автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности точения фасонных деталей

На правах рукописи

Нгуен Ван Кыонг

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОЧЕНИЯ ФАСОННЫХ ДЕТАЛЕЙ

Специальность 05.02.08-Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 П СЕН 2013

Тула-2013

005533405

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Ямников Александр Сергеевич

Хлудов Сергей Яковлевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», кафедра «Инструментальные и метрологические системы», профессор;

Ведущая организация

Моисеев Евгений Федорович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ОАО «НПО «СПЛАВ» (г. Тула), начальник лаборатории.

ФГБОУ ВПО «Государственный университет — учебно — научно — производственный комплекс» (г. Орел).

Защита диссертации состоится « 22 » октября 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.271.01 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу: 300012, г. Тула, проспект Ленина, д. 92, ауд. 9-101

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан « 18 » сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Черняев Алексей Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

Задача назначения оптимального режима резания в автоматизированных системах технологической подготовки производства состоит в том, чтобы на основе данных о технологии изготовления детали, назначить такие скорости резания и подачи на всех технологических переходах, которые обеспечили бы изготовление детали в соответствии с требованиями чертежа при минимальной себестоимости обработки.

Расчет режима резания по эмпирических формулам являлся приемлемым и достаточно эффективным на ранних этапах развития машиностроительного производства, в условиях достаточно примитивного металлорежущего оборудования, ограниченной номенклатуры режущих инструментов и обрабатываемых материалов. Они не учитывают переменности жесткости по длине заготовки, а также специфики точения фасонных поверхностей, имеющих кроме цилиндрических еще и конические и радиусные поверхности (участки сферы или тора). Все имеющиеся методики и созданные на их основе САПР ТП, либо в недостаточной мере учитывают влияние переменных условий обработки на выходные характеристики, либо пытаются решить задачу учета переменных условий обработки путем использования адаптивных систем, которые обладают рядом существенных недостатков, обусловленных самой идеей адаптивной системы, и потому указанные недостатки не могут быть устранены в принципе.

Разработка методики назначения режимов резания, устраняющей указанные противоречия, является актуальной научной задачей.

Объектом исследования является технологическая операция точения фасонных поверхностей заготовок.

Предметом исследования является связь параметров инструмента, станка, заготовки и требованиями к обрабатываемой поверхности с режимами резания.

Целью работы является выявление резерва повышения производительности, недоиспользованного в общепринятых методиках назначения режимов резания, и разработка технологии точения фасонных поверхностей, позволяющей использовать в максимальной степени эти резервы.

Для достижения поставленной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Выявление управляемых факторов инструмента, станка и заготовки, меняя которые можно обеспечить стабильность скорости резания и шероховатость обработанной поверхности.

2. Вывод аналитических зависимостей шероховатости поверхности, образующейся при точении поверхностей сложной формы.

3. Уточнение аналитических зависимостей для определения составляющих сил резания с учетом действительного предела прочности обрабатываемого материала и наличия фаски износа.

4. Экспериментальная проверка полученных аналитических зависимостей.

5. Разработка методики и алгоритма назначения режимов резания с учетом влияния переменных факторов на операции точения фасонных поверхностей.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории точности механической обработки, теории резания, методов математического и компьютерного моделирования.

Экспериментальные исследования проводились в научной лаборатории кафедры «Инструментальные и метрологические системы» ТулГУ. Обработка результатов экспериментов осуществлялась методами математической статистики. Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями.

Научная новизна состоит из следующих элементов:

- вывода аналитических зависимостей, связывающих влияние на шероховатость обработанной поверхности геометрии инструмента в плане, геометрии обрабатываемой поверхности и подачи;

- уточнения аналитических зависимостей для определения составляющих сил резания с учетом действительного предела прочности обрабатываемого материала и наличия фаски износа;

- обоснования методики и алгоритма назначения режимов резания с учетом влияния переменных факторов на операции точения фасонных поверхностей.

Практическая значимость

Созданные методика и алгоритм назначения режимов резания с учетом влияния переменных факторов на операции точения фасонных поверхностей позволяют стабилизировать шероховатость обработанной поверхности, как по всей длине детали, так и в партии заготовок, а также стабилизировать отжимы заготовок в процессе резания, благодаря чему повысить точность размеров.

Реализация работы. Материалы диссертации используются в учебном процессе при изложении курсов лекций «Основы технологии машиностроения», при курсовом и дипломном проектировании, выполнении выпускных квалификационных работ, магистерских диссертаций по направлению 552900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств». Теоретические положения диссертации были реализованы в соответствии с тематическим планом НИР ТулГУ по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации (тема Регистрационный номер: 7.1439.2011 19.59.2011), выполняемой по единому наряд-заказу на фундаментальные работы ТулГУ по плану 2012 -13 гг.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на Международной НТК «АПИР-16 и АПИР-17» (г. Тула, 2011 -2012 гг.); на Региональной НТК «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов»; на У1-й магистерской НТК ТулГУ, на 2-й международной интернет-конференции по ме-

таштургии и металлообработке, Тула, ТулГУ, 2013, а также на ежегодных НТК преподавателей и сотрудников ТулГУ в 2010-2013г.г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано: статей в рецензируемых изданиях и сборниках, входящих в «Перечень ВАК», - 5; статей в материалах конференций - 3; из них статей без соавторства - 5.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения и пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 176 наименований, и включает 178 с. основного печатного текста, содержащего 67 ил., 8 табл.

