автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Обеспечение прочностных и динамических характеристик резцов с корпусами из композиционных материалов

Введение.

1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

1.1. Управление вибрацией при точении.

1.2. Методика совершенствования технологических систем.

1.3. Математическое моделирование технологических систем.

1.4. Выводы. Цель и задачи исследования.

2. Теоретические основы проектирования резцов с державками, выполненными из композиционного материала.

2.1. Построение дерева целей и задач анализа.

2.2. Построение конструктивно- функциональной структуры технологической системы

2.3. Использование законов и закономерностей развития технических систем при поиске новых решений.

2.4. Построение И-ИЛИ дерева (графа) технических решений

2.5.Формирование модели оценки технических решений

2.6. Синтез конструкций резцов с повышенными диссипативными характеристиками

2.7. Выводы

3. Идентификация технологической системы

3.1. Частотные характеристики системы

3.2. Получение частотной характеристики технологической системы

3.3. Уточнение коэффициентов передаточной функции

3.4. Алгоритм идентификации технологической системы

3.5. Выводы

4. Экспериментальные исследования

4.1. Задачи экспериментальных исследований, объекты контроля, измеряемые параметры

4.2. Оборудование и методика проведения прочностных испытаний

4.2.1. Оборудование для изготовления образцов и проверки их на прочность

4.2.2. Методика изготовления образцов

4.2.3. Методика прочностных испытаний

4.2.4. Результаты испытания образцов

4.3. Определение динамических характеристик технологической системы

4.3.1. Стенд сбора экспериментальных данных и принцип его работы

4.3.2. Калибровка стенда

4.3.3. Получение профиля заготовки для идентификации технологической системы

4.3.4. Расчет гармоник профиля детали

4.3.5. Расчет коэффициентов передаточной функции

4.4. Волнистость обработанной поверхности

4.4. Износостойкость композиционного инструмента 4.6. Выводы

5. Практическое использование и внедрение результатов исследования

5.1. Методика назначения технологических режимов изготовления резцов из композиционных материалов

5.2. Сравнительный анализ технологических процессов

5.3. Выводы

Общие результаты и выводы

Основными направлениями развития современного машиностроения являются такие,, как снижение материалоемкости, повышение производительности и качества, снижение себестоимости. Операции точения, по статистическим данным занимают до 60% от всех видов обработки и для обеспечения точностных параметров на операциях точения затраты могут достигать до 30% от стоимости оборудования. Одним из важнейших звеньев в обеспечении точности является режущий инструмент. Его изготовление достаточно металло - энергоемко. Кроме того, цельнометаллические резцы обладают низкой виброустойчивостью, что снижает стойкость резца и качество обрабатываемой поверхности, приводит к преждевременному износу узлов станка.

Поэтому проблема ликвидации вибрации становится актуальной, особенно при обработке деталей на станках с ЧПУ. Чтобы уменьшить влияние вибрации на процесс резания, как правило, занижают режимы резания, что приводит к снижению режимов резания и, соответственно, к увеличению себестоимости изделия. Применение для гашения вибрации резцов со специальными демпфирующими приспособлениями или улучшенным составом стали широкого распространения не получило из-за достаточно высокой их стоимости и сложности расчетов и изготовления демпфирующих элементов для каждого конкретного режима резания.

Существуют конструкции резцов, демпфирующим элементом которых являются корпусы, изготовленные с применением неметаллических материалов, изначально обладающих более высокими диссипативными характеристиками, чем металл. Такие материалы представлены бетоном и композиционным материалом на полимерной основе.

Однако и в первом и во втором случае в конструкциях резцов не учтены особенности движения теплового потока, возникающего в процессе резания, термостойкость применяемых материалов и их прочностные характеристики, что существенно сужает область применения подобных резцов.

Создание инструментов с повышенными диссипативными и прочностными характеристиками, позволяющим» расширить область их применения и наиболее полно удовлетворяющих все требования условия резания, является актуальной и перспективной задачей.

