автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Повышение эффективности механической обработки на основе управления конструкторско-технологическими факторами

На правах рукописи

Шурпо Александр Николаевич

Повышение эффективности механической обработки на основе управления конструкторско-технологическими факторами

Специальность: 05.13.06- Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006

Рабата выполнена в Институте конструкторско-технологической информатики Российской академии наук «ИКТИ РАН»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Комаров В.А.

Официальные оппоненты - Заслуженный деятель науки Российской Федерации,

доктор технических наук, профессор Степанов Ю.С.

- кандидат технических наук, доцент Плешаков В.В.

Ведущая организация - ОАО «Национальный институт авиационных

технологий (НИАТ)»

Защита состоится «28» декабря 2006 г. в 900 часов на заседании диссертационного совета К212.142.01 Московского государственного технологического университета «СТАНКИН» по адресу: 127055, ГСП, Москва К-55, Вадковскнй пер., д.1.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просьба направлять в двух экземплярах по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета К212.142.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ «СТАНКИН».

Автореферат разослан «27» ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Тарарин И.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.

Производство продукции высокого качества при минимуме затрат является главной технологической задачей. Ее решению посвящено большое число работ, относящихся к управлению технологическими процессами, теории резания и инструмента, технической: физике и другим областям знаний, направленных на создание и развитие прогрессивных технологических; и производственных процессов. В настоящее время, когда продукция должна обладать конкурентной способностью, решение основной технологической задачи в машиностроении приобретает особенную актуальность. Настоящая работа посвящена задаче дальнейшего повышения эффективности механообрабатывающего производства за счет снижения трудозатрат и одновременного повышения качества продукции, а также позволяет исключить основные дефекты формируемой поверхности на операциях механической обработки, а именно: прижоги и заусенцы, без введения дополнительных чистовых и отделочных операций.

Цель работы.

Повышение эффективности трехстороннего резания на операциях механической обработки на основе управления конструкторско-технологическими факторами, исключающего образование прижогов и заусенцев при длительной эксплуатации инструмента на высоких скоростях резания.

Научная новизна работы заключается в:

• получении аналитических зависимостей, позволяющих прогнозировать прижоги и величины заусенцев, в зависимости от конструкции инструмента и технологических факторов процесса обработки;

• определении параметров инструмента и режимов обработки, позволяющих длительно и бездефектно проводить технологический процесс на высоких скоростях резания;

• создании новой конструкции дискового сегментного инструмента трехстороннего резания, защищенного патентом на изобретение РФ.

Методы исследования.

Для достижения поставленной цели, использован метод математического моделирования технологических операций, выполняемых режущим инструментом. При моделировании были использованы основные положения ' управления технологическими процессами машиностроения; теории резания; общей физики и теплофизики, в частности, термодинамики; молекулярно-механической теории трения и износа, а также основы дифференциальной и аналитической геометрии; вычислительной математики. Численный, количественный прогноз осуществлялся с помощью средств вычислительной техники^ Результаты прогнозирования прошли экспериментальную проверку в производственных условиях на предприятиях.

Практическая ценность.

В результате проведенных исследований получена методика, позволяющая выбирать параметры конструкции инструмента и режимы резания, которые дают возможность вести бездефектную механическую обработку длительный период времени до заданного износа инструмента. Это повышает качество обработанной поверхности и существенно снижает трудоемкость изготовления деталей машин за счет исключения финишных отделочных операций.

* Достоверность полученных результатов подтверждается корректным применением соответствующих математических моделей, а также теоретическими и экспериментальными исследованиями и использованием в производстве.

Реализация работы.

Материалы диссертационной работы внедрены на машиностроительных предприятиях России. Процессы бездефектной распиловки использовались на ПО «Муроммашзавод» при изготовлении из проката молдингов бытовых холодильников и на ПО КАМАЗ при изготовлении заготовок для колец синхронизаторов коробок скоростей автомобилей семейства КАМАЗ.

На ФГУП «ПО» Октябрь» проводится научно-практический проект по совершенствованию технологических процессов обработки деталей на станках сЧГГУ.

Апробация работы.

Основные положения, выводы и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах Института конструкторско-технологической информатики РАН; на международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения» - ТЕХНОЛОГИЯ-2003 (Орел, 2003); на IX международной научно-технической конференции «Современные тенденции развития транспортного машиностроения и материалов» (Пенза, 2004); на IV Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» (Пенза, 2004); на расширенном заседании лаборатории Jfel «Интегрированные автоматизированные машиностроительные системы» ИКТИРАН.

Публикации,

По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и результатов, списка литературы из 84 наименований и одного приложения. Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 16 таблиц и приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задача исследования

Непрерывный рост требований, предъявляемых к качеству рабочих поверхностей деталей машин, определяет одной из актуальных задач получение необходимых характеристик качества обработанных лезвийный инструментом поверхностей. Анализ опубликованных работ Боброва В.Ф., Ву C.B., Зипунникова Н.А., Исаева А. И., Комацдури АЛ., Комарова В .А.,

Кузнецова В.Д., Макарова А.Д., Резникова АЛ. и других, показывает, что механическая лезвийная обработка материалов сохраняет свое значение на обозримую перспективу, а объем ее применения для окончательного формирования рабочих поверхностей будет неуклонно возрастать. Вследствие этого даже незначительное усовершенствование в применении режущего инструмента или усовершенствование технологического процесса обработки предполагает получение экономического эффекта.' На сегодняшний день механизм образования заусенцев изучен и описан достаточно полно, однако на практике основной способ удаления заусенцев остается прежним - это дополнительные отделочные операции, как правило, ручные. Также достаточно полно изучено и описано появление прижогов при шлифовании, чего нельзя сказать о резании лезвийным инструментом.