ОБЗОР СОДЕРЖАНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе рассмотрено состояние вопроса, связанного с назначением режимов обработки деталей резанием, обеспечивающих требуемые показатели качества обработанной поверхности. Оптимизации режимов резания с учетом их влияния на качественные характеристики изделия посвятили работы многие отечественные исследователи (Базров Б.М., Балакшин Б.С., Бобров В.Ф. Безъязычный В.Ф., Бржозовский Б.М., Васин С.А., Верещака A.C., Грановский Г.И., Зорев H.H., Колев К.С., Корсаков B.C., Кузменко М.Л., Кушнер B.C., Маталина A.A., Матюшин В. M., Панов A.A., Плотников А.Л., Соколовский А.П., Суслов А .Г., Таубе А.О.,), а также зарубежные (Кохан Д., Huang C.Z., Merchant М.Е., Neider J .A., Paviani D., Raja K„ Song W.G., Storch В., Zawada-Tomkiewicz A., Wang J., Якобе Г.Ю., Якоб Э.).

Был рассмотрен целый ряд отечественных и зарубежных автоматизированных систем назначения режимных условий обработки, были отмечены их достоинства и недостатки. В результате установлено, что все имеющиеся методики и созданные на их основе САПР ТП, либо в недостаточной мере учитывают влияние переменных условий обработки на выходные характеристики, либо пытаются решить задачу учета переменных условий обработки путем использования адаптивных систем, которые, как указывалось выше, обладают рядом существенных недостатков обусловленных самой идеей адаптивной системы и потому указанные недостатки не могут быть устранены в принципе

Установлено, что для увеличения износоустойчивости поверхностей трущейся пары, поверхности должны иметь шероховатость определенной величины. Увеличение или уменьшение высоты микронеровностей трущихся поверхностей приводит к снижению износоустойчивости и к ускоренному износу трущихся деталей (Дёмкин Н.Б., Колесников Ю.В., Рыжов Э.В. Суслов А.Г., Фёдоров В .П.). Параметры шероховатости оказывают существенное влияние на величину сопротивления усталостному разрушению. Предел выносливости увеличивается по мере уменьшения высоты микронеровностей, а также при совпадении следов обработки с направлением действия внешнего напряжения. Предел усталостной прочности жаропрочных и титановых сплавов снижается с увеличением шероховатости (Евстигнеев М.И., Дальский A.M., Сулима A.M.).

В конце главы формулируется цель и задачи исследования.

Во второй главе рассматривается влияние управляемых факторов технологической системы на показатели процесса резания при точении. Если деталь имеет фасонные поверхности, то схема её точения выглядит, как показано на

рис. 1, где: d = d(x) - наружный диаметр обработки (мм); t - t(x) - толщина снимаемого припуска (мм); L - длина обрабатываемого участка (мм); х - текущая координата резца по оси х (в рассматриваемом случае примем х е [0,i]); v - скорость резания (м/с) на анализируемом участке обработки, может меняться в диапазоне [vmax,vmln ]; п - частота вращения шпинделя станка (об/мин), с учетом заданных значений параметров t и d определяется по формуле (1).

п(х) =

60-1 ООО vQ)

Д. =

Сд • гх" ■ syR ■ (ф - 8)"д ■ (ф1 + 9)Хд

yiR

JC+ДХ X

J

\ ^ \ /

\ d=d(x) > \ Ч V

V ¿Г

(2)

Рис. 2. Точение сферы

Рис. 1. Формы сечения срезаемого слоя фасонной поверхности

При точении поверхности с радиусной образующей (рис. 2) использование формулы (1) дает переменное значение частоты вращения шпинделя для каждой точки профиля в зависимости от его диаметра. Это может явиться дополнительным резервом повышения производительности в случае использования станков с ЧПУ, позволяющих менять частоту вращения шпинделя при изменении продольной координаты.

Для описания влияния геометрии инструмента в плане, геометрии обрабатываемой поверхности и подачи выявлено 13 вариантов сочетания этих параметров и выведены соответствующие аналитические зависимости. В случае детали произвольной формы контура учитывать мгновенные значения улов в плане инструмента: мгновенного главного угла в плане ф,• = ср - 0 и мгновенного вспомогательного угла в плане фи = ф[ + 6, шероховатость определяется по формуле (2), где 9 - угол между касательной в каждой точке обрабатываемого профиля и осью центров станка, ф - статический главный угол в плане резца; Ф! - вспомогательный угол в плане.

В третьей главе для проверки утверждения о том, что с увеличение износа шероховатость обработанной поверхности увеличивается, описан специальный эксперимент. Обрабатывалась заготовка, изготовленная из стали 40Х ГОСТ 4543-71. Использовался резец М02Ь012520М08 (Р4111 т08р-Ф) с механическим креплением режущей сменной многогранной пластины (СМП) \VNMG080408MC, изготовленной из твердого сплава ТТ8115 производства фирмы Тае§цТсс, без применения СОЖ с режимами резания, указанными в таблице, и параметрами у=0°, ф=95°, ф]=5°, г= 0,8 мм. Для получения пластин

с различным износом их брали на разных периодах работы из действующего производства на ЗАО «Тулаэлектропривод». Измерения проводились на большом инструментальном микроскопе с регистрацией данных замеров в журнале Результаты измерения

Н3=0.23

а: /?з =0 мм

б: Нг =0,23 мм

11,=0.35

г: /г0 =0 мм <>: И0 =0,13 мм е: /г0 =0,22 мм Рис. 3. Износ резца: а, б, в - по задней поверхности, г, д, е - по передней Для исследования влияния износа резца на шероховатость обработанной поверхности были изготовлены специальные образцы (рис. 4), а рабочая зона ----¿г—показана на рис. 5.