Целью исследований является повышение прочностных характеристик корпусов токарных резцов на основе сталефибробетона путем управления технологическими параметрами их изготовления и разработка методики идентификации технологических систем. Для достижения поставленной цели в работе поставлен ряд задач, которые решаются последовательно в пяти главах.

В первой главе проведен анализ работ и способов, посвященных снижению уровня вибрации, доказана актуальность проблемы.

Во второй главе произведен конструктивно- функциональный анализ технологической системы. Разработана методика проектирования инструмента, в частности корпусов токарных резцов, из композиционного материала. Использование предлагаемой методики позволило получить ряд перспективных технических решений, на одно из которых получен патент № 2107588.

В третьей главе решается задача расчетно-экспериментального построения динамических моделей технологических систем. Предложена оригинальная методика определения коэффициентов модели по результатам механической обработки детали.

Четвертая глава посвящена экспериментальному определению зависимости физико-механических свойств резцов из композиционных материалов от режимов их изготовления. Проведены испытания различных конст6 рукций резцов7изготовленных по ресурсосберегающим технологиям в условиях реального резания. Установлено влияние их конструктивного исполнения на качество обработки и стойкость инструментального материала.

В пятой главе предлагается методика определения режимов изготовления корпуса инструмента в зависимости от предполагаемых условий его работы. Обосновывается экономическая эффективность применения инструмента с корпусом из композиционного материала.

Научная новизна.

Разработана методика проектирования конструкций резцов, изготовленных по ресурсосберегающим технологиям из композиционных материалов, учитывающая особенности их физико-механических свойств.

Установлена взаимосвязь между прочностными характеристиками и технологическими режимами изготовления инструмента из композиционного материала.

Теоретически обоснована и разработана расчетно-экспериментальная методика построения динамической модели технологических систем для получения сравнительных динамических характеристик резцов с различными конструкциями.

Практическая ценность.

Разработаны алгоритм, методическое и программное обеспечение выбора технологических параметров изготовления резцов из композиционных материалов.

Получены конкретные конструкции резцов (патент № 2107588, В.Г. Войтенко, Е.Ю Татаркин, А.А Ситников - опубл. 27 03 98 Бюлл. № 9, решение о выдаче патента № 96123493/02), позволяющие снизить их металлоемкость и улучшить эксплуатационные характеристики.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1) Выбор конструкции токарного резца следует вести с использованием методов поискового конструирования, основанных на творческом лотенциале самого проектировщика, по следующей схеме: выбор прототипа, зыявление его недостатков и противоречий, их устранение, оценка. При этом необходимо учитывать законы и закономерности развития технических :истем, возможность максимального приближения конструкций токарных эезцов к идеальным техническим решениям.

2) Сведения о существующих технических решениях могут быть представлены в виде связного И-ИЛИ графа типа дерева, которое, являясь ;редством компактного хранения информации, позволяет, кроме того, получать новые технические решения за счет комбинирования элементов и признаков (ИЛИ-вершин)?известных ТР.

3) Функция "Гашение вибрации ТС при резании" реализуется цержавкой токарного резца, выполненной из композиционного материала -прессованного сталефибробетона, что значительно упрощает конструкции зиброгасящих резцов и технологию их изготовления.

4) Эффективность разработанного алгоритма поиска конструкций подтверждается синтезированием новых технических решений, обладающих признаками патентной чистоты - патент 1Ш 2107588 и решение о выдаче патента № 96123493/02.

5) Разработанный алгоритм идентификации технологической системы позволяет с использованием ЭВМ реализовать экспресс-методику построения динамической модели системы.

6) Предлагаемая методика, основывающаяся на анализе частотных свойств системы, обладает высокой точностью, достоверностью результатов и низкой трудоемкостью реализации.

7) Программная реализация алгоритма позволила осуществить обоснованное сравнение предлагаемых конструкций токарного инструмента

-¡Ob с традиционными вариантами. Время однократного выполнения программы не превышало 1 минуты на ЭВМ класса Pentium.

8) Разработанная методика и ее программная реализация не трабует использования дорогостоящей аппаратуры и может иметь применение как в лабораторных, так и в производственных условиях для анализа свойств технологических систем и их элементов, а также для проектирования высокоэффективных технологических процессов.