В связи с этим, в данной работе выбрана цель - повышение эффективности трехстороннего резания на операциях механической обработки на основе управления конструкторско-технологическими факторами, исключающего образование прижогов и заусенцев при длительной эксплуатации инструмента на высоких скоростях резания. Для достижения поставленной цели сформулировано поэтапное решение следующих задач.

1. Разработать физико-механическую модель процесса образования заусенцев, которая должна;

а) учитывать тешюфизические явления, характерные для образования прижогов;

б) управлять временем бездефектного высокоскоростного, трехстороннего резания, реализуемого дисковым инструментом.

Данная модель кроме этого должна включать в себя следующие факторы:

• коиструкторско-технологические параметры;

• возможные схемы резания;

• физико-механические и тешюфизические свойства обрабатываемых материалов, а также материалов, из которых изготовлен инструмент,

2. Спрогнозировать количество дефектов на операции расниловкн дисковым инструментом при трехстороннем резании.

3. Сравнить производственные и экспериментальные результаты с расчетными данными модели и определить степень достоверности прогноза.

4. Реалгаовать высокоскоростную распиловку дисковым инструментом в производственных условиях.

5. Разработать конструкте рсхо-техн алогические рекомендации.

Глава 2. Исследован не влияния копструкторско-технологических факторов процессов резания на длительность бездефектной механической обработки поверхностей деталей машин

В настоящей главе анализируются причины возникновения дефектов поверхностей обработанных резанием, в частности прижоги и заусенцы, которые, в той или иной мере, всегда сопутствуют механической обработке. Предлагается физико-математическое моделирование процесса образования дефектов поверхностей при трехстороннем высокоскоростном резании. Получаемые модели предлагается использовать с целью управления временем бездефектного формообразования рабочих поверхностей деталей машин. Данное моделирование базируется на новых представлениях о характере процесса разрушения металлов при резании, выдвинутых в работах Комарова В.А. и др. авторов.

Влияние конструктсрско-технологическнх факторов процесса трехстороннего резания на длительность бездефектной обработки анализируется на примере распиловочных операций трехстороннего резания. На (рис.1) приведена кинематическая схема резания, на которой показаны следы обработки в виде циклоид, описываемых вершиной точек каждого зуба инструмента.

Рис. 1. Кинематическая схема трехстороннего резания

Из данной схемы видно, что максимальное значение сечения стружки по подаче (без учета динамических факторов) равно подаче на зуб инструмента, т.е. т =

Величина подачи на зуб дискового инструмента определяется известным выражением:

(1)

где - скорость движения подачи в (м/с);

г - число зубьев инструмента (пилы);

пИ - частота вращение пилы в (с"1).

При ширине пропила, равном ширине зуба пилы (Ь), значение

результирующей сипы резания можно рассчитать по уравнению:

8

<тк(т-ъ), (2)

где = <тв • (1 +1,35^/) — разрушающее значение напряжения в (Па);

предел прочности обрабатываемого материала в (Па); ¥ — коэффициент утонения материала. Следовательно, как на инструмент (зуб), так и на обрабатываемый материал действует две силы резания (Рх) и (Лг) определяющие

результирующую силу = V.

Рассматривая (рис.2), где изображена схема силового взаимодействия режущего элемента инструмента с материалом, можно получить следующие зависимости.

Рис.2. Схема силового взаимодействия. Общая сила (Рх )будет равна:

Рх =0,7аИ(т-Ь) + &Рх. (3)

В тоже время:

ДР =-

* 3(1-2/I) 1 ' (4)

где Е - модуль упругости обрабатываемого материала в (Па);

- площадь внедрения радиусной часта режущего клина на величину упругого восстановления материала фу) в (м2);

€ - относительная деформация на глубину натяга (Л„) материала радиусной части режущей кромки за время образования одного сегмента стружки, т.е. при ударной скоростной деформации; (I - коэффициент Пуассона, Согласно (рис. 1) и (рис.2) величина:

•У, «2рг!1у Ь , (5)

где

ку- коэффициент упругого восстановления поверхности. В общем виде:

2Е^2-г-к„-к -Ъ

—за-ад <6>

к 1

У3-г ¡Зр„(1-2р) • (V

1 +

ш

где

V-скорость резания (деформации) в (м/с);

ри - плотность материала режущей кромки инструмента в (всг/м3);

5 - удельная температуропроводность обрабатываемого

_ _ А/

- 1

См • ри материала в (м /с).

Если рассматривать (е) как внедрение радиусной части (/•) режущей кромки по оси ОХ за время (<5г) (время образования одного сегмента стружки на глубину натяга (А„)), величина которой неизвестна, то можно записать:

ь

н

£ — _ ____ __ __ ^

К + х + ^ ' (8)

где

$т -- = ^ - время одного импульса силы и энергии

У У разрушения в (с);

Л Зячтя (1—2//) „

С =_—_—---- - - постоянная упруго-пластических свойств

ЗсТд (1 — 2//) обрабатываемого материала; N - целое число, характеризующее предел асимптотического ряда, описывающего процесс теплового затухания от движущегося источника для определения величины зоны распространения ударной, пластической деформации. Следовательно, можно считать, что глубина проникновения упруго-пластической деформации ничтожна и соизмерима (А«), т.е.

«-^-с-м,

где А„- глубина пластической деформации.

