автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Исследование работоспособности малоразмерного режущего инструмента при обработке металлографских форм методом многопроходного строгания

Введение. Актуальность темы.

Глава 1. Обзор методов обработки оригинальных металлографских форм, цели и задачи исследования.

1.1. Требования, предъявляемые к гравюрам металлографских форм и методам их обработки.

1.2. Анализ методов обработки металлографских форм.

1.2.1. Комплексный технологический процесс производства металлографских форм на Гознаке.

1.2.2. Недостатки действующего процесса изготовления металлографских форм.

1.2.3. Альтернативные способы изготовления металлографских печатных форм.

1.3. Выводы.

1.4. Цели и задачи диссертационной работы.

Глава 2. Условия работы режущего инструмента.

2.1. Классификация элементов гравюр металлографских форм применительно к методу многопроходного строгания.

2.2. Технология формирования элементов гравюр металлографских форм методом многопроходного строгания.

2.3. Условия работы инструмента при многопроходном строгании.

2.4. Особенности расчета инструмента в условиях многопроходного строгания.

2.4.1. Методика определения сил на передней и задних поверхностях резца.

2.4.2. Методика расчета прочности фасонного строгального резца.

2.5. Выводы.

Глава. 3 Оптимизация условий работы режущего инструмента.

3.1. Станок-стенд для опытных работ по многопроходному строганию.

3.2. Определение сил резания.

3.2.1. Методика определения сил резания.

3.2.2. Результаты измерения сил.

3.3. Определение условий, исключающих боковые нагрузки на резец и погрешность формы элементов гравюры, вызванную настройкой резца.

3.3.1. Методика определения условий, исключающих боковые нагрузки на резец.

3.3.2. Перемещения вершины резца при несовпадении оси симметрии его профиля и передней поверхности с осью вращения шпинделя.

3.3.3.Технические средства для минимизации влияния боковых нагрузок на работоспособность инструмента.

3.3.4. Коррекция положения инструмента и управляющих программ для минимизации влияния боковых нагрузок на работоспособность инструмента.

3.3.5.Результат ы.

3.4. Определение условий, исключающих перегрузки инструмента и погрешность формы элементов гравюры из-за погрешности расположения и формы заготовки.

3.4.1. Методика.

3.4.2. Погрешности заготовок, вызывающие разброс значений глубины и ширины резания.

3.4.3.Выбор технических средств для минимизации влияния погрешностей заготовки на работоспособность инструмента.

3.4.4. Контрольно-измерительная система и процедура минимизации перегрузок инструмента из-за погрешности заготовок.

3.4.5 Результаты.

3.5. Определение стойкости.

3.5.1. Методика.

Глава 4. Промышленная проверка разработанной технологии получения металлографских форм.

Основное требование к полиграфической продукции предприятий изготавливающих ценные бумаги, - её высокая защищенность от подделки. К таким предприятиям относятся: в Российской Федерации - Гознак, в Германии - Ги-зекке и Девриент, и Бундесдрукерай, в США - Бюро гравирования и печати США, в Швейцарии - Орелл Фюссли, в Великобритании - Де Ла Рю, во Франции - предприятия Банк де Франс, в Японии - Комори. Комплекс защитных мероприятий, закладываемых в банкноту, паспорт, ценную бумагу или другой подобный образец продукции, включает в себя применение нескольких видов защиты в бумаге (водяной знак, защитные волокна и др.), применение красок со специальными видимыми и машиночитаемыми свойствами, а также применение специальных видов печати, из которых доминирующее значение имеет металлографская печать [10, 23, 62]. Этот вид печати на всех банкнотных производствах мира признан, как одна из основ защитного комплекса. Это нашло отражение также и в том, что постановлением Правительства России [42] установлено исключительное право Гознака эксплуатировать на территории Российской Федерации оборудование металлографского способа печати. Тем самым созданы условия для реализации значения металлографской печати как одной из доминант защитного комплекса. Создающие защитное значение особенности металлографской печати обусловлены её специальной технологией [10] и выражаются в таких характеристиках получаемых оттисков, которые недоступны другим способам печати. В свою очередь, технология металлографской печати обусловлена особенностями металлографской печатной формы, которые закладываются при изготовлении первичной оригинальной формы [62]. С готовой оригинальной формы снимается необходимое число трехмерных копий, из которых составляются так называемые полноформатные тиражные печатные формы, то есть те, которые устанавливаются непосредственно на печатную машину и обеспечивают печать тиражной продукции. При этом первичная оригинальная форма тщательно сохраняется в качестве эталона.