а б в _____

Рис. 4. Фото образцов: а) обработанного резцом с рис. 5. Рабочая зона прибора

нулевым износом; б) обработанного резцом с износом для измерения

0,23 мм по задней поверхности; в) с износом 0,35 мм шероховатости

Данные по режимам резания, на которых обрабатывались специальные образцы: диаметр обрабатываемой заготовки Б = 22,0 мм, обработанной поверхности с1 = 20,0 мм, л =0,15 мм/об, я=1500 об/мин, с = 1 мм, У= 103,62 м/мин.

Профилограммы и высотные критерии шероховатости сведены в общую картину на рис. 6. Для компенсации вредного влияния износа инструмента на параметры шероховатость поверхности целесообразно при назначении режимов резания на универсальном оборудовании занижать расчетную величину подачи на величину кНТЛ = 1,3 - коэффициента влияния износа на шероховатость обработанной поверхности. При работе на оборудовании с ЧПУ возможно динамическое управление скоростью подачи путем введения динамического коэффициента влияния износа на шероховатость обработанной поверхности, определяе-

мого по зависимости ^=1 + 0,3^, где f„ - основное время на каждой

выполняемой операции, Т - период стойкости инструмента.

R- Profile aligned Filter ISO 11562(M1) = 0.800 mm

.q., 1 4

uiJl

ftjm] -5.0 5.0

0.0

[pm] -5.0 5.0

0.0

[pm! -5.0

LLllJ

vftl

Mi

з. ' \ >

fit

^ J ¡'!

ft иШ I- :

Рис 6. Профилограмма поперечных шероховатостей образца, обработанного получистовым точением: а - новым резцом; б - резцом с износом 0,23 .им по задней • а) - петом с износом 0,35 мм по задней поверхности

Зависимости составляющих силы резания, действующих на прямолинейном участке резца, полученные в работах (Merchant М.Е., Milutinovic M.,. Tanovic Lj., Wang J., Huang C.Z., Song W.G., Васин C.A., Верещака A.C., Кушнер B.C.), описывающие силы резания для схемы, показанной на рис. 7, уточнены с учетом действительного предела прочности материала во время резания и влияния фаски износа и приведены в виде уравнений (3)... (5):

ät wÊÊÊk rt ^ \ \

P. Vх \ \

) 4T" К

Рис. 7. Схема сил на передней и задней поверхностях инструмента

°'8аа ¡S - °'6G5ii ;5kl(P "Y)+°bh3 ¿^sinß '~ ¿pcosß sin T+

p _t__----------Siny + . .-оч

cos(ß-y) > w

+ 0,6agts cos у + obh3 -—) sin цг, ° smtp

0,8а,—— 0,6с ^гвтф - у) + о „1ц зтр- цстЛ созр

Р , _!_««5--зту + . ш

соэ(Р - у) ' [ '

+ 0, бег .й сову + о4/гз —)соэ\)/ + 2стД«; ' этф

г

Р = 0,6ст я^эту + ца6йз -— + втер

0,8(7, - 0,6а, й Бт(Р - у) + с> А ~—5!пР - -—С05Р

, 'атр _апф_-созу

СОБ(Р - у)

где с - длина контакта стружки с резцом, с£а = итф; цр - касательное напряжение на передней поверхности резца, ад- действительный предел прочности обрабатываемого материала при растяжении. N - сила нормального движения на передней поверхности инструмента, я-Ь/зтР - площадь плоскости

сдвига- В = агс1е—^^—, Кс - коэффициент усадки стружки. М2 - сила на ^-эту

участке зачищающей кромки инструмента, = ; К$ - коэффициент,

Кя» 2.

Для оценки адекватности зависимостей (3)...(5) для разных величин износа по поверхности инструмента проведены экспериментальные исследования. Обработка проводилась на экспериментальной установке, представленной на

Рис-8- ____ „_____________________,......,..........................._...............

Рис. 8. Общий вид экспериментальной установки для измерения силы резания: 1 - токарно-винторезный станок 16К20; 2 - патрон трехкулачковый с установленной в нем заготовкой - 3; 4-резец; 5 - динамометр УДМ-600, установленный на поперечном суппорте станка; 6 - измерительный усилитель МДУ-8; 7- аналогово-цифровой измерительный преобразователь ЛА - 2и8В - 14; 8 - ПЭВМ типа «ноутбук»

Заготовка, изготовленная из стали 40Х ГОСТ 4543-71, крепилась в центрах, а в универсальный динамометр конструкции ВНИИ вставлялся резец М02Ь012520М08 с механическим креплением режущей сменной многогранной пластины (СМП) \VNMG 080408 МС, изготовленной из твердого сплава ТТ8115 производства фирмы Тае§иТес. Данные по режимам резания, на которых обрабатывались образцы: диаметр обрабатываемой заготовки £> = 50,05 мм, диаметр обработанной поверхности с? = 48,04 мм, подача 5 =0,25 мм/об, частота вращения шпинделя п=630 об/мин, глубина резания г = 1 мм, скорость резания У= 98,96 м/мин.

Полученные результаты обрабатывались по специальной программе. В результате получены графики зависимости составляющих силы резания от износа пластинки по задней поверхности, представленные на рис. 9.