9) Получены экспериментальные зависимости прочностных характеристик резцов с корпусами, изготовленными из композиционных материалов от режимов формования (давления и времени выдержки под давлением). Зависимости позволяют определять режимы формования корпусов резцов, прочностные характеристики которых должны удовлетворять конкретным условиям резания.

10) Разработайа методика идентификации технологических систем, позволяющая рассчитывать коэффициенты передаточной функции и получать их амплитудно-частотные характеристики. Методика позволяет достаточно быстро и эффективно оценить динамическое состояние технологической системы. Сравнивая и оценивая полученные АЧХ технологические системйс резцами различных конструкций с корпусами, выполненными из сталефибробетона и стандартными цельнометаллическими, было сделано предположение, что качество эбработанной поверхности и стойкость резцов с близкими параметрами АЧХ должны быть идентичны.

11) Анализ полученных АЧХ и параметров волнистости показал, что обработка деталей резцами из композиционных материалов позволяет :низить на 20% высоту волнистости за счет улучшенных динамических характеристик указанных резцов. При этом шаговые показатели оставались трактически неизменными.

406

12) Стойкостные испытания партий инструментов, позволяют ¡аключить, что закономерность износа композиционных резцов зависит от сонструктивного исполнения композиционных вставок.

13) Разработанная методика назначения технологических режимов !зготовления токарных резцов с державкой, выполненной из прессованного >етона и сталефибробетона позволяет получать державки с прочностными характеристиками удовлетворяющими условиям достаточно широкого щапазона режимов. Выбор материала и режимов его формования зависят от условий резания и программы выпуска инструмента.

14) Полученные конструкции инструмента позволяют снизить металлоемкость резца на 80% по сравнению с вариантом, когда заготовку юлучали методом ковки,, и на 45% по сравнению с резцом, заготовка соторого получена литьем по выплавляемым моделям и себестоимость на 3,5% и на 8,7% (соответственно с вариантами ).

1. Аболиньш Д.С.7Кравинскис В.К.Мелкозернистый бетон, армированный проволочными обрезками, -Бетон и железобетон-1973, №5, с.8-11.

2. Автоматизация поискового конструирования (искусственный интеллект в машинном проектировании)/ А.И.Половинкин, Н.К.Бобков, Г.Я.Буш и др.; под ред. А.И.Половинкина. М.: Радио и связь, 1981.-344ил.

3. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.:Наука. 1971 .-283 с.

4. Альтшуллер Г.С. Творчество как точная наука.- М.:Советское эадио, 1979,-184 е., ил.

5. Аргон А . Композиционные материалы, т5, Разрушение и /сталость./ Статистические аспекты разрушения. М.: Мир 1978, с. 166-205.

6. Аршанский М.М., Щербаков В.П. Вибродиагностика и управление точностью обработки на металлорежущих станках. М.Машиностроение,1988.- 136с., ил.

7. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. М.: Стройиздат, 1984. -218

8. Ахвердов И.Н. Моделирование напряженного состояния бетона и келезобетона. Минск: Вышейша школа. 1973.-231 с.

9. Баженов Ю.М. Технология бетона, изд. 2-е, перераб. Москва: Выс-иая школа. 1987.- 563 с.

10. Баженов Ю.М. Бетонополимеры. М.: Химия 1983.- 372 с.

11. Башков В.М.?Кацев П.Г. Испытание режущего инструмента на :тойкость. М.: Машиностроение. 1985.- 136 с.

12. Беляев Н.М. Сопротивление материалов, издание девятое, стереотипное. Государственное издательство технико-теоретической литературы, Чосква 1964. -846 с.•10 8

13. Беляев В.Е. Особенности расчета полимербетонных конструкций :ри различных температурах./ Воронежский политехнический институт 980.-48 с.

14. Болотин В.В. Многопараметрическая механика разруше-;ия//Расчеты на прочность. Вып. 25. М.: Машиностроение, 1984,- 255 с.