Заготовкой высокозащшценной оригинальной металлографской формы 1 (рис.1) служит плоская металлическая пластина необходимой площади, определяемой размером гравюры. Поверхность 2, предназначенная для нанесения углубленной гравюры, должна иметь шероховатость поверхности не ниже 12 -14 класса, так как предназначена для выполнения в дальнейшем роли так называемого пробельного поля, с которого краска должна легко стираться. Сама гравюра, в отличии, например, от классической для полиграфии глубокой печати, носит не точечный, растровый характер, а штриховой, причем характерные размеры штрихов (линий) варьируются в следующих пределах: - глубина 5 -120 мкм (в классической глубокой печати - единицы микрон); - ширина 20 2000 и более мкм, причем при ширинах более ~100 мкм необходимо обеспечить создание определенного рельефа поверхности дна таких углублений [101.

Рис.1. Элементы гравюр металлографских форм в сечении:

1 - заготовка металлографской формы;

2 - ширина элемента;

3 - чистая (пробельная) плоскость;

4 - границы элементов;

5 - глубина элемента.

Печать с таких форм представляет собой процесс, каждый цикл которого включает в себя накат на печатную форму свежего слоя краски; стирание краски ротационным поливинилхлоридным (ПВХ) валом, при котором краска удаляется со всей пробельной плоскости, а в углубленной гравюре сохраняется; непосредственный печатный контакт формы с бумагой, в ходе которого на бумагу передается рельефное красочное изображение, соответствующее гравюре на печатной форме (рис.2).

Рис.2. Красочные изображения, получаемые металлографской печатью.

Современные металлографские печатные машины функционируют в таком режиме с производительностью 10000 циклов в час, т.е. почти три оттиска в секунду. При этом многие особенности микрогеометрии гравюры, о которых речь пойдет ниже, создают невоспроизводимые признаки подлинности получаемого рельефного красочного оттиска. Кроме того, приведенные выше характерные размеры штрихов требуют применения несвойственных общей полиграфии высоковязких красок, и создания при печати давления до 1 тонны на погонный сантиметр полосы контакта (в общей полиграфии для разных способов печати это давление варьируется в пределах от 3 до 40 килограмм на погонный сантиметр). Все это, с одной стороны, исключает возможность модернизации подделыциками общеполиграфического оборудования для применения его в качестве металлографского, а, с другой стороны, обеспечивает хорошую отличаемость подлинного металлографского оттиска от его имитации общеполиграфическими или современными копировально-множительными средствами [62]. Однако за последние 10 - 15 лет банкнотные и ценнобумажные производства всего мира особенно остро столкнулись с актуальностью проблемы уменьшения этой отличаемости из-за быстрого развития общеполиграфических и современных копировально-множительных средств.

Актуальность технологических разработок, направленных на повышение уровня защищенности от подделок, обусловлена теми угрозами для функционирования государства, которые создаёт фальшивомонетничество. В таблице 1 представлена динамика числа выявленных подделок за последние 10 лет (по данным экспертно-криминалистического центра МВД России). Эти данные позволяют в части российских рублей проследить тенденцию некоторого уменьшения числа подделок после замены в 1998 году банкнот на усовершенствованные в защитном отношении образцы 1997 года. При этом важно иметь ввиду, что даже цифру 7000 экземпляров следует считать недопустимо большой, т.к., во-первых, в неё вошли только выявленные подделки (а ещё не выявленных может быть значительно больше), а, во-вторых, опасность подделок выражается не только в виде прямого убытка в размере выпущенного номинала, а более всего в виде утраты доверия к денежному обращению со стороны населения и, как следствие, опасность дестабилизации финансовой системы страны. Это последнее соображение относится не только к банкнотам, но и к другим ценным бумагам, и таким бланкам, как паспорта. Важно отметить, что у всех наиболее важных для государства бумаг и документов, основу защитного комплекса составляет металлографская печать.