Рх(ЬЗ) .„.:.. ¡ж Ру(ЬЗ)

рг(м; «

Рис 9. Графики зависимости составляющих силы резания от износа режущей пластины (радиус г=0,8 мм)

ьз %

Рис. 10. Расчетные значения составляющих силы резания, полученные по уравнениям (3.5) - (3.7)

Значения составляющих силы резания, рассчитанные при тех же режимах и условиях резания, что и в эксперименте, по формулам (3)...(5) представлены на рис. 10. Из сопоставления расчетных и экспериментальных данных, представленных на рис. 9 и 10, видно, что значения главной составляющей силы резания - Р., практически совпадают. То есть формула (5) достоверна. В тоже время как формулы (3) и (4) для острого резца дают при расчете погрешность до 13 %. Тем не менее, для технологических расчетов это вполне допустимо и все формулы (3) - (5) можно рекомендовать для практических расчетов.

В четвертой главе рассмотрены технологические факторы, ограничивающие величину подачи. Чтобы получим необходимую шероховатость обработанной поверхности, нужно выполнить условие Я, =1(ся (ф-0)гя "(ф, +е)Гя)А',*.МДИп- Отсюда 5Л[(ф-е)((р, +6)]Гй < К^-г4"/с^"" , тогда обозначив 1п^ = хь

1п[-92 +в(ф-ср1) + фф1]=;

1п-

, А (Ф + Ф1)

—--= 6, где 0<*2 <1п——, получим

Ск.(х* 2

математическую модель подачи для Л, <Я2Д0П: уц.х\ + <Ь. Подача 5

определяется из ограничивающих зависимостей, представленных на рис. 11.

Полученное значение следует

уменьшить в

^тахшн ^гаах /^изм '

і5Х

раз,

Т.е. где

.=1 + 0,3'

изн дин 5 /Т

Различные схемы крепления заготовок при обработке и соответствующие им значения упругих прогибов были приведены в таблице, (для сплошного вала а = 0).

Выражая Ру через / и получим

XI доп

С

У так

Ру

■Г"У • Б •/3

0,05^з >(6)

Рис. 11. Геометрическая интерпретация математической модели режима подачи

где Ср - коэффициент, характеризующий обрабатываемый металл и условия

его обработки; хр ,Уру - показатели степеней; ¿-диаметр детали.

Подставляя допускаемую стрелу прогиба и решая относительно 5, полу-

1

'Ру

■{Хру -/3

Уру

(мм/об).

(7)

Допускаемая стрела прогиба утп определяется точностью обработки детали. Чтобы не выйти за пределы допуска на диаметр детали, необходимо выполнить условие < уЮП. Для установки заготовки в центрах получаем картину, представленную на рис. 12, и соответствующую ей формулу (8) для определения предельного значения подачи, допускаемого в данной координате по длине заготовки.

-з>-----------

У г =

Ру Х2(1-Х)2

і<

"уА/

ЗШ I

I

с,,-'*

64

х\1-х)2

.(8)

Рис. 12. Установка в центрах

При установке в патроне с поджимом задним центром получаем картину, представленную нарис. 13, и соответствующую ей формулу (9).

РуХ{1-ХХ1 Ус = —--(-

КІ

- +

1

Ру\

т^7

12/° Ы*

тг-ОІ(1-а4)

X .

77>'

4/

64 • — х)2 ■ (■

12/

Рис. 75. Установка в патроне с поджимом задним центром на рис. 14, и соответствующую ей формулу (10).

Аналогично имеем картину, представленную

ру ч

5<

і

Рис. Консольная установка в патроне

' .Удоп

хп

Ср Ру

Ру

я-0^(1-а4)

64

0-х)

уРу

.(10)

Следуя разработанной логике, нужно использовать формулы (8)...(10) для расчета мгновенной величины подачи на каждом участке длины обрабатываемой поверхности, что позволяет стабилизировать величину упругих деформаций заготовки и, соответственно, повысить точность обработки.

В пятой главе рассмотрено комплексное влияние на допустимую скорость резания марки и физико-механических свойств обрабатываемого материала. Предложено использовать приближенные формулы В.Ф. Боброва для расчета оптимального переднего угла инструментов, имеющих плоскую переднюю поверхность.

Принимая во внимание толщину и ширину срезаемого слоя, выраженные через подачу и глубину резания преобразуем известную зависимость к виду

у =-£б- (и)

Из выражения (11) следует, что для получения максимально возможной при заданном периоде стойкости инструмента скорости резания при определенной площади сечения срезаемого слоя необходимо стремиться работать с возможно большим отношением Ыа и г/з. При заданных технологически допустимых глубине резания и подаче скорость резания можно повысить, уменьшая главный угол в плане инструмента.

Переменная доля себестоимости операции определяется зависимостью

4|ч, (12)

ЮООг ул С^У1 '

С Н С Н пр ц ^.а ет _ Поскольку скорость резания

где Е = 3„

с м

££ ст ам.ст

Ф„-60 Ф„.60 Р„ и подача воздействуют на одну заготовку, то необходимо рассматривать сов-

местное влияние скорости V и подачи $ на себестоимость С. Это влияние графически представлено на рис. 15. Методика расчета апробирована при нормировании операции обработки фасонной детали, контур которой показан на рис. 16.

обработки поверхности С движения для операции точения

Для автоматизации расчета режима резания по разработанной методике в работе создан алгоритм (рис. 17).

