автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности эксплуатации сборного режущего инструмента путем обеспечения его прочностной надежности на стадии проектирования

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи Лобанов Николай Владимирович

УДК 621.9.539.4

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СБОРНОГО

РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПУТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕГО ПРОЧНОСТНОЙ НАДЕЖНОСТИ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

" \ ?

Специальности: 05.02.08 - Технология машиностроения; 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки,

станки и инструмент.

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -

Научный консультант -

доктор технических наук, профессор О.В. Таратынов доктор технических наук, профессор В.И. Малыгин

Москва - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................................................5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................................................................8

1.1. Роль прочностной надежности инструмента в повышении эффективности технологического процесса обработки резанием........................................................................8

1.2. Критерии работоспособности режущего инструмента........10

1.3. Анализ факторов, определяющих напряженно-деформированное состояние сборного режущего инструмента................................................................13

1.4. Анализ существующих расчетных моделей прочностной надежности режущего инструмента.................................24

1.5. Выводы по анализу литературных источников и постановка задачи исследования.....................................................31

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СБОРНОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА........................................................34

2.1. Разработка комплексной расчётной модели......................34

2.1.1. Допущения и ограничения принятые в комлексной модели..................................................................38

2.1.2. Выбор критериев напряженно-деформированного состояния сборного инструмента..............................43

2.2. Разработка методики расчета напряженно-деформированного состояния сборного инструмента, методом конечных элементов.........................................45

2.3. Выбор рациональных граничных условий закрепления сборного инструмента...................................................53

2.4. Разработка математической модели, напряженно-деформированного состояния режущего элемента............65

2.4.1. Основное решение для режущего элемента и оценка его точности...........................................................70

2.4.2. Анализ основного решения для режущего элемента...83

2.5. Поправочное и общее решение для режущего элемента....91

2.6. Определение реальных граничных условий закрепления режущего элемента.....................................................102

2.6.1. Анализ существующих способов определения реальных граничных условий режущего элемента.....................103

2.6.2 Определение интегральных характеристик реальных граничных условий режущего элемента.....................105

2.7. Проверка точности поправочного и общего решения математической модели, с помощью метода конечных элементов..................................................................108

2.7.1. Анализ общего решения........................................133

2.8 Выводы по главе..........................................................134

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ РАБОТОСПОСОБНОСТИ МОДЕЛИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СБОРНОГО

РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА.....................................................136

3.1 Анализ зависимостей прочностной надежности сборного инструмента от его параметров......................................136

3.2. Экспериментальная проверка расчетных моделей...........145

3.3. Поверка работоспособности математической модели в случае объемного напряженного состояния режущего элемента, методом конечных элементов..........................153

3.4. Выводы по главе.........................................................160

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИЮ СБОРНОГО ИНСТРУМЕНТА.................161

4.1. Практические рекомендации к проектированию сборного режущего инструмента.................................................161

4.2. Использование и внедрение результатов исследования... 166

ВЫВОДЫ.................................................................................172

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................176

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Листинг програмнной реализации математической модели сборного режущего инструмента в среде Ма1Ьсас1-7...........184

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Акты о внедрении результатов исследования.....189

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние экономического спада в стране, с одной стороны, остро ставит вопросы рационального использования ресурсов промышленного производства: в частности средств технического оснащения и, прежде всего его малоресурсных элементов режущего инструмента. С другой стороны перспективы развития металлообработки связаны с увеличивающимися объемами использования сборного режущего инструмента оснащенного сменными механически закрепляемыми пластинами: из твердых сплавов, в том числе безвольфрамовых, режущей керамикой, керметами и сверхтвердыми материалами. Эффективное использование сборного режущего инструмента в автоматизированных технологических системах требует повышения его производительности, надежности и экономичности. Отсутствие методов оптимизации конструкций такого инструмента на стадии проектирования и стремление к созданию высокопроизводительного режущего инструмента привели к созданию и параллельному существованию большого количества конструкций режущего инструмента одного назначения, отличающихся как способами механического крепления и базирования режущей пластины, так и многочисленными конструктивными отличиями в рамках каждого из способов. В этих условиях задача научно обоснованного расчета конструкций сборного инструмента, выбора оптимальной конструкции для конкретных условий обработки представляются весьма актуальными. Постановка такой задачи отвечает требованиям создания эффективного высокопроизводительного инструмента.

