автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Особенности проектирования металлорежущего инструмента с учетом качества обработанных поверхностей деталей

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ И НАПРАВЛЕНИЯ ЕЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Взаимосвязь параметров инструмента с показателями качества обрабатываемой поверхности.

1.1.1 .Исследование влияния параметров инструмента на микрогеометрию обрабатываемых поверхностей.

1.1.2.Оценка влияния параметров инструментов на физико-механические свойства формируемой поверхности.

1.1.3. Формирование теории стружкообразования.

1.1.4. Прочностные расчеты инструмента и оценка напряженно-деформированного состояния в зоне резания.

1.2. Развитие методов профилирования металлорежущих инструментов.

1.3. Методики проектирования сложнорежущего инструмента, требующие оптимизации схемы срезания припуска.

Выводы . •

Задачи исследований

ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ИНСТРУМЕНТА С УЧЕТОМ КАЧЕСТВА ОБРАБАТЫВАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ

2.1.Общая методология

2.2. Методология проектирования инструментов первой группы.

2.3. Методология проектирования инструментов второй группы.

2.4. Методология проектирования инструментов третьей группы.

ГЛАВА 3. МЕТОДОЛОГИЯ НАЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЖУЩИХ ЛЕЗВИЙ ИНСТРУМЕНТОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ПАРАМЕТРЫ ШЕРОХОВАТОСТИ И ВОЛНИСТОСТИ ОБРАБАТЫВАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

3.1. Установление взаимосвязи шероховатости поверхности с геометрическими параметрами режущих лезвий инструментов.

3.2. Установление взаимосвязи волнистости поверхности с геометрическими параметрами режущих лезвий инструментов

3.3. Назначение параметров режущих лезвий инструментов, обеспечивающих параметры шероховатости и волнистости обработанных поверхностей

ГЛАВА 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ В ЗОНЕ РЕЗАНИЯ И ПАРАМЕТРОВ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

4.1. Общие подходы к решению задачи.

4.2. Формирование квазистатической расчетной схемы.

4.3. Формирование сетки конечных элементов.77".

4.3. Физическая модель и математический аппарат метода блочной релаксации (РСМКЭ)

4.4. Математические зависимости для описания напряжений и деформаций

4.4.1. Особенности расчета перемещений для контактирующих узлов. ]

4.4.2. Учет физической нелинейности.

4.5. Критерии завершения итерационных процедур и корректности расчетов

4.6. Описание расчетного комплекса

4.6.1. Модуль расчета и формирования расчетной схемы

4.6.2. Модуль формирования сетки КЭ.

4.6.3. Описание расчетного модуля.

4.6.4. Модуль расчета перемещений узлов.

4.6.5. Модуль расчета напряжений, упрочнения и усилий резания.

4.6.6. Визуализация и интерпретация результатов расчетов.

4.7. Методики и результаты тестирования программного комплекса.

4.8. Пример назначения параметров режущего лезвия.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ГРАФО-КИНЕМАТИЧЕСКОГО МЕТОДА ПРОФИЛИРОВАНИЯ ИНСТРУМЕНТОВ

5.1. Основы графо-кинематического метода

5.2. Подходы к формированию графических моделей

5.3. Математический аппарат, используемый в графо-кинематическом методе профилирования

5.4. Точность методик профилирования, основанных на графо-кинематическом методе

5.5. Примеры реализации графо-кинематического метода в методиках профилирования режущего инструмента

5.5.1. Профилирование фасонных резцов

5.5.2. Методика профилирования червячных фрез.:-.-—.

5.5.3. Профилирование дискового инструмента для обработки винтовых канавок

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА АСНИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ РЕЗАНИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИНСТРУМЕНТОВ

6.1. Общая структура АСНИ для проектирования инструментов.

6.2. Разработка АСНИ для исследования процесса токарной обработки резьбы многониточным резцом и совершенствования его конструкции

6.2.1. Силоизмерителъный и усилительный модули

6.2.2. Прикладное программное обеспечение.

