автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Исследование, оптимизация и научное обоснование динамических процессов при обработке внутренних поверхностей в труднообрабатываемых материалах

т*/ л &

* í - * V/«

г £ к} /6 (Я 91 - 3

дагестанский государственный

технический Университет

¿,уи?<х/ф-е-сг?г.€ (т^г'йпмп "рагу с"

✓7

Р. В. ГУСЕЙНОВ

доцент, кандидат технических наук

"ИССЛЕДОВАНИЕ, ОПТИМИЗАЦИЯ И НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ОБРАБОТКЕ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ В ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛАХ"

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

(по отрасли судостроение) 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант , заслуженный деятель науки и техники РФ , д.т.н., проф. Алиев Ш.Г.

Санкт-Петербург 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ &

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОБРАБОТКЕ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ В ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЬГХ МАТЕРИАЛАХ

ч

1.1. Особенности обработки отверстий мерными инструментами_д

1.2. Особенности конструкций инструмента, геометрических параметров и схем резания_I \

1.3. Современное состояние исследований динамических процессов при обработке отверстий и стойкости инструмента в условиях автоколебании и вынужденных колебании_| ц.

1.4. Основная цель и задачи собственных исследовании динамических процессов при обработке внутренних поверхностей в труднообрабатываемых материалах

при обеспечении заданного качества_^ £

Выводы к главе 1_2 д

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ОБЕСПЕЧЕНИИ ВЫСОКОГО УРОВНЯ КАЧЕСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

2.1. Обоснование и разработка метода измерения ам-

гшитуды Еибрзцнй инструмента_30

2.2. Исследование процессов и разработка метода

измерения быстроменяющихся сил резания_^

2.3. Разработка методики повышения точности измерений механических Ееличин__с/5

Выводы к главе 2_^ |

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВЫХ ФАКТОРОВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЯХ РЕЗЬБОНАРЕ-ЗАНИЯ

ЗЛ. Исследование динамики окружных и осевых сил, действующих на метчик в процессе нарезания резьбы

3.2. Исследование сил трения в системе "инструмент-деталь"_

3.3. Исследование динамики н формулирование закона изменения момента трения зубьев метчика о витки резьбы за счет скручивания тела метчика и депланации его поперечных сечений_

3.4. Исследование изгибающей силы

3.5. Определение предельного крутящего момента при совместном действии кручения и изгиба_

З.б. Исследование влияния скорости на силы в зоне резания_

3.8. Определение напряжения сдвига по условной плоскости сдвига_

3.9. Определение условного угла сдвнга_ Выводы к главе 3_

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕОРИИ И ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СПИД ПРИ ОБРАБОТКЕ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

4.1. Постановка задачи исследования крутильных колебаний мерного инструмента__

4.2. Разработка математической модели крутильных автоколебаний мерного инструмента_

4.3. Исследование и установление области устойчивости технологической системы при аЕтоколебаниях_ Выводы к главе 4_

52

-й

3.7. Математическая модель совместного влияния элементов процесса резания на силы_

.а

13

и

-22.

зе

ю о

юч

106

-нг

122 ■115

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СПИД ПРИ ОБРАБОТКЕ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

5.1. Обоснование базы данных для исследования динамических процессов при резании_j ¿q

5.2. Исследование депланации поперечного сечения инструмента при кручении_ {j ¿f

5.3. Исследование момента инерции инструмента_

5.4. Оценка динамической жесткости контакта мерного инструмента с деталъю__

5.5. Оценка жесткости мерного инструмента при динамическом нагружении___fjg

5.6. Оценка диссипативных свойств контакта мерного инструмента с деталью при обеспечении заданных параметров качества и производительности процесса

обработки_I^q

Выводы к главе 5_ ^ ^

ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВИБРАЦИЙ НА ПАРАМЕТРЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СПИД ПРИ ОБРАБОТКЕ

6.1. Исследование влияния параметров обработки на автоколебательный процесс_ 5

6.2. Исследование влияния Еибраций на стойкость инструмента _._jjg

6.3. Исследование елияиия вибраций на точность

резьбы и качество обрабатываемых отверстий_

6.4. Исследование елияиия параметров процесса резания на шероховатость обрабатываемых поверхностей_ f ß |

Выводы к главе б _ \ 39

ГЛАВА 7. РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

7.1. Метод повышения виброустойчиЕости метчиков_^ о |

7.2. Метод повышенна виброустончнвости сверл _юц.