По определению имеем + Ау) = И„. После преобразований получим

И-г \СМр„.3(1-2/0

'""¡'ТЗУ Е ~ ' (9)

Зная величину (АД можно определить относительную деформацию в другом виде:

=_1_

| Е (Ю)

I Е v2ript<^ia-■

У2ГЧрИ'3(1-2М)

Таким образом, используя полученные зависимости, можно рассчитать значение (АР^) и, следовательно, вычислить величину составляющей силы

резания (Рд) по зависимости (3), Условие резания (разрушения) дает следующее соотношение:

(11)

Откуда величина сечения (т,.) заусенца в направлении движения подачи (А,):

02)

где (/",) определяется зависимостью (3). Отсюда:

а в пределе:

,7сгктЬ t 1Eprh„ky Ъ <гйЬ + 3(l-2//)o-Äft

от д- =0,7lW + -"—■—(131

где h„ - рассчитывается по уравнению (9); ку- по уравнению (7); £ - по уравнению (8).

Из анализа степени влияния параметров данных функций, следует:

- величина (/и,) растет с ростом радиуса при вершине режущего клина или режущей кромки (г), т.е. при износе носика режущей кромки величина заусенца возрастает;

- величина (т„) и, следовательно, заусенец больше у материалов упругих, но с низким пределом прочности (при о>—*min, /и*—»-max; при Е—»max, m,—*- max), а у более прочных материалов величина заусенца минимальна и зависит от подачи, так как (пг ~ SV).

Анализируя полученные зависимости, можно сказать, что скорость резания (V) почти не влияет на образование заусенца. Величина заусенца по объему материала, его образующего, прямо пропорциональна подаче на зуб пилы (&) и величине радиуса при вершине режущей кромки (г).

Чтобы установить время (период) (Г„) износа (г) от величины 0,01 (мм) до 0,1 (мм) воспользуемся зависимостью, приведенной в работе Комарова В .А.:

Ъ - ширина лунки износа, равная ширине зуба пилы в (м);

tí - глубина лунки износа; в данном случае изменение от г,т =0,0110*' (м) до г^ о 0,2-Ю-3(м), т.е. в 20 раз и А'= 0,19-Ю"1 (м); w - поверхностная энергия, характеризующая работу выхода

электрона из материала режущей части инструмента в (Дж/м2);

loo - математическое ожидание числа образующихся высокотвердых кристаллов в обрабатываемом материале (определяется химическим составом);

ц' - число циклов образования ювенильных поверхностей при J " контакте режущего и обрабатываемого материалов (А'-глубина лунки износа, г„ - радиус атома); ¡j - заданная температура поверхности режущей части зуба

инструмента в (°С); Хи - удельная теплопроводность материала режущей части

инструмента в (Дж/с*м,пС); q - удельная теплоемкость материала режущей части инструмента в (Дж/кг °С);

Pfi - плотность материала режущей части инструмента в (кг/м3);

JV,

" - температуропроводность обрабатываемого материала в (м /с)

А.

Си'Рм

Та - период или время стойкости до истирания режущей кромки на глубину (А') износа в (с). Чтобы определить температуру поверхности режущей части зуба инструмента, получена зависимость:

,, 0,48с нтКшУ 3 где (15)

К ш — "fów ^пРи -коэффициент пропорциональности

•$Л„Спри + ^¡ЛмС1кГрм теплопоглощения Шарона;

т " - подача на зуб инструмента.

Пользуясь полученным уравнением (15), следует учитывать, что материал режущей части инструмента имеет собственную величину температуры начала деструктивных превращений (о), при превышении значения которой износ из установившегося превратится в катастрофический. Приведенная формула (14) для количественной оценки времени износа (периода) (7^) на величину (А') по любой из граней инструмента подразумевает расчет этого периода в условиях установившегося износа, когда справедливо неравенство (îj < t} ). При равенстве и превышении (<; S /,) будет происходить катастрофический износ.

Дня расчета величины нагревания заусенца получена зависимость:

Ат l,7aR(mb)jCa„N-T [ ^ ^ ЕгЫуе

СмРм ) о- )

lJ<TRmJCaMN | ^ ?? Ere 0~У*Г)

По формуле (16) можно определить величину приращения температуры материала в объеме заусенца и, следовательно, судить о прижогах и форме заусенца.

Глава 3. Мел одика проведения исследований

В главе изложена методика проведения исследований для проверки достоверности аналитических моделей, оценивающих величину дефектов. Для проведения экспериментальных исследований использована производственная установка для стационарной распиловки труб среднего диаметра Ди>100 (мм), но своим техническим характеристикам полностью соответствующая установке, применяемой на прокатных станах, скорость движения проката (труб) на которых равна 833 (м/мин) или 13,9 (м/с). Это определяет время необходимое на одно возвратно-поступательное движение пилы ^=1 Д(с) или время реза ¿г=0,6(с). Следовательно, 0,168 (м/с). На установке возможно использование инструмента - дисковой пилы £»и=56(Ь-800 (мм).

Частота вращения пилы имеет два диапазона и>/= 1500(об/мин) и пи -3000 (об/мин).

В экспериментах использовался дисковый инструмент двух конструкций:

1. пила дисковая цельная А* = 700(мм), 2ц = 96. Материал ХВГ с 1ЖС (62-^64) с цементацией зуба доНКС 68, 5{мм);

2. пила дисковая сегментная, осыащеиная сегментами из быстрорежущей стали марки Р6М5, А/ = 700(мм), 2и = 700, твердость зубьев ЖС (62-64), Ъ = 4(мм).

