автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности стружкодробления при точении сталей резцами с укороченной передней поверхностью

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1.1 Анализ теоретических представлений о решении задачи стружкодробления.

1.2 Анализ экспериментальных данных о влиянии условий резания на процессы завивания и ломания стружки.

1.3 Обеспечение стружкодробления в условиях ГПС.

1.4 Особенности процесса резания инструментами со стружкозавивающей канавки.1.Л.

1.5 Особенности процесса резания инструментами с укороченной передней поверхностью.

1.6 Выводы по обзору работ и постановка задач исследования.

Глава 2 УСТАНОВЛЕНИЕ ГРАНИЦ

ЗОНЫ СТРУЖКОДРОБЛЕНИЯ.

2.1 Понятие о границах зоны удовлетворительного стружкодробления.

2.2 Анализ завивания стружки в вертикальной плоскости.

2.3 Анализ завивания стружки в боковой плоскости.

2.4 Экспериментальное исследование границ зоны стружкодробления.

2.4.1 Уравнение для расчета критической подачи из условий стружкодробления.

2.4.2 Уравнения для расчета критической глубины резания.

Глава 3 МОДЕЛЬ СИЛ РЕЗАНИЯ ДЛЯ РЕЗЦА С УКОРОЧЕННОЙ ПЕРЕДНЕЙ

ПОВЕРХНОСТЬЮ.

3.1 Механистическая модель сил резания.

3.1.1 Модель прогнозирования сил для инструментов с укороченной передней поверхностью.

3.1.2 Модель для случая контакта стружки с выходной кромкой канавки.

3.1.3 Модель для случая контакта стружки с контуром канавки.

3.2 Алгоритм механистической модели для резцов с канавкой.

3.3 Экспериментальное определение сил резания.

3.3.1 Методика проведения экспериментов.

3.3.2 Результаты экспериментов.

3.3.3 Сравнение расчетных и экспериментальных результатов.

3.4 Влияние параметров инструмента на силы резания.

Глава 4 ФОРМИРОВАНИЕ БАЗЫ ДАННЫХ ПО УПРАВЛЕНИЮ ПРОЦЕССОМ

СТРУЖКОДРОБЛЕНИЯ.

4.1 Структура базы данных.

4.1.1 Справочная подсистема.

4.1.2 Подсистема стружкозавивающих канавок.

4.1.3 Подсистема нормальной длины контакта.

4.1.4 Подсистема трехмерного течения стружки.

4.2 Обобщение информации по формированию базы данных.

4.2.1 Анализ угла стекания стружки.

4.2.2 Анализ потребляемой мощности.

4.2.3 Анализ эффективности стружкодробления.

4.2.4 Влияние различных факторов на трехмерное течение и ломание стружки.

4.2.5 Анализ трехмерного течения стружки при использовании стружкозавивающих канавок.

Глава 5 ЭКСПЕРТНЫЕ ПРАВИЛА ДЛЯ ФОРМИРОВНИЯ БАЗЫ ЗНАНИЙ ПО СТРУЖКОДРОБЛЕНИЮ.

5.1 Правила для потребляемой мощности.

5.2 Правила для эффектного стружкодробления.

5.3 Правила для прогнозирования угла стекания стружки.

5.4 Правила по прогнозированию угла бокового схода стружки.

Глава 6 ОБЩАЯ СТРАТЕГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ СТРУЖКОЗАВИВАЮЩИХ

КАНАВОК.

6.1 Определение оптимальной длины укороченного контакта по передней поверхности.

6.2 Определение параметров эффективной стружколомающей канавки.

6.3 Общая процедура проектирования эффективных стружкозавивающих канавок.

ВЫВОДЫ.

Проблема комплексной механизации и автоматизации процессов механической обработки, увеличение интенсивности съема металла путем увеличения уровня используемых скоростей резания и сечений среза, специфика обработки закаленных высокопрочных вязких материалов - все эти вопросы с особой остротой ставят в последние годы задачу т.н. "удовлетворительного" стружкодробления в широком диапазоне условий обработки. Сливная стружка, с большой скоростью выходящая из зоны резания, в целом ряде случаев является причиной травматизма, поломок инструмента, простоев оборудования, ухудшения качества обработанной поверхности, снижения производительности обработки. К этому следует добавить увеличение непроизводительных затрат, связанных со сложностью транспортирования путанной стружки из рабочей зоны и в пределах завода, а также с неэффективным использованием полезного объема подвижного состава при транспортировке стружки на металлургические предприятия. Если принять во внимание большой объем обработки резанием в современном производстве, становится очевидным, что фирмы несут огромные затраты, причиной которых является тот, на первый взгляд, незначительный факт, что форма и размеры слоя металла, уже снятого с поверхности детали во время ее формообразования, не являются "оптимальными" в некотором определенном смысле этого термина. Следует отметить, что для различных условий производства, в том числе и для различных видов оборудования, существуют свой критерии, по которым можно оценить степень оптимальности образующейся стружки. Однако, при оптимизации условий обработки, при разработке баз знаний по режимам резания вопрос удовлетворительного стружкодробления в широком диапазоне условий резания приобретает особо важное значение.

