влияние частоты вращения фрезы на ее стойкость.

Практическая ценность диссертации заключена в разработке программ по расчету характеристики операций фрезерования и методики оптимизации операции фрезерования при ограничениях по точности, шероховатости обработанной

поверхности и износостойкости режущего инструмента; разработке рекомендаций по оптимизации конструкции фрезы и расчету рациональных режимов резания для операции восстановления профиля железнодорожных колес фрезерованием.

Реализации: полученная математическая модель интенсификации операции фрезерования и разработанные программы по определению характеристик процесса фрезерования, методика определения режимов резания и конструктивных параметров фрез, позволили разработать практические рекомендации по обоснованию диаметра фрезы, числа зубьев, угла наклона режущей кромки, критерия затупления, материала режущего инструмента, режимов фрезерования и др. Программы использовались в учебном процессе при проведении лабораторных работ, РГР, при разработке технологии восстановления профиля железнодорожных колес фрезерованием, анализа и совершенствования нормативов режимов фрезерования торцовыми, цилиндрическими, концевыми и дисковыми фрезами, а также для разработки практических рекомендаций для промышленности.

Апробация работы. Основные научные результаты работы докладывались на международных и межрегиональных конференциях и семинарах, проводившихся в г.г. Тюмени, Томске, Харькове, Екатеринбурге, Омске.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 1 монография и 3 работы в журналах, входящих в перечень рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК для опубликования материалов диссертационных работ, получено одно свидетельство государственной регистрации программ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 98 наименований, и 3 приложений. Основной текст изложен на 148 машинописных страницах, поясняется 81 рисунками и 13 таблицами. Общий объем работы составляет 161 страницу.

Глава 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФРЕЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

1.1. Оптимизация технологии обработки плоскостей фрезерованием.

Оптимизация технологических операций фрезерной обработки плоскостей, поверхностей типа уступов, пазов включает в себя выбор типа и размера фрезы, количества зубьев, геометрических параметров инструмента (углы, радиусы закругления режущей кромки), обоснование выбора инструментального материала и режимов резания [2, 3, 8, 16, 18, 30, 31, 37, 42, 48, 58 и др.].

Анализ нормативов, рекомендаций и др. литературы [57, 72, 78, 79, 80, 91, 95] показал, что выбор вида применяемой фрезы на той или иной операции фрезерной обработки определяется по конфигурации обрабатываемой поверхности и оборудованию. Обоснование применения на данной операции того или иного вида фрезы отсутствует. Например, при обработке поверхности типа уступа можно использовать концевую или дисковую фрезу. При анализе обработке плоских поверхностей наиболее предпочтительной с точки зрения хрупкой прочности считается обработка торцовой фрезой [44, 45, 47, 85], чем цилиндрической.

Диаметр фрезы выбирается наименьшим для сокращения основного технологического времени и расхода материала, но при учете жесткости, схемы резания и размеров заготовки. При торцовом фрезеровании диаметр фрезы В выбирают чуть больше ширины фрезерования В: £>=(1,25-1,5)2?, причем при обработке стальных деталей обязательным является их несимметричное расположение относительно фрезы [32, 61, 80]. В рекомендациях [5, 9] рекомендовано выбирать диаметр фрезы на 30% превышающий ширину обрабатываемой поверхности.

Рекомендации по выбору количества зубьев разрабатываются на основе конструктивных особенностей инструмента (крупнозубая, мелкозубая) [22, 26, 43, 11, 74, 80, 90, 93]. Кроме того, при чистовой обработке предлагается одно-

временное участие в резании 2-3 зубьев [11, 22, 43, 90]. Однако при этом не учитывалось влияние возрастающих сил на задней грани и точность обработки. В [42, 46, 95] рекомендовано обязательное участие в контакте с заготовкой одного зуба. Большее количество одновременно работающих зубьев считается нежелательным из-за возможности возникновения вибраций.

Число зубьев рассчитывается по формулам:

где £=0,6-1,2 для фрез с большим зубом, £=1,75-2,8 для фрез с мелким зубом [90];

0,6Г>

2 = , ' [11],

Лг тах^тах

г = 0,Ш [9, 85].

Таким образом, по различным рекомендациям оптимальное число может колебаться в широком диапазоне. Так, например, по выше приведенным формулам число зубьев торцовой фрезы диаметром 80 мм может колебаться от 3 до 68.

Многие факторы, например, геометрия, тип фрезы, величины затупления режущего лезвия, влияющие на технологический процесс, выбирались, исходя только из практических рекомендаций. Теоретическое обоснование их выбора недостаточно разработано.

Различным аспектам решения проблемы оптимизации процесса обработки резанием посвящены работы ученых: Б. С. Балакшина, В. Ф. Безъязычного, В. Ф. Боброва, С. А. Васина, Г. К. Горанского, Т. Н. Лоладзе, А. Д. Макарова, А. А. Маталина, В.С. Кушнера, В. Н. Подураева, С. С. Силина, Ю. М. Соломенце-ва, В. К. Старкова, Н. В. Талантова, Ф. Я. Якубова, Г. Ю. Якобса, Е. М. Трента, М. Козинези [1, 5, 8, 11, 14, 15, 17, 19, 37, 41, 48, 50, 42, 59, 63, 70, 73, 76, 82, 86, 89] и многих других, заложивших основы фундаментальных исследований в данной области.

Наибольшее внимание уделялось оптимизации выбора подачи и скорости резания. При оптимизации режимов резания в качестве целевой функции ис-

пользовались технологическая себестоимость обработки [11, 53], машинное время [36, 10, 50] или непосредственно минутная подача [57, 15]. На результаты оптимизации наибольшее влияние оказывали сформулированные технологические, физические ограничения, определяющие область допустимых частоты вращения и подачи. В работах [11, 34, 37, 49, 62, 64, 68, 69 и др.] ограничения описывались на основании экспериментальных исследований и аппроксимации их эмпирическими функциями, как правило, степенными.

Метод оптимизации режимов резания, основанный на экспериментальных исследованиях, содержит объективную информацию и необходим для подтверждения теоретических результатов, однако может быть использован только для частных условий, соответствующих эксперименту. К его недостаткам можно отнести: большое число экспериментов, учитывающих взаимное влияние большого числа факторов, отсутствие схематизации и теоретических формул, что вносит дополнительные погрешности.

Традиционно, оптимизация технологических решений при проектировании технологического процесса (операции, перехода) базируется на ранее накопленном производственном или научно-экспериментальном опыте, систематизированном в виде нормативов, стандартов, рекомендаций [9, 57, 79, 80, 95 и др.]. Используемые при оптимизации операций резания издания общемашиностроительных нормативов являются довольно грубым приближением к действительности, а оценка рекомендуемых режимов резания лежит в широком доверительном интервале. Кроме того, нормативы ориентированы на обработку материалов, широко применяющихся в машиностроительном производстве при использовании стандартного инструмента и универсального оборудования, поскольку невозможно учесть все многообразие обрабатываемых и инструментальных материалов, режущих инструментов и т. п. Поэтому част