15. Болотин В.В. Объединенная модель разрушения композиционных гатериалов при длительно действующих нагрузках// Механика композици-нных материалов. 1981.- 405 с.

16. Ванин В.А. Определение параметров вибрации при испытаниях геталлорежущих станков с применением ЭВМ. Изв. вузов. Маши-остроение, 1983, N9, с.122-124.

17. Васин Л.А., Васин С.А.;Эккерт С.А. Постоянная и динамическая оставляющая силы резания резцами с бетонной и стальной державкой. Сб. ауч. трудов //Исследования в области инструментального производства и бработки металлов резанием. Тула. 1989.- с.72-79.

18. Васин Л.А., Васин С.А. Повышение виброустойчивости инстру-ента при торцовом фрезеровании. В кн.Исследования в области в—об^аета [еханической обработки и сборки машин. Межвуз.сб./Тульский политехи. н-т.-Тула, 1986, с.7- 11.

19. Волокнистые и дисперсно-упрочненные композиционные мате-иалы/ Под ред. Агеева Н.В. М.: Наука 1976,- 216 с.

20. Гетун Г.В. Исследование трещиностойкости и несущей способно-ги изгибающих балок, усиленных слоем дисперсно-армированного бетона./ XXI научно-техническая конференция по итогам научных исследований и недрения их в производство. Казань. 1979.- 92 с.

21. Городецкий Ю.И. Повышение виброустойчивости и производи-гльности вертикально-фрезерных консольных станков. Станки и инстру-ент, 1982, N8,-0.9-12.

22. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов: Учебник для109машиностр. и приборостр.спец.вузов,- М.:Высш.шк.,1985.- 304 е., ил.

23. Грановский Г.И. Грановский В.Г. Резание металлов. Машиностроение, 1986.-304 с.

24. Григорьев В.И. Некоторые динамические свойства сталефибро-бетонов при сжатии и растяжении./ Исследования и расчет строительных конструкций, М.ЦНИИСК, 1983, с76-80.

25. Гуль В.Е. Структура и прочность полимеров. М.: Химия, 1978.214 с.

26. Дисперсно-армированные бетоны и конструкции из них. Республиканское совещание. Тезисы докладов и сообщений. Рига: ЛатИНТИ, 1975. -142с.

27. Добрыднев И.С. Курсовое проектирование по предмету "Технология машиностроения" М.: Машиностроение ,1985.-184 с.

28. Дунин- Барковский И.В.,Карташева А.Н. Измерение и анализ шероховатости, волнистости и некруглости поверхности. М.: Машиностроение, 1978. 232 с.

29. Жарков И.Г. Вибрации "ри обработке лезвийным инструментом.-Л.: Машиностроение, 1986.-1

30. Зыонг Минь Там. Исследование и разработка методов изготовления машинных узлов и механизмов на основе применения композиционных материалов./Автореферат на соискание ученой степени к.т.н. Москва, 1994.- 25 с.

31. Ильюшин A.A., Огибалов A.M. О критерии длительной прочно1.I

32. Крайс Р. Полимербетоны и области их применения в ФРГ// Бетон и железобетон №4, 1983.- 28 с.

33. КудиновВ.А. Динамика станков -М.: Машиностроение, 1967.-360с., ил.

34. Курбатов Л.Г. Рабинович Ф.Н. Об эффективности бетонов, армированных стальными фибрами./Бетон и железобетон №3, 1980 57 с.

35. Ласточкин С.С. Автоматизация поискового проектирования металлообрабатывающего инструмента. Машиностроительное пр-во. Сер. Инструментальное, технолог, и метролог, оснащение металлообраб. пр-ва: Обзор, информ./ВНИИТЭМР. Вып.2.- М., 1990.-60 е.,ил.

36. Лашнев С.И, Юликов М.И. Расчет и конструирование металлорежущих инструментов с применением ЭВМ, ММашиностроение 1975.392 с илл.

37. Лесов А.Е. Структура , прочность и деформативность бетонов. 462 с. М.Стройиздат, 1966.- 439 с.

38. Лещинский М.Ю. Испытание бетона (справочное пособие). М: Стройиздат, 1980.-360 с.