Исходными данными (блок 2) являлись параметры детали: контур и размеры по рис. 16, материал - сталь ЗОГ (207-209НВ), ае = 590 Н/мм1, точность обработки поверхностей: 1,2,3 - IT 10, шероховатость обработанных поверхностей: 1,2,3 - Ra = 3,2 мкм (Rz = 12,5 мкм). Заготовка: штамповка (обычной точности — IT 16), состояние поверхности — с коркой, масса 4,5кг, припуск на обработку поверхностей: 1 - 0,6 мм; 2,4 - 0,7мм; 3- 0,8мм. Станок модели 16К20Т1. Базирование - в центрах, с установкой поводка. Содержание операции — точить поверхности 1-4.

Далее по алгоритму с использованием аналитических и эмпирических зависимостей, разработанных в диссертации, производился расчет с учетом всех ограничений и выявленных резервов повышения производительности. В итоге получено

53 „ п „г „ 57 .

. -+ 4 102---45 + 4 -+ 4

= (50 + 2) + 4 + ^osl3_+-180-+ _cosl2-= 0938 мин>

^ ° 2000-0.24 1400-0.24 1400-0.13 1400-0.24

ZТт = (ТЬ). + Т2 ,„) + (Г3„. + Т4М1) = 0,024 + 0,0356 = 0,06 мин,

и соответственно

Гц. а = + 2Тив = 0,938 + 0,06 = 1 мин.

Для сравнения полученного результата с результатами, получающимися при расчетах по типовым методикам, провели расчет режимов обработки и пронормировали ту же операцию по справочнику технолога-машиностроителя: под ред. A.M. Дальского, А.Г. Косиловой. Исходные данные оставались теми же, что и при расчете по разработанной методике и алгоритму. Получили: 7ц.а = YJ о + ЕТмв = (0,3055 + 0,471 + 0,9456 + 0,502) + 0,06 = 2,2841 мин.

Проведя аналогичные расчеты по книге Гузеева В.И., получили время цикла автоматической работы станка по программе

7ц.а = ZT0 + S^mb = 2,227 + 0,06 = 2,287 мин.

То есть использование резервов стойкости резца и выбор максимально допустимых подач, осуществляемый по разработанной в диссертации методике и алгоритму, позволило сократить время цикла обработки фасонной детали на станке с ЧПУ в 2,284...2,287 раза.

Основные выводы и результаты

1. Все имеющиеся методики назначения режимов резания и созданные на их основе САПР ТП в недостаточной мере учитывают влияние переменных условий обработки на выходные характеристики. Показано, что, кроме общепринятых параметров, таких как подача вдоль оси заготовки, радиус вершины и главный и вспомогательный углы в плане, существенное влияние на образующуюся шероховатость поверхности оказывает направление суммарного вектора подачи. В зависимости от направления вектора подачи следует назначать значения углов инструмента в плане.

2. Выведенные аналитические формулы для расчета высоты микронеровностей при продольном и наклонном точении, а также при точении сложной поверхности детали позволяют решить как прямую задачу (определение рас-

четной высоты микронеровностей при заданном режиме резания и геометрических параметрах инструмента и контура обрабатываемой поверхности), так и обратную (назначение величины подачи для обеспечения заданной шероховатости при известных геометрических параметрах инструмента и контура обрабатываемой поверхности).

3. Вид аналитической формулы для расчета высоты микронеровностей зависит от соотношения геометрических параметров лезвия инструмента и величины подачи по образующей обрабатываемой поверхности.

4. Экспериментально установлено, что высота микронеровностей профиля по десяти точкам - Иг, среднее арифметическое отклонение профиля - Яа и наибольшая высота неровностей профиля - Яшах с увеличением износа в пределах периода технологической стойкости инструмента возрастают примерно в 1,3 раза.

5. Выведены аналитические зависимости для определения составляющих силы резания, учитывающие степень деформации металла в зоне резания, форму и размеры поперечного сечения среза, физико-механические свойства обрабатываемого материала, геометрические параметры режущего инструмента и степень его износа. Расчетные и экспериментальные данные для определения значения главной составляющей силы резания практически совпадают, а для других составляющих дают погрешность не более 13 %, что вполне допустимо для практических расчетов.

6. Разработана математическая модель режима подачи, дана её геометрическая интерпретация и представлено решение модели с учетом комплекса

ограничивающих факторов.

7. Поскольку скорость резания и подача воздействуют на одну заготовку, то необходимо рассматривать совместное влияние скорости V и подачи ^ на себестоимость. Экономически подачу следует выбирать максимально большую, с учетом технологических ограничений. Для получения максимально возможной при заданном периоде стойкости инструмента скорости резания при определенной площади сечения срезаемого слоя необходимо стремиться работать с возможно большим отношением Ыа и Г/л.

8. Предложено осуществлять при точении на станках с ЧПУ переменную подачу, для определения текущей величины которой выведены аналитические зависимости для типовых схем закрепления заготовки на токарных операциях, а при работе на оборудовании с ЧПУ управлять скоростью подачи путем введения динамического коэффициента влияния износа на шероховатость обработанной поверхности, определяемого по коэффициенту кюлдш, зависящего от отношения суммарного основного времени обработки к назначенному периоду

стойкости инструмента.

9. Разработанные методика и алгоритм позволяют назначать научно обоснованные режимные условия обработки точением фасонных поверхностей, обеспечивающие заданные показатели качества изготавливаемой детали при достижении максимальной технико-экономической эффективности анализиру-

емой токарной операции, что дало в частном случае увеличение производительности более чем в 2 раза.

Список публикаций

1. Нгуен Ван Кыонг. Общая методология оптимизации режимов резания/Известия ТулГУ. Технические науки. 2011, вып. 6. С. 253-264.