Динамика числа выявленных подделок за последние 10 лет

Таблица 1

Год Количество экземпляров банкнот, шт

Рубли Валюта

1992 4000 34000

1993 43000 43000

1994 85000 4500

1995 28000 10000

1996 54000 13000 9

Продолжение таблицы 1

Год Количество экземпляров банкнот, шт

Рубли Валюта

1997 24000 6100

1998 19000 12000

1999 10000 26000

2000 6000 20000

2001 7000 15000

Все мировые баикнотопроизводители исходят из того, что одним из главных направлений противодействия высококачественным подделкам остается металлографская печать, и прежде всего новаторские работы, направленные на усиление ее защищенности за счет придания новых микрогеометрических особенностей оригинальным металлографским формам. В русле этих работ лежит и настоящая диссертация, направленная на обеспечение возможности получения микрорельефа, обладающего особенностями не воспроизводимыми известными способами получения металлографских форм.

Общие выводы.

1. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны основы эффективного использования малоразмерного режущего инструмента в новом технологическом процессе многопроходного строгания гравюр металлографских печатных форм.

2. Установлено, что основными факторами, влияющими на работоспособность резцов являются:

- действующие при резании силы;

- прочность вершины режущего инструмента;

- обеспечение перпендикулярности передней поверхности инструмента относительно направления его перемещения в любой точке траектории;

- расположение вершины резца и его передней поверхности относительно оси поворота и поверхности заготовки.

3. Получены аналитические зависимости и правила для:

- расчета сил, действующих на инструмент;

- расчета прочности резцов с использованием метода конечных элементов;

- расчета прочности резцов с использованием „балочной" теории;

- выбора на основе вышеперечисленных зависимостей глубины резания для различных типоразмеров резцов и направления по совершенствованию их конструкций.

4. Сформулированы условия, при которых обеспечивается безотказность режущего инструмента на операции многопроходного строгания, что позволяет рекомендовать обработку гравюр металлографских форм этим методом в автоматическом цикле и без участия оператора в течение длительного времени.

5. Показано, что существует значительный резерв в увеличении производительности операций обработки гравюр металлографских форм методом многопроходного строгания за счёт увеличения скорости резания,

115 совершенствования конструкции резцов и использования для них более прочного и износостойкого материала. 6. Экспериментально проверены:

- аналитические зависимости по действующим силам и прочности резцов;

- методики, обеспечивающие требуемую безотказность режущего инструмента на операции многопроходного строгания; за всё время наблюдений не зарегистрировано ни одного случая выхода инструмента из строя по причине его износа.

1. Авторское свидетельство СССР N 1704990, кл. В 23 К 26/00, 1992.

2. Александров В. А., Потапов Д. В. Основы теории упругости и пластичности, М.: Машиностроение, 1990. 376с.

3. Армарего И. Дж. А., Браун Р. X. Обработка металлов резанием. М.: Машиностроение, 1977. - 325с.

4. Барон Ю. М., Торопов А. А. Модель образования заусенцев на выходе в направлении подачи // Инструмент, 1998. №1 - с.30 - 31.

5. Бриге А. А. Резание металлов. Санкт-Петербург, 1896.

6. Будущему кандидату технических наук. Справочник пособие для аспирантов и соискателей./Сост. Р. М. Мусаев. Махачкала, 1990-78с.

7. Виноградов А. А. К вопросу определения сил на задней поверхности инструмента // Сверхтвердые материалы. 1989. - №1 - с.46 - 51.

8. Грановский Г. И. , Грановский В. Г. Резание металлов. М.: Высшая школа, 1985. - 304с.

9. Грановский Г. И., Трудов П. П. и др. Резание металлов. М.: Машгиз, 1954,- 473с.10. Графо 2001, №2.

10. Дыченко А. П. Внутренний мир МКЭ // САПР и графика. 2000. - №5.

11. Еременко С. Ю. Методы конечных элементов в механике деформируемых тел. Харьков.: Основы, 1991. - 120 с.

12. Железное Г. С., Сингеев С. А. Расчет сил, действующих по задней поверхности инструмента. // Известия вузов. Машиностроение, 1983. -№9-175с.

13. Зорев Н. Н. Вопросы механики процесса резания металлов. М.: Машгиз, 1956,- 319с.

14. Кабалдин Ю. Г., Хромов А. И., Егорова Ю. Г. Жестко-пластическая модель процесса резания металлов. // Вестник машиностроения. 1998. - №2 - 14с.

15. Кандидатская диссертация. Методика написания, правила оформления и порядок защиты./Сост. Ф. А.Кузин. М.: Ось-89, 1999.- 208с.