Поскольку, для проведения экспериментов выбраны наиболее щадящие, но реальные производственные условия, где время реза хотя и велико, но также ограничено ¿1=0,б(с), то возможно рассчитать скорость резания. Подача (&) уже задана. В первом случае <&=0,07(мм) и с учетом биений т = 0,075(мм). Во втором - £-=0,009б(мм) и с учетом биений ти=0,00] (мм). Для расчета оптимальной, по стойкости зуба пилы, скорости резапия (Р) используем уравнение (15), где =г3). Для пилы с зубьями из материала ХВГ (,<350(°С) и выше данной температуры наступает деструкция или протекает катастрофический износ. Для пилы с зубьями из материала Р6М5 ¡, <600(°С). Скорость резания, обеспечивающая установившийся минимальный износ, в первом случае будет равна К^}=6,67(м/с); во втором К^=64,б(м/с), т.е. мы получили для первого варианта распиловки трубы скорость резапия существенно ниже, чем устанавливаемая на станке. Это значит, что при работе пилы из материала ХВГ температура на поверхности режущих зубьев в месте контакта с удаляемым материалом превысит значение, определяющее начало деструктивных превращений в закаленной стали марки ХВГ(/3<3 500С) и, следовательно, износ поверхности зубьев, как по передней, так и по задней граням будет катастрофическим. Пользуясь уравнением (14) и принимая процесс износа за установившийся в пределах сечения отделяемого материала в направлении подачи, можно получить время износа зуба (Гц) на глубину (31и)

Ти " 500(ч*и:).

15

Из расчета следует, что при скорости резания К=55(м/с) адгезионный процесс не происходит или не существенен. Приведенный расчет должен характеризовать изношенность зубьев пилы, выбранной во втором варианте, где достаточен запас скорости для того, чтобы температура в зоне контакта не превышала значения, определяющего деструкцию.

Таким образом, в4 первом варианте мы должны наблюдать быстрый (катастрофический) износ режущего клина зубьев, следовательно, можно рассчитать объем заусенца и температуру его нагревания, т.е. определить прижог фактический и расчетный; во втором - убедиться, что в течении 500 часов резания инструмент обеспечит отсутствие заусенцев и прижогов.

Условия и порядок проведения экспериментов

1. Пила Оц = 700(мм), 2И ~ 96, материал ХВГ, п„ = 1500{об/мин);

~ 0,1б8(м/с). Наблюдение в течение 4 часов работы за образованием заусенцев, при появлении измерение их сечения (/и*) Визуальное контролирование цветов побежалости.

2. Пила £>и = 700(мм), = 700, материал Р6М5, ии = 1500(обУмин),

= 0,168 (м/с). Визуальное наблюдение за образованием заусенцев, при появлении измерение их сечения (от,). Контроль наличия цветов побежалости.

На (рис.3) и (рис.4) приведены графические зависимости, оценивающие величину заусенца на основе полученных регрессионных моделей для двух марок материалов.

Рис. 3. Влияние скорости резания и подачи отрезной фрезы на высоту заусенца профиля из стали 12ХН9Т при радиусе закругления режущей кромки г - 0,01 (мм)

Рис.4. Влияние скорости резания и подачи отрезной фрезы на высоту заусенца профиля из сплава Д16 при радиусе закругления режущей громки г = 0,01 (мм)

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований в и* анализ

В главе проведены экспериментальные исследования для подтверждения адекватности полученных во второй главе зависимостей влияния конструкторско-технологических факторов на величину критического износа режущих элементов дискового инструмента трехстороннего резания.

Расхождение между теоретическими и экспериментальными данными не превышало 7%, поэтому для дальнейшего анализа и расчета были использованы, в основном, теоретические зависимости. Полученные в четвертой и во второй главах уравнения позволяют связать свойства

обрабатываемого материала, режимы резания, динамическое состояние оборудования и конструкцию инструмента с величиной критического износа инструмента, т.е. установить связь между конструкторско-техиологическими параметрами процесса и временем работы инструмента до переточки, В главе разработан алгоритм, позволяющий решать расчетным методом данную задачу. Для учета влияния теплофнзических факторов и режимов резания на величину критического износа режущих элементов дискового инструмента также был разработан алгоритм решения данной задачи с помощью средств вычислительной техники. Полученные на основе анализа данные позволяют сделать следующие рекомендации;

1. следует, как можно больше увеличивать число режущих элементов, но, не нарушая условий отвода стружки;

2. необходимо использовать режущие материалы с большими значениями красностойкости ) и произведения: удельной теплопроводности удельной теплоемкости (Си) и плотности (ри), чему в большей мере соответствуют твердосплавные материалы. Из быстрорежущих материалов явно выделяется сталь Р18;

3. для обеспечения длительной бездефектной механообработки следует:

а) работать с малыми сечениями срезаемых слоев по подаче, следовательно, с малыми подачами на зуб;

б) использовать прецизионное, динамически устойчивое оборудование и инструмент;

в) выбирать максимально доступную скорость резания в зависимости от всех факторов процесса резания.

В приложении работы приведены программы расчетов параметров инструмента и режимов обработки, позволяющие длительно и бездефектно обрабатывать детали на металлорежущих станках на высоких скоростях резания. Приведен акт об использовании результатов исследований по совершенствованию технологических процессов обработки деталей на станках с ЧПУ на ФГУП «ПО» Октябрь» (г. Каменск-Уральский).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ:

1. Разработаны аналитические модели дня оценки влияния конструкторско-технологач еских факторов процесса резания на длительность бездефектной механической обработки.

2. Установлены причины образования заусенцев и получены зависимости, позволяющие управлять процессами их образования посредством выбора конструкторско-технологических параметров.

3. Исследованы причины образования прижогов при высокоскоростном резании..

4. Установлено, что причиной прижогов является не высокая скорость резания, а необоснованное использование больших подач без решения проблем деления припуска или его диспергирования на микроэлементы конструкторско-технологически ми методами.