6.3. Разработка АСНИ для исследования процесса нарезания внутренних резьб метчиками и совершенствования их конструкции.

6.3.1. Силоизмерительное устройство для исследования процесса обработки внутренних резьб метчиками.

6.3.2. Прикладное программное обеспечение.

6.4. АСНИ для проведения исследований на универсальных станках.

6.5. Измерительная система для шероховатости и волнистости АТС

ГЛАВА 7. ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

7.1. Новая конструкция резьбонарезного инструмента и оснастки к тбкарным станкам с ЧПУ

7.2. Схема резания для круглого многониточного резца.

7.3. Экспериментальное уточнение разработанной схемы резания

7.4. Профилирование режущих кромок

7.5.1. Решение прямой задачи профилирования режущих кромок круглого резьбового резца

7.5.2. Решение обратной задачи профилирования режущих кромок круглого резьбового резца

7.6. Производственные испытания и расчет экономической эффективности применения разработанного инструмента для обработки внутренних резьб

7.7. Проектирование червячной фрезы для обработки зубьев шестеренного насоса

7.8. Реализация результатов исследований в учебном процессе.

К настоящему времени выполнено большое количество научных работ, в которых убедительно доказано, что одним из основных факторов, обеспечивающих работоспособность детали является макро-микрогеометрические характеристики и физико-механические свойства их рабочих поверхностей.

Требуемое состояние поверхностей деталей в основном обеспечивается технологически, в ходе механической обработки. Формирование поверхности происходит в результате взаимодействия инструмента и детали. Относительное формообразующее движение пары "инструмент-деталь", упругая и пластическая деформация, разрушение материала, тепловые и физико-химические процессы определяют как качество создаваемой поверхности, так и работоспособность инструмента.

Инструмент - одна из основных составляющих технологической системы. Он, в значительной мере, определяет качество получаемой детали.

В тоже время теория проектирования инструментов в основном рассматривает решение только одной из главных задач - задачи геометрического проектирования инструментов. В ходе длительного процесса развития разработаны методики проектирования всех групп и типов инструментов [31, 35, 53; 81,82, 84, 98, 101, 103, 124, 134, 138, 157, 163, 193, 196, 225], которые рассматривают практически только один аспект качества обрабатываемых поверхностей - точность формы.

Однако сегодняшний уровень развития отдельных направлений, составляющих технологическую науку, требует и позволяет ставить вопрос комплексного решения технологической задачи.

Теория проектирования инструментов должна интегрироваться в общую систему технологической науки, в том числе с точки зрения обеспечения заданного уровня эксплуатационных свойств или параметров качества поверхности инструментом, как частью технологической системы.

Совершенствование инструмента и методик его проектирования должно производиться в двух направлениях. С одной стороны эти усовершенствования направлены на повышение точности формы и качества поверхностного слоя обрабатываемых поверхностей, а с другой на повышение эксплуатационных характеристик самого инструмента. В то же время существующая методология проектирования инструмента в недостаточной мере отражает -оба эти направления.

В результате анализа состояния вопроса была поставлена цель работы: инструментальное обеспечение качества поверхностного слоя деталей при лезвийной обработке.

На основе анализа разработана структурная схема, показывающая, каким образом осуществляется влияние инструментов различных типов и групп на качество обрабатываемой поверхности, какие параметры качества они обеспечивают, задачи проектных работ, а также пути и средства для решения задач проектирования для каждой группы.

На основе этой схемы предложена общая методология проектирования инструментов.

При разработке путей практической реализации предложенной методологии решалось несколько задач.

Разработана методология, алгоритмы и создано программное обеспечение позволяющее назначать параметры режущей части инструмента, исходя из обеспечения микрогеометрии и физико-механических свойств поверхности и работоспособности самого инструмента.