2. Нгуен Ван Кыонг, A.C. Ямников. Методология оптимизации режимов резания /Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. № 1 (291) 2012. С. 56 - 63.

3. Нгуен Ван Кыонг. Выбор режима подачи при обработке криволинейной поверхности с ЧПУ/ Известия ТулГУ. Технические науки. 2012, вып. 1. С. 374 - 379.

4. Нгуен Ван Кыонг. Аналитическое определение составляющих силы резания при точении с учетом упрочнения материала//Известия ТулГУ. Технические науки. 2013, вып. 1. С. 215 - 220.

5. Нгуен Ван Кыонг, Кузнецов Е.Ю., Ямников A.C. Экспериментальное определение влияния износа инструмента на составляющие силы ре-зания//Известия ТулГУ. Технические науки. 2013, вып. 1. С. 206 - 209.

6. Нгуен Ван Кыонг. Технико-экономическое обоснование выбора режима резания /Вестник ТулГУ. Автоматизация: проблемы, идеи, решения. Материалы МНТК «АПИР-16», В 2-х частях. 4.2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 71 -76.

7. Нгуен Ван Кыонг. Аналитическое определение расчетной высоты микронеровностей при точении поверхности /Вестник ТулГУ. Автоматизация: проблемы, идеи, решения. Материалы МНТК «АПИР-17», Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 242-245.

8. Нгуен Ван Кыонг, Кузнецов Е.Ю., Ямников A.C. Экспериментальное определение влияния износа резца на шероховатость обработанной поверхности / 2-я международная интернет-конференция по металлургии и металлообработке. Тула, ТулГУ, 2013, [электронный ресурс http://conf.tsu.tula.ru/index.php?did=191]. 4 с.

Изд.лиц.ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 16.09.2013 Формат бумаги 60x84 '/16. Бумага офсетная. Усл.печ. л. 0,9 Уч.изд. л. 0,8 Тираж 100 экз. Заказ 042 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, проспЛенина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 95.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗАВАНИЯ ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201362970

Нгуен Ван Кыонг

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОЧЕНИЯ ФАСОННЫХ ДЕТАЛЕЙ

Специальность 05.02.08 — Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

ый руководитель: доктор технических наук, профессор

Ямников Александр Сергеевич

Тула - 2013

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Задача назначения оптимального режима резания в автоматизированных системах технологической подготовки производства состоит в том, чтобы на основе данных о технологии изготовления детали, назначить такие скорости резания и подачи на всех технологических переходах, которые обеспечили бы изготовление детали в соответствии с требованиями чертежа при минимальной себестоимости обработки.

Расчет режима резания по эмпирических формулам являлся приемлемым и достаточно эффективным на ранних этапах развития машиностроительного производства, в условиях достаточно примитивного металлорежущего оборудования, ограниченной номенклатуры режущих инструментов и обрабатываемых материалов. Они не учитывают переменности жесткости по длине заготовки, а также специфики точения фасонных поверхностей, имеющих кроме цилиндрических еще и конические и радиусные поверхности (участки сферы или тора). Все имеющиеся методики и созданные на их основе САПР ТП, либо в недостаточной мере учитывают влияние переменных условий обработки на выходные характеристики, либо пытаются решить задачу учета переменных условий обработки путем использования адаптивных систем, которые обладают рядом существенных недостатков, обусловленных самой идеей адаптивной системы и потому указанные недостатки не могут быть устранены в принципе.

Разработка методики назначения режимов резания, устраняющей указанные противоречия, является актуальной научной задачей.

Объектом исследования является технологическая операция точения фасонных поверхностей заготовок.

Предметом исследования является связь параметров инструмента, станка, заготовки и требованиями к обрабатываемой поверхности с режимами резания.

Целью работы является выявление резерва повышения производительности, недоиспользованного в общепринятых методиках назначения режимов резания, и разработка технологии точения фасонных поверхностей, позволяющей использовать в максимальной степени эти резервы.

Для достижения поставленной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Выявление управляемых факторов инструмента, станка и заготовки, меняя которые можно обеспечить стабильность скорости резания и шероховатость обработанной поверхности.

2. Вывод аналитических зависимостей шероховатости поверхности, образующейся при точении поверхностей сложной формы.

3. Уточнение аналитических зависимостей для определения составляющих сил резания с учетом действительного предела прочности обрабатываемого материала и наличия фаски износа.

4. Экспериментальная проверка полученных аналитических зависимостей.

5. Разработка методики научно обоснованного назначения оптимальных режимных условий обработки (V\ б, 0 при продольном точении, наклонном точении и точении сферы, базирующейся на аналитической модели процесса резания и обеспечивающей заданные показатели качества изготавливаемой детали при достижении максимальной технико-экономической эффективности анализируемой токарной операции.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории точности механической обработки, теории резания, методов математического и компьютерного моделирования.

Экспериментальные исследования проводились в научной лаборатории кафедры «Инструментальные и метрологические системы» ТулГУ. Обработка результатов экспериментов осуществлялась методами математической статистики. Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректно-

стыо постановки задачи, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями.

Научная новизна состоит из следующих элементов:

- вывода аналитических зависимостей, связывающих влияние на шероховатость обработанной поверхности геометрии инструмента в плане, геометрии обрабатываемой поверхности и подачи;

- уточнения аналитических зависимостей для определения составляющих сил резания с учетом действительного предела прочности обрабатываемого материала и наличия фаски износа;

- обоснования методики и алгоритма назначения режимов резания с учетом влияния переменных факторов на операции точения фасонных поверхностей.