5. Получены зависимости, необходимые для выбора требуемых режимов высокоскоростной распиловки, исключающих образование заусенцев и прижогов.

6. Получены рекомендации для качественной высокоскоростной резки проката дисковым инструментом трехстороннего резания, которые апробированы в промышленности при механической обработке материалов Х12Н9Т иД1б.

Сан сок публика цв В

1. Комаров В.А., Шурпо А.Н. Дисковая пила. Патент на изобретение РФ №94009795/02. Заявл. 22.03.94; Опубл. 24.04.96, МПК бВ23Рб1/02.

2. Комаров В.А, Шурпо А.Н. Расчет оптимальной по стойкости скорости резания для операции разрезки дисковым сегментным инструментом с помощью аналитической теплофизической модели // Сборник научных трудов. Том 9, - Орел: Орловский государственный технический университет, 1996. С.118-121.

3. Зипунников Н.А, Комаров В. А., Шурпо А.Н., Новые закономерности для оценки стойкости металлорежущих инструментов // Сборпик научных трудов. Том 9 - Орел: Орловский государственный технический университет, 1996. С.122-127.

4. Комаров В.А., Шептунов С.А., Шурпо А.Н., Количественная оценка величины заусенца в зависимости от конструкторско-технологических факторов процесса резания // Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения. Материалы международной научно-технической конференции - Орел, 2003. С. 206-208.

5. Комаров В А., Шурпо АЛ., Технологическое обеспечение бездефектного поверхностного слоя при механической обработке // Современные тенденции развития транспортного машиностроения и материалов. Сборник статей IX международной научно-технической конференции -Пенза, 2004. С. 103-105.

6. Шурпо А.Н. Математическая модель величины сечепия заусенца при механической обработке // Инновации в машиностроении. Сборник статей IV Всероссийской научно-практической конференции. - Пенза, 2004. С.104-106.

7. Шурпо А.Н. Исключение дефектов на заготовительных операциях, выполняемых дисковым инструментом трехстороннего резания // Социально-экономические и технические системы исследования, проектирования, оптимизации. Онлайновый электронный научи о-технический журнал, Набережные Челны: КамПи, 2006, Ла9-Режим доступа http://kampi.tu/sets.

8. Шурпо А.Н. Разработка ресурсосберегающей технологии получения заготовок иа основе экспериментальных исследований трехстороннего резания // Изв. Вузов. Сев-Кавк. Регион. Техн. Науки. — 2006.-Приложение Хз10.-С.50-52.

Подписано в печать 20.11.2006

Форм» 60x90V)« . Бумага 80 гр/м1 Гарнитура Tunes

Объем 1,25 па Тираж 50 эвд, Зшсзэ № 229

Отпечатано в Издательском Центре ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» Лицензия на издательскую деятельность ЛР №01741 от 11.05.2000 127055, Москва, Вадковскнй пер., д.За

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Технологическое обеспечение качества рабочих поверхностей деталей машин при механической обработке.

1.2. Классификация характеристик качества поверхностного слоя. Основные показатели дефектов поверхностного слоя.

1.3. Обеспечение бездефектной обработки поверхностей при высокоскоростном резании.

1.4. Цель и задачи исследования.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИ

ЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ПРОЦЕССОВ РЕЗАНИЯ НА ДЛИТЕЛЬНОСТЬ

БЕЗДЕФЕКТНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ

ДЕТАЛЕЙ МАШИН.

2.1. Влияние конструкторско-технологических факторов процесса трехстороннего резания на длительность бездефектной обработки.

2.2. Влияние режимов резания на интенсивность затупления дисковых пил.

2.3. Анализ влияния теплофизических факторов на образование дефектов при высокоскоростном резании и на длительность процесса износа режущих элементов инструмента.

2.4. Выводы.

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Разработка общей методики теоретических и экспериментальных исследований.

3.2. Оборудование, оснастка, инструмент.

3.3. Расчет требуемых режимов резания.

3.4. Условия и порядок проведения экспериментов.

3.5. Методика обработки результатов экспериментальных исследований.

3.6. Результаты экспериментальных исследований.

3.7. Выводы.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ИХ АНАЛИЗ.

4.1. Влияние скорости при трехстороннем резании на температуру контакта обрабатываемой поверхности с режущей кромкой зуба дискового инструмента.

4.2. Оценка величины износа режущей части дискового инструмента, определяющей начало образования дефектов.

4.3. Влияние конструкторско-технологических факторов на величину критического износа режущих элементов дискового инструмента.

4.4. Влияние теплофизических факторов и режимов резания на величину критического износа режущих элементов дискового инструмента.

4.5. Выводы.

В машиностроении изготовление деталей составляет до 70% от всей трудоемкости производства машин. При этом обработка металлорежущим инструментом, как способ получения изделий из заготовок, имеет наиболее широкое распространение в силу ее высоких технико-экономических показателей. Поэтому повышение эффективности механической обработки является одной из важнейших задач современного производства. В первую очередь это означает, что в процессе изготовления деталей машин необходим переход на такие технологические процессы, которые позволят обеспечить требуемое качество деталей с максимальной производительностью при минимизации потерь материалов, затрат времени труда станочников, энергетических и прочих ресурсов. В настоящее время, наряду с существующими традиционными способами обработки, разрабатываются и внедряются новые методы обработки материалов, такие как электрофизические, ультразвуковые, лазером и электронным лучом. Это не означает, что традиционные способы резания утратили свою промышленную и научную актуальность, а связано с необходимостью решения на производстве более широкого круга задач.

Каждый из перечисленных способов обработки материалов имеет свои преимущества и недостатки, а главное - свою область применения, однако, на сегодняшний день механическая обработка на станках широко распространена в машиностроении и позволяет обеспечивать как наиболее высокие качественные характеристики, так и наиболее высокую производительность.