39. Липатов Ю.С. Физико-химия наполненных полимеров. М:Химия, 1977.-304 с.

40. Лобанов И.А., Моргун Л.В. О деформативных свойствах фибро-бетона./ Бетон и железобетон №6, 1984.- с 10.

41. Лосс В. Исследования давления прессования для различной степени наполнения пресс-материала//Кунштоффе, 1974 т.64 №5 346 с.

42. Лысенко Е.Ф., Соломин В.И., Эффективность армирования бетона стальным волокном: Реферативная информация о законченных научно-исследовательских работах в вузах УССР./ Строительство, архитектура, строительные материалы и изделия. Вып. 10, 1976.- 46с.

43. Лысенко Е.Ф., Гетун Г.Ф. Проектирование сталефибробетонных конструкций. Киев УДК ВО 1989.-184 с.112

44. Малмейстер А.К., Тамуж В.П.,Тетере Г.А. Сопротивление полимерных материалов, Рига. Зинатне, 1980.- 582 с.

45. Марков А.М.Синтез конструкций сборных торцовых фрез на И-ИЛИ-графе. Юбилейная научно-практическая конференция "Специалисты АлтПИ-промышленности страны"/Алт.политехн.ин-т.-Барнаул :Б.И., 1992 с.15-16.

46. Металлическая фибра для армирования бетона и оборудование для ее производства: Материалы координационного совещания в Караганде. Вып.1 .Центральное бюро науч "-технической информации СССР. ЦБНТИ Минуралсибстрой, 1987. -с50.

47. Миловидов К.И. Мишуков Н.Е. Рациональные области применения фибробетона в кострукциях./ Бетон и железобетон №5, 1980.- 84с.

48. Москвитин В.В. Циклические нагружения элементов конструкций. М: Наука, 1981.- 344 с.

49. Мощанский H.A., Патуроев В.В. Конструктивные и химически стойкие полимербетоны.-М:Стройиздат, 1070.-194 с.

50. Наполнители для полимерных композиционных материалов. Справочное пособие, под редакцией Г.С.Капа и Д.В.Милевски. М:Химия, 1981.- 672 с.

51. Никонов М.Р., Патуроев В.В. Бетонополимеры и характерные особенности их структуры.//Бетон и железобетон №8, 1974.- 89 с.

52. Оболдуев А.Т. К вопросу повышения термоустойчивости поли-мербетонных конструкций//Промышленное строительство.№6, 1980.-196 с.

53. Общемашиностроительные нормативы времени режимов резайжя для нормирования работ, выполняемых на универсальных и мно-щелевых станках с числовым программным управлением.Ч.2.-/I:Экономика, 1990.-477 с.

54. Охама Е. Состояние и перспективы развития полимербетонов и 1 'бето!юполимеров в Японии//Бетон и железобетон. №3, 1980.- 216 с.из

55. Пановко Я.Г. внутреннее трение при колебании упругих систем. М: Физматгиз, 1980.- 194 с.

56. Патуроев В.В. Технология полимербетонов. М:Стройиздат, 1977. -240 с.

57. Патуроев В.В. Основные виды полимербетонов и перспективы их развития//Бетон и железобетон №8, 1984.- 196 с.

58. Патуроев В.В. Полимербетоны. М:Стройиздат, 1987.- 258с

59. Писаренко Г.С. Обобщенная модель учета рассеяния энергии при колебаниях Киев. Наукова думка, 1985.-236 с.

60. Половинкин А.И. Законы строения и развития техники /Учеб. пособие.- Волгоград: ВолгПИ, 1985.-202 с.

61. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества.-М.Машиностроение, 1988.-368 е.,ил.

62. Портной К.П, Салибеков С.Е, Светлов И.Л. Структура и свойства композиционных материалов. ММашиностроение, 1978.- 255 с.

63. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М:,Наука, 1968.- 283 с.

64. Рабинович Ф.Н. Дисперсно армированные бетоны. М:Стройиздат, 1978.- 175 с.

65. Райбман Н.С. Основы управления технологическими процессами. М.:наука, 1978.-440 с.