Исследования в этом направлении проводятся в РУДН, МГТУ "Станкин", МГТУ, филиале СПГМТУ в г. Северодвинске, ВНИИинструмент, отраслевой лабораторией Краматорского

индустриального института и рядом других учебных и научных учреждений и промышленных предприятий. Настоящая диссертационная работа является составной частью общего комплекса исследований по проблемам надежности режущего инструмента и имеет целью повышение его эффективности путем обеспечения и повышения прочностной надежности на стадии проектирования.

Для реализации поставленной цели: выполнен анализ основных факторов, определяющих работоспособность сборного режущего инструмента; разработаны методики расчета напряженно-деформированного состояния инструмента с учетом раскрытия стыка методом конечных элементов (МКЭ) и аналитическим методом; обоснован выбор граничных условий при решении данной задачи; оценено влияние формы распределения нагружающей силы на напряженное состояние режущей пластины; проведены исследования влияния способов закрепления режущей пластины и отдельных конструктивных отличий узлов ее закрепления; проведены сравнительные производственные испытания.

На основе результатов исследования разработана методика оценки напряженно-деформированного состояния сборного режущего инструмента и оптимизации его конструкций по критерию прочности. Разработаны практические рекомендации по конструированию сборного режущего инструмента. Спроектированы и защищены авторскими свидетельствами конструкции инструмента, принятых для внедрения и промышленной эксплуатации в АО "Томский инструмент" и АО "СЕВЕРСТАЛЬ". Отдельные вопросы методики расчета используются в учебном процессе филиала СПГМТУ в г. Северодвинске.

Отдельные разделы работы и вся работа в целом докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры и научных

конференциях филиала СПГМТУ в г. Северодвинске, НТО имени А. Н. Крылова, республиканской конференции в г. Кирове.

Основные результаты исследования опубликованы в 8 печатных работах, 3 из которых являются патентами на изобретения.

На защиту выносятся:

методика приближенного расчета напряженно-деформированного состояния сборного режущего инструмента аналитическим методом;

- методика расчета напряженно-деформированного состояния сборного режущего инструмента методом конечных элементов, при решении контактной задачи с учетом раскрытия стыка;

- результаты определения оптимальных граничных условий для решения задачи расчета напряженно-деформированного состояния инструмента различного назначения;

- результаты исследования, влияния распределения сил резания, на напряженное состояние инструмента;

- результаты сравнительных расчетов НДС различных способов и условий закрепления режущей пластины;

- результаты лабораторных опытов с резанием для различных конструкций резцов;

- практические рекомендации по проектированию сборного режущего инструмента;

- разработанные, на основе результатов исследования, и защищенные патентами, конструкции сборного инструмента, внедренные в промышленную эксплуатацию.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА , ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Автоматизация технологических процессов с использованием методов безлюдной технологии предъявляет к инструментам новые, более высокие требования по надежности, гарантированному периоду стойкости и ресурсу. Одним из перспективных направлений, удовлетворяющих этим требованиям, является применение сборных режущих инструментов, оснащаемых сменными механически закрепляемыми пластинами (СМП). К сожалению, процесс внедрения такого инструмента в производство осуществляется недостаточно быстро. Одной из причин этого является то обстоятельство, что практика использования подобного инструмента в промышленности выявила большую зависимость показателей его работоспособности не только от условий резания, но и от конструкции самого инструмента. Отсутствие достаточно надежных методик расчета и оптимизации конструкции сборного инструмента на стадии проектирования, привело к параллельному существованию множества инструментов одного назначения различной конструкции. Поэтому естественной является переоценка критериев работоспособности инструмента, которая, в свою очередь предопределяет необходимость системного подхода к их выбору и разработке на их основе методов оптимизации конструкции.

1.1.Роль прочностной надежности инструмента в повышении эффективности технологического процесса обработки резанием.

Надежность режущего инструмента играет большую роль в повышении эффективности обработки материалов резанием. Особенно велико значение надежности инструмента, как параметра

приспособленности к автоматизации по мнению авторов [59], для автоматизированного производства, станков с ЧПУ и ГПС. Производительность технологических операций и себестоимость обработки на металлорежущих станках зависят от скорости резания, определяемой главным образом износостойкостью инструмента, и подачи, которая в случае черновой обработки обуславливается преимущественно его прочностью. По мнению авторов [58], процесс разрушения в значительно большей мере, чем процесс изнашивания, обуславливает случайный характер нарушения работоспособности инструмента. Статистические данные предприятий