Перспективным путем дальнейшей интенсификации обработки материалов является совершенствование режимной части резания на основе новых представлений о процессе резания материалов, а также повышение степени автоматизации технологических процессов.

Разработка эффективных, ресурсосберегающих технологических процессов механической обработки деталей машин при обеспечении требуемого качества всегда являлась основной задачей технической политики развивающегося общества. Большой вклад в ее решение внесло развитие направления, связанного с созданием и использованием адаптивных и самооптимизирующихся систем управления металлорежущими станками. Применение станков с ЧПУ, оснащенных такими системами, позволяет резко повысить точность обработки. Создание и использование новых износостойких режущих материалов, обеспечивает увеличение режимов резания и снижает время на обработку. Однако это всего лишь одно из направлений развития специальных технологий и наук, которое не может дать полного и всестороннего решения задачи резкого повышения эффективности и качества производства машин путем быстрого и высококачественного изготовления их деталей. При изготовлении ответственных деталей современных машин наука и производство постоянно сталкиваются с проблемой поиска эффективных средств технологического воздействия на поверхностный слой в процессе формообразования их рабочих поверхностей. Повышение эксплутационной надежности машин прямо связано с долговечностью их ответственных деталей, которая полностью зависит от качественного состояния их рабочих поверхностей, испытывающих те или иные нагрузки и различного рода воздействия. Поэтому понятие качества поверхности сейчас включает не только требуемую точность ее формы, но и заданную шероховатость, определяемую лишь одним ее показателем - высотой микронеровностей. В зависимости от эксплутационных условий к поверхностному слою рабочей поверхности предъявляются требования по форме и направлению микрогеометрии, структуре, фазовому составу, микротвердости, остаточным напряжениям и другим показателям его качественного состояния.

Обеспечение заданных качественных показателей поверхностных слоев при формообразовании рабочих поверхностей в процессе изготовления деталей является одним из важнейших направлений, которыми занимается технологическая наука. Следует отметить, что за последние годы выработалась тенденция, по которой в процессе формообразования поверхности и ее слоя, обработке режущим инструментом отведена роль обеспечения точности и заданной шероховатости, а для формирования других важных качественных показателей таких, как наклеп и остаточные напряжения, безоговорочно принимается удлинение маршрута обработки детали путем введения в технологический процесс дополнительных отделочно-упрочняющих операций.

Важной, неотъемлемой частью машиностроения является заготовительное и механообрабатывающее производство, объемы которых в большой степени определяют трудоемкость и качество деталей машин, а, следовательно, и выпускаемых машин в целом.

Непрерывный рост требований, предъявляемых к качеству рабочих поверхностей деталей машин, определяет одной из актуальных задач получение необходимых характеристик качества обработанных лезвийным инструментом поверхностей. Анализ опубликованных работ Боброва В.Ф., By С.В., Зипунникова Н.А., Исаева А.И., Командури А.И., Комарова В.А., Кузнецова В.Д., Макарова А.Д., Резникова А.Н. и других, показывает, что механическая лезвийная обработка материалов сохраняет свое значение на обозримую перспективу, а объем ее применения для окончательного формирования рабочих поверхностей будет неуклонно возрастать.

Вследствие этого даже незначительное усовершенствование в применении режущего инструмента или усовершенствование технологического процесса обработки предполагает получение экономического эффекта.

В настоящей работе проанализированы причины возникновения дефектов поверхностей обработанных резанием, в частности, прижоги и заусенцы, которые, в той или иной мере, всегда сопутствуют механической обработке. Предложена физико-математическая модель процесса образования дефектов поверхностей при высокоскоростном, трехстороннем резании с целью управления временем бездефектного формообразования рабочих поверхностей деталей машин. Данное моделирование базируется на новых представлениях о характере процесса разрушения металлов при резании выдвинутых в работах [2,3,7,9,27,38,42,55,65], а также в работах Комарова В.А. [25,26,28,31].

Увеличение времени бездефектного формообразования позволяет сократить длительность механической обработки, за счет исключения операций удаления заусенцев, а также позволяет повысить качество обработанных поверхностей за счет исключения прижогов на поверхностях обрабатываемых материалов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ:

1. Разработаны аналитические модели для оценки влияния конструкторско-технологических факторов процесса резания на длительность бездефектной механической обработки.

2. Установлены причины образования заусенцев и получены зависимости, позволяющие управлять процессами их образования посредством выбора конструкторско-технологических параметров.

3. Исследованы причины образования прижогов при высокоскоростном резании.

4. Установлено, что причиной прижогов является не высокая скорость резания, а необоснованное использование больших подач без решения проблем деления припуска или его диспергирования на микроэлементы конструкторско-технологическими методами.

5. Получены зависимости, необходимые для выбора требуемых режимов высокоскоростной распиловки, исключающих образование заусенцев и прижогов.

6. Получены рекомендации для качественной высокоскоростной резки проката дисковым инструментом трехстороннего резания, которые апробированы в промышленности при механической обработке материалов Х12Н9Т и Д16.

1. Абрамович A.JL, Комаров В.А., Мещерякова Т.Ф., Мольков В.И. Подтверждение импульсного характера разрушения материалов на основе металлофизического анализа образцов стружки // «Техника. Технология. Управление» №2, 1992, С.13-17.

2. Абрамомич А.Л., Мольков В.Н., Комаров В.А. Металлографическое исследование корней и шлифов стружки // «Передовой производственной опыт» №3, 1991, С. 57-58.

3. Аваков А.А. Физические основы теории стойкости режущих инструментов. М.: Машгиз, 1960, 307 с.