66. Ратинов В.Б., Розенберг Г.И. Добавки в бетон. М:Стройиздат, /3.- 258 с.

67. Режимы резания металлов. Справочник/Под редакцией Баранов-г то Ю.В. ММашиностроение, 1972.- 408 с.

68. Резание металлов и инструмент /Под ред.А.М.Розенберга.-Машиностроение, 1964.-227 е.,ил.

69. Резников.А.Н. Теплофизика резания. М.: Машиностроение, >9 - 288 е.,ил.114

70. Розен Б. Механика упрочнения композиций//Волокнистые композиционные материалы. М:Мир,1987.- 432 с.

71. Руководство по тепловой обработке бетонных и железобетонных изделий. М:Стройиздат, 1974.-240 с.

72. Системы автоматизированного проектирования технологических процессов, приспособлений и режущих инструментов./ Под редакцией Корчака С.Н. ММашиностроение, 1988. -348 с.

73. Соломин В.И. Исследование эффективности и возможной области применения сталефибробетона/Бетон и железобетон №5, 1973,-8-11 с.

74. Соломин В.И. Применение сталефибробетонов в тонкостенных конструкциях/ Экспресс-информация №3 ЭС СССР. Серия "Строительство тепловых и атомных электростанций". №9 (385) М:Стройиздат, 1977.-264с.

75. Состав, структура и свойства цементных бетонов/ Горчаков И.Г., Орентлихер Л.П., Савин В.И. и др. М:Стройиздат, 1976.- 489 с.

76. Справочник инструментальщика/ И.А.Ординарцев, Г.В.Филли-пов, А.Н.Шевченко и др.; Под общ. ред. И.А.Ординарцева.- Л.: Машиностроение, 1987. -846 е.,ил.

77. Татаркин Е.Ю. Интенсификация творческого труда проектировщиков. В кн. Специалисты АлтПИ-промышленности страны. Юбилейная научн.- техническая конференция. Тезисы докладе а>/ Алт.политехн.ин-т им И.И.Ползунова.-Барнаул, 1992.-е. 12-13.

78. Татаркин Е.Ю. Точность обработки с позиций системного анализа. В кн.: Отдел очно-чистовые методы обработки и инструменты автоматизированных производствах. Межвуз.сб./Алтайский политехи, ин-т. Барнаул,-1989, с83-90.

79. Тарнопольских Ю.М. Кинцис Т.Я. Методы статических испытаний армированных композиционных материалов. М:Химия, 1981.-272 с.

80. Технология изготовления конструкций из мелкозернистого бе115тона. Учеб.пособие/ Судаков В.И. -Хабаровск, 1985 -100с.

81. Урбанов И.И. Разработка и сравнительный анализ характеристик станочных узлов с применением полимербетона/ автореферат на соискание ученой степени к.т.н. М:Полиграфист 1992 .-19 с.

82. Фудзин Т,. Дзако М. Механика разрушения композиционных материалов М:Мир, 1982.- 232 с.

83. Цыплаков О.Г. Научные основы технологии композиционно-волокнистых материалов в 2 ч. М: Химия, 1974. -315 с.

84. Шейкин А.Е Чеховский Ю.Б Бруссер М.И. Структура и свойства цементных бетонов. М:Химия, 1979.- 473 с.

85. Шестоперов С.В. Технология бетонов. М.:Химия, 1977.- 420 с.

86. Ящерицын П.И. Еременко М.Л. Фельдштейн Е.Э. Теория резания. Физические и тепловые прцессы в технологических системах. Минск, Вышэйшая школа, 1990.- 512 с.

87. Blumberg Н. The future of newly developed fibres//Jurnal of Industrial Fabrics. 1984. Vol. 3. № 1. P. 9-32.

88. Forrest M.A., Marsh H. The effect of pressure on carbonisation of pitch and pitch/carbon, febre composites//J. of Mater, sci. Vol. 18., № 5. P. 978990

89. Huges J. D. H. Strength and modulus of current carbon fibres// Carbon. 1984. Vol. 24. № 5. P. 551-556.ш