Актуальность указанной проблемы существенно возрастает в условиях автоматизированной подготовки производства, когда условия гарантированного дробления образующейся стружки необходимо прогнозировать на этапе разработки технологического процесса. Для успешного решения этой задачи необходимы математические модели, позволяющие либо выбрать соответствующий инструмент исходя из условий обработки, либо спрогнозировать форму и размеры образующейся стружки при использовании имеющегося в наличии инструмента.

В данной работе задача обеспечения устойчивого стружкодробления решается в рамках процесса точения сталей резцами со сменными режущими пластинами, имеющими на передней поверхности фаску и стружкоформирующую канавку. Такая пластина может рассматриваться как инструмент с укороченной передней поверхностью, если ширина фаски меньше длины нормального (естественного) контакта стружки с плоской передней поверхностью при аналогичных режимах резания. Учитывая известный эффект уменьшения силы резания при использовании инструментов с укороченной передней поверхностью, задача обеспечения стружкодробления решается с учетом сведения к минимуму потребляемой мощности.

ВЫВОДЫ

По результатам аналогических и экспериментальных исследований, изложенных в работе, можно сделать следующие выводы.

1. Стружкодробление при точении металлов, в частности, в условиях автоматизированного производства, осуществляется, в основном, путем использования сменных режущих пластин со стружкоформирующими элементами. Большая часть вариантов стружкоформирующей геометрии содержит характерные элементы: стружкозавивающую канавку и упрочняющую фаску, представляющую собой участок передней поверхности с ограниченной длиной, который при определенных условиях может рассматриваться как укороченная передняя поверхность.

2. На основе существующих гипотез о механизмах завивания и дробления стружки разработана методика прогнозирования критических с точки зрения стружкодробления значений подачи и глубины резания.

3. Экспериментально установлено, что величина критической подачи зависит от свойств обрабатываемого материала, ширины стружечной канавки, главного угла в плане, радиуса при вершине резца и скорости резания.

4. Критическая глубина резания значительно изменяется при изменении радиуса при вершине инструмента. Если нет строгих ограничений по глубине резания, для большинства сталей с достаточной для практики точностью можно принять, что критическая глубина резания равна радиусу при вершине инструмента.

5. Радиус завивания стружки может быть практически приемлемым параметрам для оценки стружколомающей способности различных форм канавок и является важной методологической основной для исследования процессов стружкодробления.

6. Разработана методика прогнозирования сил резания для резцов с укороченной передней поверхностью, учитывающая два варианта контактирования стружки с резцом: на выходной кромке канавки и по контору канавки. Для каждого из этих вариантов предложены модели для прогнозирования сил резания.

7. Экспериментально доказано, что погрешность прогнозирования силы резания для обоих вариантов контактирования стружки с канавкой на передней поверхности резца не превышает 20%. Установленные зависимости сил, приложенных к элементам стружкоформирующей поверхности режущих пластин, могут найти применение при разработке рекомендаций по выбору стандартных режущих пластин для чернового и чистового точения.

8. С использованием имеющейся в литературе информации и результатов проведенных в лабораторных условиях опытов разработана концепция экспертной системы для проектирования стружкоформирующих элементов, обеспечивающих устойчивое дробление стружки при минимально возможных затратах мощности.

9. Разработаны база данных и методика их использования в экспертной

155 системе, позволяющие с учетом комбинации положительного эффекта укороченной передней поверхности и радиусной стружкозавивающей канавки выбирать оптимальную длину укороченной передней поверхности по критерию эффективного стружкодробления при минимуме затрачиваемой мощности.

10. Предложенная концепция экспертной системы может быть расширена и на выбор рациональной режущей пластины для конкретных условий обработки. Для этого база данных должна быть дополнена подсистемой обрабатываемых материалов и подсистемой стружкоформирующих элементов серийно выпускаемых режущих пластин.

156

1. Городецкий Б.И., Немцов Ю.Ю., Продиус В .Я. Виброустойчивость при продольном точении резцами с укороченной и плоской передними поверхностями // Изв. вузов. Машиностроение, 1982.- № 6.- С. 97-101.