Практическая значимость

Созданные методика и алгоритм назначения режимов резания с учетом влияния переменных факторов на операции точения фасонных поверхностей позволяют стабилизировать шероховатость обработанной поверхности, как по всей длине детали, так и в партии заготовок, а также стабилизировать отжимы заготовок в процессе резания, благодаря чему повысить точность размеров.

Реализация работы. Материалы диссертации используются в учебном процессе при изложении курсов лекций «Основы технологии машиностроения», при курсовом и дипломном проектировании, выполнении выпускных квалификационных работ, магистерских диссертаций по направлению 552900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств». Теоретические положения диссертации были реализованы в соответствии с тематическим планом НИР ТулГУ по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации (тема Реги-

страционный номер: 7.1439.2011 19.59.2011), выполняемой по единому наряд - заказу на фундаментальные работы ТулГУ по плану 2012-13 гг.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на Международной НТК «АПИР-16 и АПИР-17» (г. Тула, 2011 -2012 гг.); на Региональной НТК «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов»; на VI-й магистерской НТК ТулГУ, на 2-й международной интернет-конференции по металлургии и металлообработке, Тула, ТулГУ, 2013, а также на ежегодных НТК преподавателей и сотрудников ТулГУ в 2010-2013г.г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 8 работ, в том числе: статей в рецензируемых изданиях и сборниках, входящих в «Перечень ВАК», - 5; статей в различных межвузовских сборниках научно-технических трудов -3; из них статей без соавторства —5.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения и пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 176 наименований, и включает 178 с. основного печатного текста, содержащего 67 ил., 8 табл.

ОБЗОР СОДЕРЖАНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе рассмотрено состояние вопроса, связанного с назначением режимов обработки деталей резанием, обеспечивающих требуемые показатели качества обработанной поверхности. Был рассмотрен целый ряд отечественных и зарубежных автоматизированных систем назначения режимных условий обработки, были отмечены их достоинства и недостатки. В результате установлено, что все имеющиеся методики и созданные на их основе САПР ТП, либо в недостаточной мере учитывают влияние переменных условий обработки на выходные характеристики, либо пытаются решить задачу учета переменных условий обработки путем использования адаптивных систем, которые, как указывалось выше, обладают рядом существенных недостатков обусловленных самой идеей адаптивной системы и потому указанные недостатки не могут быть устранены в принципе

Установлено, что для увеличения износоустойчивости поверхностей трущейся пары, поверхности должны иметь шероховатость определенной величины. Увеличение или уменьшение высоты микронеровностей трущихся поверхностей приводит к снижению износоустойчивости и к ускоренному износу трущихся деталей. Параметры шероховатости оказывают существенное влияние на величину сопротивления усталостному разрушению. Предел выносливости увеличивается по мере уменьшения высоты микронеровностей, а также при совпадении следов обработки с направлением действия внешнего напряжения. Предел усталостной прочности жаропрочных и титановых сплавов снижается с увеличением шероховатости.

В конце главы формулируется цель и задачи исследования.

Во второй главе рассматривается влияние управляемых факторов технологической системы на показатели процесса резания при точении. Если деталь имеет фасонные поверхности, то целесообразно изменять значение частоты вращения шпинделя для каждой точки профиля в зависимости от его диаметра. Это может явиться дополнительным резервом повышения производительности в случае использования станков с ЧПУ, позволяющих менять частоту вращения шпинделя при изменении продольной координаты.

Для описания влияния геометрии инструмента в плане, геометрии обрабатываемой поверхности и подачи выявлено 13 вариантов сочетания этих параметров и выведены соответствующие аналитические зависимости. В случае детали произвольной формы контура при определении шероховатости учитывались мгновенные значения улов в плане инструмента: мгновенного главного угла в плане ф,- = ср - 0 и мгновенного вспомогательного угла в плане фь- +9, где 9- угол между касательной в каждой точке обрабатываемого профиля и осью центров станка.

В третьей главе для проверки утверждения о том, что с увеличение износа шероховатость обработанной поверхности увеличивается, описан специальный эксперимент.

Для исследования влияния износа резца на шероховатость обработанной поверхности были изготовлены специальные образцы. Данные по режимам резания, на которых обрабатывались специальные образцы: диаметр обрабатываемой заготовки й = 22,0 мм, обработанной поверхности с1 = 20,0 мм, ^ =0,15 мм/об, /7=1500 об/мин, / = 1 мм, У= 103,62 м/мин.

Представлены профилограммы и высотные критерии шероховатости. Для компенсации вредного влияния износа инструмента на параметры шероховатость поверхности целесообразно при назначении режимов резания на универсальном оборудовании занижать расчетную величину подачи на величину ктн = 1,3 - коэффициента влияния износа на шероховатость обработанной поверхности. При работе на оборудовании с ЧПУ возможно динамическое управление скоростью подачи путем введения динамического коэффициента влияния износа на шероховатость обработанной поверхности, определяемого по зависимости к1апдин = 1 + 0,3^^/^.

Для оценки адекватности аналитических зависимостей для определения составляющих силы резания при разных величин износа по поверхности инструмента проведены экспериментальные исследования. Обработка проводилась на экспериментальной установке, включающей в себя токарно-винторезный станок 16К20; трехкулачковый патрон с установленной в нем заготовкой; резец; динамометр УДМ-600, установленный на поперечном суппорте станка; измерительный усилитель МДУ-8; аналогово-цифровой измерительный преобразователь ЛА - 2ШВ - 14; ПЭВМ типа «ноутбук».