16. Качалов Л. М. Основы теории пластичности.- М.: Высшая школа, 1969. 420с.

17. Лоладзе Т. Н. Стружкообразование при резании металлов. М.: Машиностроение, 1977. - 325с.

18. КлушинМ. И. Резание металлов. -М.: Машгиз, 1958. 543с.

19. Малинин Н. Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1975- 400с.

20. Матвеев С. Н. О распределении касательных и нормальных напряжений на передней поверхности режущего инструмента В сб.: Физические процессы при резании металлов - Волгоград: ВПИ, 1984. -С.67 - 72.

21. Несмелое А. Ф., Авдонина Н. А. Алмазные инструменты в машиностроении. М.: Машгиз, 1959.- 188с.

22. Новый словарь русского языка. Толково-словообразовательный. Ефремова Т. Ф. -М.: Русский язык, 2000.

23. Оппельт В. Основы техники автоматического регулирования. -М. -Л.:Госэенргоиздат, 1960.-268с.

24. Остафьев В. А. Расчёт динамической прочности режущего инструмента. -М.: Машиностроение, 1979.-167с.

25. Патент ЕПВ N 0388009, кл. В 23 К 26/00, 1992.

26. Патент США N 5376505, НКИ 430-296, МКИ в 03 Б 9/00, 1994.

27. Патент США N 5382498, НКИ 430-296, МКИ в 03 Г 9/00, 1995.

28. Патент США N 5561008, НКИ 430-4, МКИ в 03 Б 9/00, 1996.

29. Патент 1Ш, N2004918, кл. в 03 Б 7/00, 1993.

30. Патент Ш, N 2080971, кл. В 23 К 26/00, 1997.

31. Патент RU N 2129294, кл. G03F9/00, 1999.

32. Патент RU, N 2146577, кл. В23В1/00, 2000.

33. Патент RU, N 2153958, кл. B23D1/00, 2000.

34. Патент RU, N 2165348, кл. B23Q15/22, 2000.

35. Патент RU, N 2169670, кл. В 44 С 1/22, 2001.

36. Патент RU, N 2177865, кл. B23Q3/18, B23Q1/25, 1999.

37. Патент RU, N 2179094, кл. B23D13/00, 1999.

38. Патент SU 517413, М.кл. В 23 С 1/16, 1976.

39. Петрушин С. И. Определение напряжений в зоне стружкообразования методом линий скольжения с учетом контактных нагрузок. //Известия вузов. -М.: Машиностроение, 1987. -№4- С.117- 120.

40. Полетика М. Ф. Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента. -М: Машиностроение, 1969. -150с.

41. Постановление Правительства РФ №376.

42. Развитие науки о резании металлов/ В. Ф. Бобров, Г. И. Грановский, Н. Н. Зорев и др. М.: Машиностроение, 1967. 416с.

43. Розенберг А. М., Еремин А. Н. Элементы теории процесса резания металлов. -М.: Машгиз, 1956. 320с.

44. Розенберг А. М., Розенберг А. М. Расчет сил при резании пластических металлов.// Сверхтвердые материалы. 1987. - №4 -С.48 - 54.

45. Розин JI. А. Задачи теории упругости и численные методы их решения. СПб.: СПбГТУ, 1988. - 143с.

46. Розин J1. А. Основы метода конечных элементов в теории упругости. Учебное пособие. Л.: ЛПИ, 1972. - 80с.

47. Сальников Г. П. Краткий справочник машиностроителя. Киев: Техника, 1967. - 684с.

48. Свидетельство на полезную модель № 14022, кл B23D5/02, 1999.

49. Семенченко И. И. Режущий инструмент. Л.: Машгиз, 1938, - Т.2. -676 с.

50. Справочник металлиста/ Чернавский С. А. . М.: Машиностроение, 1976. -т.1,- 768с.

51. Талантов Н. В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента. -М: Машиностроение, 1992. 320с.

52. Тимошенко С. П., Гудьер Д. Ж. Теория упругости. -М.: Наука, 1975-576с.

53. Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1972,- 544с.

54. Шатерин М. А., Ермолаев М. А, Самойленко В. Д. Силы и контактные нагрузки, действующие на заднюю поверхность режущего инструмента.// Станки и инструмент. -1988. №3. - С.28 - 30.