2. Зорев H.H. Взаимосвязь между процессами сдвига на передней поверхности инструмента и плоскости сдвига // Prjc. Int. Prod. Engg. Res. Conf. Reitsburg - 1963.-p.p. 42 - 49.

3. Кабалдин Ю.Г., Бурков A.A., Кравченко Е.Г. Физические основы управления процессом завивания стружки в условиях автоматизированного производства // Вестник машиностроения. 2000, № 4.-С.28-34.

4. Кабалдин Ю.Г., Храмов А.И., Егорова Ю.Г. Жесткопластическая модель процесса резания // Вестник машиностроения. 1998.-№ 2.-С. 19-23.

5. Кабалдин Ю.Г., Швилев A.M. Самоорганизующиеся процессы в технологических системах обработки резанием. Диагностика. Управление. Владивосток: Дальнаука.-1998.-296с.

6. Клушин М.И. Скоростное резание металлов.- М.: Машгиз, 1947.- 260с.

7. Кудинов В.А. Схема стружкообразования (динамическая модель процесса резания) // Станки и инструмент, 1992.-№10.-С. 14-17, №11.-С. 26-29.

8. Куфарев Г.Л. Теория завивания стружки // Перспективы развития резания конструкционных материалов.-М.: Изд. ЦПНТО Машпром, 1980.-С. 116-121.

9. Куфарев Г.Л., Окенов К.Б., Говорухин В.А. Стружкообразование и качество обработанной поверхности при несвободном резании.-Фрунзе: Мектеп, 1970.-170с.

10. П.Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1982.-278с.

11. Лутов В.М. Выбор оптимального размера стружколомающих канавок // Станки и инструмент., 1962.- № 7- С. 27- 30.

12. Михайлов C.B., Чижов В.Н. Анализ существующих теорий и разработка новой физической модели завивания стружки / Мат. обеспеч. оптимиз. операций мех. обраб.- Ярославль, 1983.- С.59-65.

13. Немцов Ю.Ю. Завивание и дробление стружки при точении резцами с укороченной передней поверхностью // Сб. "Теория трения, смазки и обрабатываемости материалов".- Чебоксары. -ЧТУ.- 1983.-С. 72-75.

14. Петру шин С.И. Направление схода стружки и оптимальность геометрии режущей части инструментов в плане // Вестник машиностроения, 1997.- №11.- С. 26-29.

15. Петрушин С.И. Механика несвободного резания пластичных материалов / Петрушин С.И.; Том. политехи, ун-т.- Томск, 1996.-106с.: ил.- Библ.: 18 назв.- Рус.- Деп. в ВИНИТИ 12.07.96., №2343-В96.

16. Петрушин С.И. Оптимизация формы режущего клина лезвийных инструментов // Вестник машиностроения, 1995.- №3.- С.25-28.

17. Петрушин С.И., Бобрович И.М., Корчуганова М.А. Оптимальное проектирование формы режущей части лезвийных инструментов. Томск.: 1999.-91с.

18. Пирс Р.Н., Ричардсон Н.С. Повышение эффективности обработки резанием с помощью резцов с сокращенной длиной контакта резец-стружка.- Экспресс-информация. Режущие инструменты. 1977.- №24.- С. 1-7.

19. Садовников И.В., Власов А.Н. Выбор токарного режущего инструмента с учетом критерия удовлетворительного стружколомания / Повыш. эффективн технол. процессов механообраб.- Иркутстк, 1990.- С. 49-53.

20. Сысоев В.И. Основы резания металлов и режущие инструменты.-М.: Машгиз, 1962.

21. Федоров B.JI. Дымова Э.Н. Инструментальные материалы и вопросы стружкодробления в гибких производственных системах // Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Сер. Резание металлов. Станки и инструменты.- 1991.- 10., С. 1-136.

22. Федоров B.JL, Шахид М.А. Влияние условий обработки на тип образующейся стружки при точении / Вопр. повыш. качества металлореж. оборудов. и инстр.- М.: УДН, 1984.- С. 6-11.

23. Федоров B.JI. Шахид М.А. Экспериментальное исследование сил, действующих на стружколом при продольном точении / Вопр. статич. и динамич. характ. металлореж. оборуд. и инстр.-М.: УДН, 1983.- С. 3-6.

24. Чиксов В.Н., Михайлов C.B. Исследование закономерностей завивания сливной стружки // Оптимизация процессов резания жаро- и особо прочных материалов. Уфа. 1985.- С.70-73.