Для проектирования сложнорежущего инструмента разработан графо-кинематический способ профилирования. Его особенностями являются.

• более широкие возможности, позволяющие учитывать при проектировании не только параметры самого инструмента, но и большинство характеристик технологической системы;

• расширение возможностей методик профилирования инструментов с учетом стадии его изготовления, эксплуатации и восстановления;

• относительно простой алгоритмический математический аппарат, обеспечивающий высокую точность проектирования;

• простота и наглядность проектаых процедур;

• более высокая степень общности проектных процедур, позволяющая создавать методики и программные продукты для проектирования различных инструментов, имеющих общие конструкторско-технологические признаки.

При проектировании инструментов, для которых в настоящее время теоретические методы проектирования не обеспечивают необходимой точности широко используются экспериментальные исследования. Для этих целей разработаны автоматизированные системы научных исследований (АСНИ), а также методика их использования. —

В работе дано большое количество примеров практической реализации и использования предлагаемой методологии и частных методик проектирования инструментов, выполнена экспериментальная проверка их достоверности.

В ходе выполненных исследований разработано новое научное направление - инструментальное обеспечение качества поверхностного слоя деталей на всем жизненном цикле инструмента: проектировании, изготовлении, эксплуатации и восстановлении.

В ходе теоретических и экспериментальных исследований получен ряд результатов, соответствующих признакам научной новизны работы. -—

1. Разработано новое научное направление - инструментальное обеспечение качества поверхностного слоя деталей на всем жизненном цикле инструмента: проектировании, изготовлении, эксплуатации и восстановлении.

2. Впервые разработан научный подход к назначению основных параметров режущих лезвий инструментов, с учетом показателей качество формируемой поверхности и прочности его режущей части.

3. Разработан графо-кинематический метод профилирования, инструментов, имеющий более широкие возможности, обеспечивающий высокую общность проектных работ, наглядность при высокой точности и производительности.

4. Разработан подход и методика расчета напряженно-деформированного состояния в зоне резаная методом конечных элементов (МКЭ)т учетом основных параметров режущего лезвия инструмента и режимов обработки применительно к точению.

Результаты, полученные в ходе выполнения работы, широко используются в различной форме в учебном процессе - при чтении лекций, выполнении лабораторных и практических работ, курсовом и дипломном проектировании, при выполнении магистерских и кандидатских диссертаций.

Основные положения и наиболее важные разделы работы докладывались и обсуждались на: международной научно-технической конференции «Проблемы повышения качества машин», (Брянск, 1994, 2001 г.г.), научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении», (г. Пенза, 1994), международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения и технический прогресс» (Донецк-Севастополь, 1996, 1997), международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и системы машиностроения» (Донецк-Севастополь, 1999), У1 международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века» (Донецк-Севастополь, 1999), Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы повышения качества

11 машиностроительной продукции (Владимир, 1999), международном конгрессе «Конструкторско-технологическая информатика 2000» (Москва, 2000), научно-технической конференции «Проблемы и опыт обеспечения качества в производстве и образовании» (Тула, 2001), научно-техническом семинаре, посвященного 100-летию Шевченко H.A. (Брянск, 2000), заседании головного Совета «Машиностроение» (Брянск, 2000). В полном объеме диссертация заслушивалась и обсуждалась на заседании кафедры «АТС» и технологической секции БГТУ (Брянск, 2002), заседании кафедры «Инструментальная.техника и технология» (МВТУ им. Баумана, 2002).

По теме диссертационной работы опубликовано 35 печатных работ.

Значительная часть исследований выполнялась при поддержке Министерства образования Российской Федерации в форме грантов: «Разработка научных основ проектирования режущего лезвия инструментов, исходя из обеспечения параметров качества формируемых поверхностей деталей» (1998-1999), «Исследование напряженно-деформированного состояния материалов и инструментов при резании с применением МКЭ» (2001-2002).