4. Албагачиев А.Ю., Комаров В.А., Преображенская Е.В. Способ отделочно-упрочняющей обработки поверхностей резанием // Изобретения (заявки и патенты) №20,4.1, 1999, С. 94-96.

5. Албагачиев А.Ю., Комаров В.А., Преображенская Е.В. Совмещенный инструмент на основе ротационного резца // Материалы региональной научно-практической конференции. Трансиб-99, Новосибирск, 1999, С. 346-347.

6. Албагачиев А.Ю., Комаров В.А., Серебряков В.И. Теплофизика дробеударного упрочнения // Технологическая теплофизика. Раздел II. Теплофизика обработки металлов давлением, Тольятти, 1988, С. 40-82.

7. Анисимов А.Н. Повышение эффективности механической обработки тонкостенных цилиндрических изделий специального назначения. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., М., 1996.

8. Араменов В.А., Алексеев Г.А. Резание металлов. М., Машгиз, 1960, 490 с.

9. Балакшин Б.С. Теория и практика технологии машиностроения: В 2-х кн.-М.Машиностроение,-Кн. 1 Основы технологии машиностроения.-1982,- 367 с.

10. Блек И.Т. Модель пластического напряжения при резании металлов (пер. с англ.) ACME №4, Конструирование, 1979, С.45-51.

11. Блюмберг В.А., Зазерский Е.И. Справочник фрезеровщика. М.: Машиностроение, 1984, 228 с.

12. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов, М.: Машиностроение, 1975,344 с.

13. Бокучава Г.В. Температура резания при шлифовании // Вестник машиностроения, №11, 1963, С. 47-54.

14. By С.В. Новый подход к определению передаточной функции для динамических процессов резания (пер. с англ.). Современное машиностроение, Серия В№10, 1989, 220 с.

15. Грановский Г.И. , Грановский В.Г. Резание металлов.- Учебник для спецВУЗов, М.: Высшая школа, 1985, 303 с.

16. Трудов А.А., Зипунников Н.А., Ермаков Ю.М., Хаги Г.Д. Способ обработки металлов резанием. А.С. СССР №1065087. Опубл. 19.11.1982 г.

17. Драйпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ, М., Статистика, 1973,125 с.

18. Зипунников Н.А, Комаров В.А., Шурпо А.Н., Новые закономерности для оценки стойкости металлорежущих инструментов // Сборник научных трудов. Том 9 Орел: Орловский государственный технический университет, 1996. С.122-127.

19. Зорев Н.Н., Грановский Г.И., Ларин М.Н., Лоладзе Т.Н., Третьяков И.П. и др. Развитие науки о резании металлов М.: Машиностроение, 1967, 632 с.

20. Исаев А.И. Процесс образования поверхностного слоя при обработке металлов резанием, М.: Машгиз, 1950, 358 с.

21. Кацев П.Г. Статистические модели исследования режущего инструментам.: Машиностроение, 1974, 240 с.

22. Командури, Флом. Обзор программы исследования перспективных процессов механической обработки, ACME №4, 1985, С.28-43.

23. Командури, Шредер, Турпевич. Катастрофический нестабильный сдвиг при высокоскоросном резании стали, ACME №2, 1982, С.92-121.

24. Комаров В.А. Теплофизический подход к классическому решению задач определения энергии и силы разрушения твердых тел при резании, Деп. Научные труды. ВИНИТИ, №6 (176), 1985, 134 с.

25. Komarov V., The new implus theory of metal cutting. The Rolex Awards for Enterprise, Switzerland, Geneva, 1996, 15 c.

26. Комаров В.А. Количественная оценка износа инструментов при резании // Фундаментальные и прикладные проблемы технологии в машиностроения. Материалы международной научно-практической конференции, Орел, 2000, С.215-217.

27. Комаров В.А. Поверхностная закалка при резании // Материалы четвертый международной научно-практической конференции «Качество машин», Брянск, БГТУ, 2001, С.78-83.

28. Комаров В.А. Повышение эффективности технологических процессов на основе совершенствования обработки резанием М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002, 164 с.

29. Комаров В.А., Анисимов А.Н. Высокоскоростная обработка керамических материалов, «Технология металлов» М.: Машиностроение, 1999, 28 с.

30. Комаров В.А., Анисимов А.Н. Физико-математический анализ причин интенсивного износа абразивных инструментов, « Технология металлов» М.: Машиностроение, 1999, 32 с.

31. Комаров В.А., Шурпо А.Н. Дисковая пила. Патент на изобретение РФ №94009795/02. Заявл. 22.03.94; Опубл. 24.04.96, МПК 6B23D61/02.

32. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968, 580 с.

33. Кузнецов В.Д. Физика твердого тела. Материалы по физике внешнего трения, износу и внутреннему трению твердых тел. Т.4. Томск, Полиграфиздат, 1947, 542 с.

34. Кук, Раис. Прерывистая, сдвиговая деформация при непрерывном образовании стружки. АСМЕ№3, 1962, С. 22-31.

35. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1983, 359 с.

36. Ли Д. Влияние скорости резания на стружкообразование при прямоугольном резании. ACME №1, Конструирование, 1985, 107 с.

37. Лоладзе Т.И. Износ режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1975,263 с.

38. Макаров А.Д. Оптимизация процессов фрезерования. М.: Машиностроение, 1976, 276 с.

39. Маталин А.А. Технология механической обработки, JL: Машиностроение, 1977, 462 с.

40. Методика выбора и оптимизации контролируемых факторов технологических процессов РДМУ 109-77. Издательство стандартов, 1978, 63 с.