7.3 Метод повышения виброустойчнвости разверток_

7.4. Обоснование путей интенсификации резьбонаре-зання с помощью "отрицательных" крутильных колебаний___2/4/

7.5. Метод компенсации осевой силы при резьбона-

нарезанни___21$

7.6. Технология нарезания резьб при наличии радиальных сил ______ 22 в

7.7. Технология нарезания резьб при наличии

изгибающих сил_______2 30

7.8. Методы повышения долговечности и ресурса мерных инструментов__231

7.9. Технология нарезания высокоточных резьб в труд-нобрабашваемых материалах__26 Ч

Выеоды к главе 7 __ 2 НС

ГЛАВА 8. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 2 У 1

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ___ 2НЪ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ_ 2Ч&

ПРИЛОЖЕНИЯ

/53

введение

В современном машиностроении, особенно в кораблестроении, все большее применение находят коррозионно-стойкие и жаропрочные стали и сплавы. Они относятся к числу труднообрабатываемых и характеризуются низкой обрабатываемостью резанием.

Получение качественных внутренних поверхностей в деталях из таких материалов сопряжёно со значительными трудностями, вызванными интенсивными вибрациями упругой системы станок-приспособление-инструмент-деталь (СПИД). Процесс усложняется еще и тем, что здесь крайне затруднено стружкоудаление, затруднен доступ смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону резания. Все это предопределяет низкие: производительность и точность обработки, качество обработанной поверхности, стойкость инструмента и эксплуатационные характеристики изделий. Применение специальных инструментов, дефицитных смазок в качестве СОЖ позволило лишь частично улучшить удаление стружки из зоны резания и незначительно повысить стойкость инструмента. Операцию стали у выполнять на станках, но при пониженных режимах резания и при использовании специальных СОЖ. Таким образом, существенных преимуществ применение такого инструмента не дало.

Детальное изучение результатов экспериментальных работ показало, что указанная проблема не будет качественно решена, если будут продолжал выполнять исследования только на экспериментальном уровне. Необходимо качественное решение данной проблемы. Решение задачи по повышению эффективности обработки внутренних поверхностей в труднообрабатываемых материалах возможно только при наличии научно обоснованной теории динамических процессов при резании, методики управления уровнем интенсивности автоколебаний.

Вопросы динамики в течение уже длительного времени занимают внимание исследователей-трхнологов. Основная масса этих исследований посвящена обработке на токарных и фрезерных станках. Вопросы же динамики процессов обработки внутренних поверхностей изделий изучены совершенно недостаточно. При сравнении вышеуказанных видов обработки

г

можно заметить, что обработка внутренних поверхностей имеет особенности, не характерные для токарных и фрезерных операций. Это: затрудненный доступ СОЖ в зону резания и стружкоудаление, низкая жесткость и прочность режущего инструмента, незначительные размеры режущей часта инструмента, ограниченные размерами обрабатываемой поверхности, некруглое сечение рабочей части инструмента, что вызывает депланацию поперечного сечения при кручении в процессе обработки, большая площадь контакта инструмента с обрабатываемой деталью, многолезвийность мерных инструментов, КхьЗККё скорости резания, еысокзя частота автоколебаний и ряд других причин. До последнего времени не было ни только методики одновременного учета всех этих особенностей при исследовании и оценке динамического качества технологической системы, но и надежных теоретических средств для расчета параметров автоколебаний технологической системы СПИД и методики управления уровнем интенсивности автоколебаний. Нет достаточно строгой (¿? теории, объясняющей влияние вибраций на точность и прошводигельнобть обработки, качество обработанных поверхностей, стойкость режущего инструмента с учетом одновременного изменения скорости резания, толщины среза, а также дополнительных перемещений инструмента, вызванных

т &

Поэтому исследования, направленные на оптимизацию и научное обоснование динамических процессов при обработке внутренних поверхностей в труднообрабатываемых материалах с целью повышения производительности и точности обработки, качества обработанной поверхности, стойкости режущего инструмента являются актуальными.