металлообрабатывающей промышленности показывают [39], что около 40-50% твердосплавных инструментов, выходит из строя в результате поломок. Кроме того, разрушение инструмента часто связано с неустранимыми повреждениями обрабатываемой детали. Значение прочностной надежности в эффективности эксплуатации инструмента повышается и в связи с увеличивающимися объемами использования недорогих безвольфрамовых твердых сплавов, обеспечивающих большую стойкость, но имеющих относительно невысокую прочность. С помощью показателей прочностной надежности целесообразно оптимизировать параметры инструмента. Современный сборный инструмент в большинстве случаев является составным телом, сложным для точного аналитического описания происходящих в нем процессов. Основные положения о прочности режущего инструмента первоначально были разработаны экспериментальным путем. Развитие электронно-вычислительной техники привело к широкому использованию численных методов расчета прочности инструмента. Однако, необходимость в получении аналитических зависимостей прочностной надежности от параметров инструмента и условий обработки, вызвана не только желанием сократить количество объем расчетов и экспериментальных данных,

но и более глубоко понять физическую сущность процесса, раскрыв новые методы его интенсификации. Таким образом, актуальной является задача разработки расчетных методик, позволяющих оптимизировать параметры сборного инструмента по критериям прочности, с целью обеспечения его надежности при высокопроизводительных режимах обработки, как на стадии проектирования, так и при выборе инструмента для конкретных технологических операций.

1.2. Критерии работоспособности режущего инструмента.

Разная направленность исследований, выполняемых отдельными научными коллективами, малая изученность особенностей сборного инструмента привели к созданию различных методик оценки его качества и параллельному существованию ряда критериев.

В соответствии с методическими указаниями ВНИИинструмент за основные количественные характеристики принимаются два показателя: ресурс и стойкость [38]. В работе ВНИИинструмент [22] сравнительная оценка качества режущих инструментов базируется на следующих основных положениях:

- основным показателем качества режущего инструмента является его стойкость при условии обеспечения требуемой точности и шероховатости обработанной поверхности;

- сравнительная оценка стойкости конкретного типоразмера инструмента для автоматической линии производится на той рабочей позиции, где этот инструмент эксплуатируется;

- сравнительную оценку стойкости производят для всех партий инструмента, поступающих на линию;

- при испытаниях инструмента на стойкость в качестве критериев его замены используют те же показатели, что и при эксплуатации на данной линии.

Несомненно, данные показатели отличаются большой объективностью и достоверностью, но такая методика позволяет определить их экспериментальным, а не расчетным путем, что позволило бы сравнивать варианты конструкции и оптимизировать параметры на стадии проектирования. Кроме того, такая методика не позволяет выявить влияние отдельных факторов и, как следствие, не позволяет наметить пути совершенствования его конструкции.

В работе [36] система качества инструмента представлена в виде трех основных показателей: качество конструкции, качество изготовления и качество исходных материалов. К показателям качества инструмента отнесены показатели безотказности, долговечности, ремонтопригодности и т.п. Из перечисленных выше показателей наиболее важными являются: качество конструкции и качество изготовления сборного инструмента, в значительной степени определяющих его работоспособность. Другие показатели, такие как качество исходного сырья, качество материала режущей части, по мнению А. Д. Шустикова [61], можно отнести к более общей системе качества инструментального материала с проработкой этой системы специалистами соответствующих областей. Кроме того, в данной системе нет показателей, связанных со свойствами технологической системы (ТС) и конструкцией инструмента, не учтены результаты ряда работ, проводимых в этом направлении. Так в работе [2] одним из критериев качества сборного инструмента является жесткость системы "многогранная пластина - прижимной элемент - корпус резца", методика определения, которой заключается в регистрации смещений в этих стыках при точении конусной заготовки. При выборе наиболее рационального способа крепления режущих пластин автор

использует метод бальных оценок, применяя следующие критерии: ресурс резания, жесткость системы крепления, время на закрепление пластины и регулирование стружколома, число деталей в системе крепления, виброустойчивость, стоимость резца с комплектом пластин, среднюю стойкость режущей кромки, формообразование стружки, применяемость стандартных и унифицированных деталей.

Авторы [18] делят критерии, определяющие качество режущего инструмента, на три группы:

1. Характеризующие технический уровень конструкции инструмента (металлоемкость, способ крепления, надежность и др.).

2. Характеризующие технологический уровень инструмента (безвибрационная работа, стойкость, теплонапряженность, постоянство площади срезаемого слоя и др.).

3. Экономические критерии.

Особенностью системы показателей качества режущего инструмента, разработанной в УДН, является включение подсистем динамического качества инструмента и динамического качества технологической системы (ТС). Такими показателями являются:

- жесткость упругой системы инстр