41. Михайлов А.А. Об образовании шлифовочных трещин // Вестник машиностроения №9, 1968, С. 68-70.

42. Михайлов А.А. О несостоятельности тепловой теории образования шлифовочных трещин // Тепловые явления в процессах резания. М.: Знание, 1970, С. 23-27.

43. Михайлов А.А Обработка деталей с гальваническими покрытиями. М.: Машиностроение, 1981, 185 с.

44. Мольков В.И. Повышение производительности и качества отрезки проката черных и цветных металлов выполняемой дисковым сегментным инструментом на круглопильном оборудовании. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., М., МИП, 1993.

45. Непомнящий Е.Ф. Трение и износ под воздействием струи твердых сферических частиц // СБ «Контактное взаимодействие твердых тел и расчет сил трения и износа» М., Наука, 1971, С. 190- 200.

46. Плешаков В.В. Методы и модели исследования операций: Регрессивное моделирование технологических систем: Учебное пособие для ВУЗов. МГТУ "СТАНКИН". М., 1996, 99 с.

47. Подзей А.В., Сулема A.M. Технологические остаточные напряжения. М.: Машиностроение, 1973, 216 с.

48. Подпоркин В.Г., Бердников JI.H. Фрезерование труднообрабатываемых материалов. JL: Машиностроение, 1983, 136 с.

49. Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрацией. М.: Машиностроение, 1970, 350 с.

50. Полетика М.Ф. Приборы для измерения сил резания и крутящих моментов. Свердловск: Машгиз, 1972, 213 с.

51. Преображенская Е.В., Албагачиев А.Ю., Комаров В.А. Способ отделочно-упрочняющей обработки поверхностей резанием за один проход инструмента // Справочник. Инженерный журнал № 6, 1999, С. 40-49.

52. Преображенская Е.В. Обеспечение качества цилиндрических поверхностей методом совмещенной отделочно-упрочняющей обработки. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., М., МИП, 2001.

53. Проспект фирмы «Вагнер» 7410 Ренлинген/ ФРГ, 22 с.

54. Рамарадис Т. Сантаним С. Разрушение инструмента в конце резания. Образование носка (пер. с англ.). Современное машиностроение, серия Б, 1989, №6, 216 с.

55. Режимы резания металлов. Справочник. 3-е изд. Перераб. Допол. М.: Машиностроение, 1972, 720 с.

56. Резников А.Н. Теплообмен при резании и охлаждении инструмента. М.: Машгиз, 1963, 184 с.

57. Резников А.Н. Теплофизика резания. М.Машиностроение, 1969, 95 с.

58. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М.: Машиностроение, 1986, 336 с.

59. Решетов Д.Н., Портман В.Т. Точность металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1986, 310 с.

60. Рехт Р.Д. Динамический анализ высокоскоростной обработки резанием (пер. с англ.) ACME №4, 1985, С. 87-102.

61. Родин П.Р. Основы теории проектирования режущих инструментов. М. Машгиз, 1960, 426 с.

62. Семенченко И.И. Проектирование металлорежущих инструментов. М.: Машгиз, 1963, 952 с.

63. Серебряков В.И., Комаров В.А. Расчет характеристик упруго-пластического контакта при ударе. Деп. научн. работы. ВНИИТЭМР, 1986, № 8 (178), 80 с.

64. Силин С.С., Хрульков В.А. Глубинное шлифование деталей из труднообрабатываемых материалов М.Машиностроение, 1981, 237 с.

65. Сипайлов В.А. Тепловые процессы при шлифовании и управление качеством поверхности. М.: Машиностроение, 1978, 167 с.

66. Сорокин Г.М., Албагачиев А.Ю., Меделяев И.А. Экспериментальная установка для исследования поверхностной энергии металлов и сплавов./ Трение и износ, № 5,1986, С. 25-27

67. Сотников А.В. Повышение производительности и качества обработки плоских поверхностей деталей. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М., 1987.

68. Тихонов В.М. Зависимость интенсивности изнашивания инструмента. Информ. изд-е ВИНИТИ, вып. 7, 1968, 62 с.

69. Трент Е. Резание металлов (пер. с англ.) М.: Машиностроение, 1980, 312 с.

70. Фадеев JI.A. Албагачиев А.Ю. Повышение надежности деталей машин М.: Машиностроение, 1993, 117 с.

71. Филоненко С.И. Резание металлов. Киев, Техника, 1975, 175 с.

72. Федоров В.В. Теория оптимального эксперимента (Планирование регрессионных экспериментов), М., Наука,1971, 312 с.

73. Ханин Н.В. Математическое моделирование процесса поверхностного разрушения деталей машин и приборов. М.,ВЗМИ, 1978, 127 с.

74. Хартман К., Лецкий Э., Шеффер В., Планирование экспериментов при исследовании технологических процессов, М., Мир,1977, 552 с.

75. Хрущев М.М., Бабичев М.А. Исследования изнашивания металлов. Изд-во АН СССР, 1980,163 с.

76. Шурпо А.Н. Математическая модель величины сечения заусенца при механической обработке // Инновации в машиностроении. Сборник статей IV Всероссийской научно-практической конференции. Пенза, 2004. С.104-106.

77. Шурпо А.Н. Разработка ресурсосберегающей технологии получения заготовок на основе экспериментальных исследований трехстороннего резания // Изв. Вузов. Сев-Кавк. Регион. Техн. Науки. 2006.- Приложение №10.-С.50-52.

78. Шустер Л.Ш. Адгезионное взаимодействие режущих инструментов с обрабатываемым материалом. М.: Машиностроение, 1988,292 с.

79. Этин А.О. Кинематический анализ методов обработки металлов резанием М., "Машиностроение", 1964, 272 с.