Ознакомление с опытом работы многих судостроительных промышленных предприятий показывает, что из всех видов обработки внутренних поверхностей машинное нарезание внутренних резьб является наиболее "узким" местом, в технологии обработки деталей. Кроме того, процесс нарезания резьб метчиками наиболее сложный и наиболее полно отражает характерные черты, общие для большинства процессов обработки внутренних поверхностей. Исходя из этого е работе в качестве базового для основных исследований принят процесс резьбонарезания.

Автор выражает признательность своему учителю заведующему кафедрой "Технология машиностроения" Балтийского государственного технического университета "Военмех" им. Д.Ф. Устинова доктору технических наук, профессору

Игорю Григорьевичу7 Жаркову

за помощь в подготовке

рукописи.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОБРАБОТКЕ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ В ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛАХ

1.1. Особенности обработки отверстий мерными инструментами

Для обработки отверстий* используются следующие мерные инструменты: метчики, сверла, развертки, зенкеры, протяжки и др.

Нарезание внутренних резьб, сверление, зенкеров ание, развертывание и протягивание отверстий в заготовках из сталей и сплавов - сложная технологическая задача, что вызвано затрудненным доступом СОЖ в зону резания и стружкоудалением, а также рядом других причин.

Процесс нарезания резьб, сверление в деталях из труднообрабатываемых материалов сопровождается интенсивными крутильными колебаниями инструмента. Наиболее опасны эти колебания для инструментов малых диаметров (D = 1-f 14 мм). Из-за незначительных размеров режущей части тшструмента здесь крайне затруднено стружкоудаленне, что приводит к заклиниванию и скоплению стружки в канавках инструмента. Такие инструменты имеют очень малую жесткость (крутильная жесткость на один или несколько порядков ниже жесткости шпиндельной группы), прочность и виброустойчиЕость, что учитывая плохое проникновение СОЖ е зону резания, предопределяет их весьма низкую стойкость. Частое защемление инструментов в отверстиях заготовит приводят к их деформации, выкрашиванию лезвии, задирам, потерям размеров, поломке инструмента, браку* заготовок.

В то время мелкоразмерные метчики, сверла, развертки - это практически единственный применяемый инструмент для обработки отверстий. Процессы обработки внутренних поверхностей мерными инструментами в течение длительного времени оудут являться не о охо дташмн и совершенствование tlx представляет собой насущную и важную задачу.

Если сравнивать такие процессы, кате нарезание резьб метчиками и развертывание, то можно заметить, что эти процессы и инструменты, которыми они осуществляются, име^т много общих характерных черт, а

именно:

1. Все инструменты имеют много лезвий с большим количеством режущие кромок. Рабочая часть инструмента имеет, как обычно, две части: режущая часть и калибрующая. Режущая часть выполняет основную работу резания, т.е. удаляет большую часть припуска и формирует предварительно внутреннюю поверхность. Калибрующая часть осуществляет окончательное формирование поверхности.

2. Во всех случаях работы мерными инструментами процесс резания осуществляется с незначительными толщинами среза.

3. Во всех случаях применяются невысокие скорости резания (З-т-20 м/мин), т.н. физические процессы в зоне резания и трения должны быть довольно сходными.

4. Размеры всех инструментов ограничены размерами обрабатываемого отверстия.

5. Рабочая часть инструментов представляет собой некруглую стержень и на его распространяется известное положение Сен-Венана о кручении некруглых стержней, согласно которому все точки поперечного сечения некруглого стержня при закручивании, кроме поворота вокруг оси кручения получают еще соответствующие перемещения вдоль оси, что вызывает искривление поперечного сечения или депланацию сечения.

6. Процесс обработки . мерными инструментами характеризуется большой площадью трения, и не только в зоне резания.