25. Шахид MA. Экспериментальное исследование процесса стружколомания: Дисс. на соиск. уч. степ, к.т.н. -М.: УДН.- 1983.-210с.

26. Шахид MA., Федоров B.JI. К вопросу о стружколомании при резании металлов / Исслед. динам, и технол. оборуд. и инструм.-М.:УДН, 1982.- С. 20-23.

27. Athanave S.M. Adamage-baced model for predicting chip break ability for obstruction and grooved tools. Ph. D. Thesis.- N.C. State Univ. -1994.

28. Bator J.S. Power reduction through efficient chip control // Cutt. Tool Eng.- 1975.- p.p. 4-8.

29. Вег A., Kaldor S., Lenz E. New concept in chip-breaker design leads to a wider range of chip-breaking.- SME Tech. Paper. MR 79-307, 1979.

30. Chao B.T., Trigger K.J. Controlled contact cutting tools // Trans. ASME.- 1959.- 81.-p.p. 139-151.

31. Chen Y.- Shi H. Curling and flowing of 3-D chip // J. of Huazhong Univ. Scien. Techn., Vol. 21, №4., 1993.- p.p. 1-6.

32. Colwell Z.V. Predicting the angel of chip flow for single point cutting tools // Trans, of ASME, Vol. 76, №2, 1954.- p.p. 199-202.

33. Fine L. Chip control. Part 1. Grooves in carbide-tipped turning tools//Aircraft Prod., 1956.-p.p. 156-161.

34. Fine L. Chip control. Part 2. Unconventional chip control grooves // Aircraft Prod., 1956.-p.p. 200-205.

35. Fu H.J., Devor R.E. Kapoor S.G. A mechanistic model for prediction of the force system in face milling operations // ASME J. Engg. Ind.-1984-106.-p.p. 81-88.

36. Enders W.J., De Vor R.E., Kapoor S.G. A dual mechanist approach to the prediction of machining forces: Part 1 and 2 // ASME J. Eng. Ind.- 1995.- 117-p.p. 526-541.

37. Jang J.A. A predictive model of chip breaking for groove - type tools in orthogonal machining of AISI steel. Ph. D. Thesis. N. State Univ. 1992.

38. Jawahir I.S. The tool restricted contact effect as a major influencing factor in chip breaking // Annals of the CIRP, vol. 37, 1988.- p.p. 121126.

39. Jawahir I.S., Fang X.D. A knowledge based approach for improved performance with grooved chip breakers in metal machining // Proc. 3rd Int. Couf. Adv. Manuf. Tech., Singapore, 1989.- p.p. 130-144.

40. Jawahir I.S., van Luthervelt C.A. Recent developments in chip control research and application // Annals of the CIRP, vol. 42, 1993.- p.p. 659-685.

41. Jawahir I.S., Oxley P.L.B. Efficient chip breaking at reduced power comumtion- an experimental analysis. Proc. 4th Int. Conf. Manuf. Eng.- Brisbane, Australia 1988.- p.p. 97-102.

42. Jiang C.Y., Zhang Y.Z., Chi Z.J. Experimental Research of the chip flow direction and its application to the chip control // Annals of the CIRP, vol. 33, 1984.- p.p. 81-84.

43. Johnson W. Some slip-line fields for swaging or expanding, indenting, extruding and machining for tools with curved dies. // Inf. J. Mech. Sci.- 1962.-№4.- p.p. 323-347.

44. Kaldor S., Ber A., Lenz E. On the mechanism of chip breaking // Trans. ASME, J. Eng. Ind.- 1979.- 101- p. 241-249.

45. Henniksen E.K. Balanced desing will fit the chip breaker to the job: chip breaker dimensions are critical in taming chips // Amer. Mach., 1954.- 98, №4, p.p. 118-124.

46. Li Z. Machining chip breaking mechanism and application // Daling Univ. press. Dalian, China, 1989.

47. Li Z, Rong Y. Analysis of formation and breaking of C- type side curling chips // Computer aided Tooling, ASME IMECE, San Francisco, CA, Nov. 12-17, 1995, MED - Vol 2-1, p.p. 715-722.

48. Li Z, Rong Y. Study on formation and breaking of side curl screw chips // ASME IMECE, Dallas, TX, Nov. 16-21, 1997.

49. Liu P.D., Hu R.S., Zhang H.T., Wu X.S. A study on chip curling and breaking // Proc. 29th Int. MATADOR Couf., Manchester, 6th 7th April, 1992.- Manchester, 1992.- p.p. 507-512.