55. Шеловаст В. В. Основы проектирования машин. М.: АПМ, 2000. -472с.

56. Якухин В. Г., Ставров В. А. Изготовление резьбы. М.: Машиностроение, 1989. - 192с.

57. Ящерицын П. И., Еременко М. Л., Жигалко Н. И.Основы резания материалов и режущий инструмент. Минск: Вышэйшая школа, 1975. - 528с.60. 6th International Conference "Precision Surface Finishing and Deburring Technology 2000", Saint-Petersburg, 2000.

58. Hutte/ Справочник для инженеров, техников и студентов. -M.-JL: изд-во по машиностроению и металлообработке, 1933.62. http:// www. new. print-base.ru.

59. Cp(x) = ■ Cpo if x + a > C3o-sin(a3) + Cpo-cos(yp) 0 if x + a < C3o -sin(a3) x + a-C3o- sin(a3) cos(yp)otherwiseap(x) = Cp(x) cos(Yp a, = a H(O) - ap(0)sir- ft.sin 10 5 --T + \2 ' 2-ft* I 7.sinj >1) • sin 0.5- K

60. Pnmax = 2 ■ tp • (0.5 y + y0 + 0.5 • C0s(2 • y0)) Pnp = xp-(l -y-yp+2.y0 + cos(2-Yo))1.(x) = k-2ap(x)\ M x + a H(x) - 0.5- ap(x)

61. H(x)+ p • tan, , + 2 2 ) \2Jcos

62. N0(x) = lqnp Cp(x) Lp(x) if x < 0 qnp Cp(0) Lp(0) otherwise1. Fp(x)qf Cp(x) Lp(x) if x < 0 qf • Cp(0) • Lp(0) otherwise

63. A1(x) = (qnp-cos(yp)-qf-sin(|Yp|)) Cp(x)

64. B1(x) = k-2.|H(x)-fa°(X)\tan1. V 2 J \2J

65. C1(x) = a H(x) - 0.5 aD(x)1. Mpi(x) =1. A1(x)1. A1 (0)x + ci(x))cos1. C1(x)>if x < 0

66. B1 (0) ■ (x + C1 (0)) + \ ; • (2 • x + C1 (0))mcos ■ ,1. V2J

67. A2(x) = (qnp-sin(|yp|) + qf cos(yp)) • Cp(x) • Lp(x)1. Mp2(x) =l1. A2(x) yc(x)-|ap(0)ap(x^tanV

68. A2(0)-|^yc(x)-a^0) x otherwise1. Mp(x) = Mpi (x) Mp2(x)qn3p = ^-(1 +it+2-a3 + 2-y0+cos(2-Y0))1. V3i / . u/ ^ x ) o x + a-0.5- H(x) L3p(x) = k-H(x) tan -I + 21. Vy ( S \coslw1. N3p(x)qn3p c3(x) L3p(x) if x < 0 qn3p • c3(0) • L3p(0) otherwise

69. F3p(x) = |qf C3(x).L3p(x) if x< 0 |qf C3(0) L3p(0) otherwise

70. A3(x) = (qn3p sin(a3) + qf • cos(a3)) • C3(x)1. B3(x) = a-0.5- H(x)g^1. C3(x) = k-H(x) tan ,v1. M3pi(x) =1. A3(x)1. A3(0)f1. C3(x) +x + B3(x)^ cos —v )x + B3(x))if x < 01.

71. C3(0) • (x + B3(0)) + B3^0) • (2 • x + B3(0))cosgjotherv/ii

72. A4(x) = (qn3p- cos(a3) qf • sin(a3)) • C3(x) • L3p(x)1. M3p2(x) =1. A4(x)yc(x) ap(0) - tan(|Yp|) - (h(0) - M). tan(a3)~1J if A4(0) • iyc(x) - ap(0) • tan(|Yp|) - . tan(a3)1") otherwisex < 01. M3p(x) M3p1(x)-M3p2(x)

73. A5(x).^yc(x)-ap(0).tan(|yp|)-H(0).tan(a3)"1-yj if x<0

74. A5(0) • I yc(x) ap(0) - tan( |Yp|) - H(0). tan(a3)~1 - ^ I otherwise

75. M35(x) = M351(x)-M352(x) qnW =3feHpl if x-^fc)qti(x) =qnmax 0 otherwiseqf if x + ay < Cy(ay) 0 otherwiseavar(y) = a7f