7. Условия смазки, охлаждения, тегоюотвода и стружкоудаления во всех этих процессах весьма сходны.

8. Геометрия режущих лезвий этих инструментов, а также углы заточки имеют близкие значения,

9. Мерный инструмент в.процессе работы ориентируется по обрабатываемой или по обработанной поверхности детаяи.

10. Мерный инструмент,, особенно малых размеров, имеет низкую крутильную жесткость, которую невозможно увеличить из-за габаритных ограничении на инструмент . •

Самым важным обстоятельством, объединяющим эти процессы, является то, что процесс обработки внутренних поверхностей мерными инструментами сопровождается интенсивными крутильными колебаниями инструмента.

В силу этих обстоятельств можно говорил» о том, что принципиально может быть создана единая теория динамики технологической системы СПИД при обработке отверстий мерными инструментами. »

1.2. Особенности конструкций инструмента, геометрических параметров и схем резания

Разработка новых конструкций, выбор оптимальных геометрических параметров, рациональных режимов и схем резания при обработке внутренних поверхностей в труднообрабатываемых материалах, особенно в нержавеющих, жаропрочных сталях и сплавах высокой прочности, диктуются низкой работоспособностью инструментов, жесткими требованиями к точности отверстий и качеству поверхностей.

Этим вопросам посвящено большое количество работ как отечественных, так и зарубежных авторов. Анализ этих работ позволяет заключить следующее:

1. Нет единого мнения по выбору оптимальных геометрических параметров инструментов при обработке одних и тех же материалов, что является результатом исследований по методике однофзкторного эксперимента. 3

2. Наблюдается общая тенденция по улучшению конструкций инструментов за счет уменьшения суммарной площади контакта инструмента с деталью. Однако, необходимо теоретическое обоснование этого направления, ибо уменьшение суммарной площади контакта приводит не только к снижению работы трения (снижению крутящего момента, дейст-г вующего на инструмент, заметному снижению температуры в зоне резания), но и снижению устойчивости процесса из-за уменьшения демпфирующих свойств системы СПИД.

3. Существует целая гамма конструкщ-ш инструментов, большинство из которых нетехнологично из-за сложности изготовления.

Автор работы [74] на примере нарезания резьб в аустешпных высо-коупрочнжщихся сталях типа 45ГГ7ЮЗ предлагает метчики с увеличенной сердцевиной (а = 6% 10°, у = 5°* 10°), а исследователи Т. Акаса-

ван Т. Имай [162] для нарезания резьб е нержавеющей стали VIS G 34521978 (SGP) предлагают увеличенные углы заточки метчика (у = 25°, а = 30°).

В работе [12] для нарезания резьб в сталях 1Х18Н9Т, Х23Н18 предложена оптимальная геометрия режущей части метчика (а = 8°, у = 10°, Фз = 2°). Однако при работе с малыми углами фз (меньше 2°30') по нержавеющим и жаропрочным сплавам наблюдается резание в зоне наклепа, что вызывает увеличение момента резьбонарезания в несколько раз, заюпшивание и поломку метчиков [ 102].

ГОСТ 17927-72, ГОСТ 17929-72 для нарезания резьб в жаропрочных и нержавеющих сталях предусматривает использование метчиков с шахматным расположением зубьев. Геометрические параметры метчиков следующие: у = 16°, а = 7° - дня машинно-ручных метчиков: у = 10°, а = 6° - для гаечных метчиков. Благодаря шахматному профилю нарезки нитки резьбы, подвергаемые в процессе резания упругим деформациям, не заклиниваются в витках инструмента. Этим объясняются положительные свойства метчиков с шахматным профилем при нарезании резьбы в вязких и пластичных материалах [111, 147]. Вырезание ниток производится в шахматной порядке от пера к перу или от витка к витку. В первом случае толщина среза, приходящаяся на каждую нитку заборной части, удваивается, что допустимо, если длина заборной части не слишком мала.

Уменьшению трения метчиков, сверл способствует увеличение обратной конусности по направлению к хвостовику до 0,2 мм на 100 мм длины и подача СОЖ по централь