Заготовка, изготовленная из стали 40Х ГОСТ 4543-71, крепилась в центрах, а в универсальный динамометр конструкции ВНИИ вставлялся резец М02Ь012520М08 с механическим креплением режущей сменной многогранной пластины (СМП) \VNMG 080408 МС, изготовленной из твердого сплава ТТ8115 производства фирмы Тае§иТес. Данные по режимам резания, на которых обрабатывались образцы: диаметр обрабатываемой заготовки D = 50,05 мм, диаметр обработанной поверхности с! = 48,04 мм, подача 5 =0,25

мм/об, частота вращения шпинделя /7=630 об/мин, глубина резания / = 1 мм, скорость резания У= 98 м/мин.

Из сопоставления расчетных и экспериментальных данных, видно, что значения главной составляющей силы резания - Р2, практически совпадают. В тоже время как аналитические формулы для острого резца дают при расчете погрешность до 13 %. Тем не менее, для технологических расчетов это вполне допустимо и все формулы можно рекомендовать для практических расчетов.

В четвертой главе рассмотрены технологические факторы, ограничивающие величину подачи. Чтобы получим необходимую шероховатость обработанной поверхности, нужно выполнить условие описываемое разработанной математической моделью. Подача 5 определяется из ограничивающих зависимостей. Полученное значение следует уменьшить в кШИ раз, т.е.

^тахкзк = 5так /^тн ' ГДе ^изндин ~ ^ + ^,3 ^ •

Рассмотрены различные схемы крепления заготовок при обработке и соответствующие им значения упругих прогибов.

Допускаемая стрела прогиба удоп определяется точностью обработки

детали. Чтобы не выйти за пределы допуска на диаметр детали, необходимо выполнить условие _утах < _удоп, что достигается назначением предельно допустимой мгновенной величины подачи на каждом участке длины обрабатываемой поверхности, что позволяет стабилизировать величину упругих деформаций заготовки и, соответственно, повысить точность обработки.

В пятой главе рассмотрено комплексное влияние на допустимую скорость резания марки и физико-механических свойств обрабатываемого материала. Предложено использовать приближенные формулы В.Ф. Боброва для расчета оптимального переднего угла инструментов, имеющих плоскую переднюю поверхность.

В итоге разработаны методика и алгоритм научно обоснованного назначения оптимальных режимных условий обработки точении, фасонных по-

верхностей, обеспечивающих заданные показатели качества изготавливаемой детали при достижении максимальной технико-экономической эффективности анализируемой токарной операции.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА НАЗНАЧЕНИЯ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ

ДЕТАЛЕЙ РЕЗАНИЕМ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ЗАДАННОЕ КАЧЕСТВО ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Задача назначения оптимального режима резания в автоматизированных системах технологической подготовки производства состоит в том, чтобы на основе данных о технологии изготовления детали, назначить такие скорости резания и подачи на всех технологических переходах, которые обеспечили бы изготовление детали в соответствии с требованиями чертежа.

Многие исследователи, занимающиеся данным вопросом, используют ранее созданные (и создают новые) эмпирические формулы, выражающие зависимости выходных параметров процесса резания от технологических условий обработки [31, 32. 35, 61, 98, 111, 124]. На базе таких зависимостей создаются таблицы и номограммы для различных сочетаний обрабатываемых и инструментальных материалов, с помощью которых можно сравнительно быстро выбрать режим обработки. Однако проведенный анализ показал, в настоящее время при определении параметров режимов резания с помощью эмпирических формул не представляется возможным установить зависимости между всеми факторами, влияющими на процесс резания. Кроме того, такие формулы, представляющие собой упрощенные степенные зависимости, применимы для ограниченного диапазона режимов обработки и имеют достаточно большие погрешности. В связи с этим расчет режима резания по эмпирических формулам являлся приемлемым и достаточно эффективным на ранних этапах развития машиностроительного производства, в условиях достаточно примитивного металлорежущего оборудования, ограниченной номенклатуры режущих инструментов и обрабатываемых материалов.

На базе указанных методов создан ряд систем автоматизированного назначения режима обработки. Эти системы основаны на использовании средств вычислительной техники и поэтому получили достаточно широкое распространение сравнительно недавно.

Известен целый ряд отечественных систем: САП ТЕХНОЛОГ, САПР-ТП, САПТ, САП ТЕХТРАН, САПР КОРУНД, САПР АВТОМАТ, ЕСПУ ТАУ-ТМ, САПР НОРМА, САПР ТИППРОЦЕСС, САПР ИНДПРОЦЕСС, САПР САПФИР, КАС ТПП и др. [14-17, 56, 158,]. Подобные системы есть и за рубежом: APT, AOTOPIT, AUTAP, ЕХАРТ-2, OLIVETTI-GTL, AUTOTECH-DR4, INFOS, M1TURN, EASYPROG, AUTOPRO GRAMMER, ТМО, SWS, DREKAL, CAPSY, VERDI [1, 2, 11, 158, 166]. Единым для них является наличие расчетных модулей для определения режима резания и норм времени, информационной базы данных, информационно - поисковой системы, системы подготовки технологической документации.

Однако, на наш взгляд, самой известной и удачной системой, использующей табличные методы назначения режима обработки, является система автоматизированного определения режима резания INFOS. Разработанная в Аахенском техническом университете (ФРГ) [11]. Для данной системы характерен учет множества функциональных, технологических и экономических факторов. На её вход поступает информация о заготовке и выходной детали, о виде обработки (токарная, сверлильная, фрезерная, шлифовальная). Система INFOS обеспечивает оптимиз