50. Luk W.K. The direction of chip flow in oblique cutting // Inf. J. Prod. Res.- 1972,- 10 №1.- p.p. 67-76.

51. Mittal R.N., Juneja B.L. Effect of stress distribution on the shear angle in controlled contact orthogonal cutting. // Int. J. Mach. Tool Des-1982.- 22. №2-p.p. 87-96.

52. Nakayma K. A study on chip breaker // Bull. J. Soc. Mech. Engg.-Vol. 5, №17, 1962.-p.p. 142-150.

53. Nakayma K. Chip control in metal cutting // Bull. J. Soc. Prec. Engg.-Vol. 18., №2, 1984.-p.p. 97-103.

54. Nakayma K. Origins of side curl in metal cutting // Bull. J. Soc. Prec. Engg.- Vol. 6., №3, 1972.- p.p. 99-101.

55. Nakayma K., Li Z., Arai M. Performance of the chip breaker in cutting tool: Range of cutting conditions for chip breaking // J. of JAPE, Vol. 52., №12, 1986.-p.p. 126-132.

56. Nedes Ch., Hintzee W., Van Lutervelt. Characteristics parameters of chip control in turning operations with index able inserts and three dimensionally shaped chip powers // CIRP Annals.- 1989.-38.-p.p. 75-79.

57. Pekerlharing A.J. Why and how does the chip curl and break // Annals of the CIRP, vol. 12, 1964, p.p. 144-147.

58. Rubinstein C. The mechanism of orthogonal cutting with controlled contact tools // Int. J. Mech. Tool Des. Res.- 1968.- №8,- p.p. 203-216.

59. Rubinstein C., Venuvenod R.K., Lau W.S. Analysis of oblique cutting with controlled contact tools // Annals of the CIRP.- 1986.- №35/1,- p.p. 51-54.

60. Sata T. Recent developments concerning cutting mechanics // Proc. Int. Prod. Engg. Res. Conf.- Pittsburg.- 1963,- p.p. 18-25.

61. Spaans C. The fundamentals of three dimensional chip curl, chip breaking and chip control.- Delft, 1971.

62. Spaans C., van Geel P.F.H.J. Breaking mechanisms in cutting with a chip breaker // Annals of the CIRP, vol. 18, 1970, p.p. 87-92.

63. Shi T., Ramalingam S. Modeling chip formation with grooved tools // Int. J. Mech. Sci.- 1993.- 35, №9.- p.p. 741-756.

64. Shi T., Ramalingam S. Slip-line solution for orthogonal cutting with a chip -breaker and Hank wear // Int. J. Mech. Sci.- 1991.- 33, №9.- p.p. 689-704.A

65. Stabler V.G. The chip How Law and its Consequence. // Proc. 5 Int. Mach. Tool Des. Res. Conf.- Birmingham, UK, 1964.- p.p. 243-251.

66. Strendovsky J.S., Athavale S.M. A partially constrained Eulerian orthogonal cutting model for chip control tools // ASME J. of Manuf. See and Egg.-1997.- 119.-p.p. 681-688.163

67. Takatsuto M. Chip disposal system in intermittently decelerated feed // Bull. Jap. Soc. Proc. Eng.- 1988.- 22, №2- p.p. 109-114.

68. Waldorf D.J. Shearing ploughing and wear in orthogonal machining. Ph. D. Thesis // Univ. of Illinois.- 1996.

69. Worthington B. The effect of rake face configuration on the curvature of the chip in metal cutting // Inf. J. MTDR.- 1975.- 15.- p.p. 223-239.

70. Worthington B. The operation and performance of a groove type chip forming devices // Inf. J. Prod. Res.- 1976.- 14, №5,- p.p. 529-558.

71. Worthington B., Rahman M.H. Prediction breaking with groove type breakers // Int. J. Mach. Tool. Des. Res., vol. 19, 1979, p.p. 121-132.

72. Usui E., Kikuchi K., Hoshi K. The theory of plasticity applied to machining with cut away tools // Trans. ASME, J. Ing. Ind.- May, 1964.- p.p. 95-104.

73. Usui E., Hoshi K. Slip-line fields in metal machining which involve centered fans // Proc. Int. Prod. Eng. Res., Pitsburg.- 1963.- p.p. 61-71.

74. Zang Y.Z. Chip curl, chip breaking and chip control of the difficult to -cut materials // Annals of the CIRP, vol. 29, 1980.- p.p. 79-83.

75. Zhang B., Bagchi A. Finite elements simulation of chip formation and comparison with machining experiment // ASME J. Engg. Ind.- 1994,- 116,-p.p. 289-297.