автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности торцевого фрезерования керамикой оксидно-карбидного типа

Челябинский государственны:;! тохнзгчоский университет

На правах рукописи

дашаз ;тия ШЗТРОВИЧ

УМ 621.9.02

ТОРЦйЮГО £РЕЗЕР0ВЛШы КЕРА'ЖОИ ОпОЩЮ-ШРКИНОГО ТИПА.

Специальность C5.03.0I - Лроцессы механической,и фпзпко-

гехп.иеской обработки, станки и -шотрументм

А ¡3 Т 0 ? ^ 2 ?. А т

д::сс:?_ртац;:.: ¡¡а со::ска!п:с утга;оГ: степени кандидата технических наук

•¿&лл<5глск, ГУЛ

Работа выполнена, в лаборатории резад;:я 1Ю "УралтршсмалГ (г.Екатеринбург)

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Шаламоз В.Г.

Од:щиальнне оппоненты - доктор технически наук, профессор

Ничкоз А.Г.

кандидат технических наук, Кояоплев В.Н.

Ведущее предприятие - НПО "Корпус" (г.Екатеринбург)

Защита состоятся "А$ " ЯН&0.р<з1 II, ¿2 г. в "Щ " часов на заседании специализированного совета К 053.13.07 в Челябинском государственном техничесхсом университете (454044, г.Челябинск, пр.Ленина, 76). '

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного технического университета

Автореферат разослан "<к" декабря таз< г.-

Ученый секретарь специализированного совета, к.т.н. »доцент

В.Г.йаламов

ъмкттЗ ~'3 -

Р5,;.ЭТШ I I, ОБЩАЯ ШАКТЕРИСША. РАБОТЫ

С 4,' Р '

'От' »Актуальность. Решающее влияние на интенсификацию мзханооб-иссвртааия1Рб0ТК1! оказывает применение материалов, обладающих выоокими ре""" яуи&ж свойствам. Одним них является карамшш оксида о-карбид-ного типа» созданная ВНШПС. Резание металлов при ее использовании имеет оущзотвешпзе особенности, изучение которых уточнит область рационального применения окедцно-дарбвдиай керамики.

Внедрение инструмента» оснащенного этим материалом, позволяет усовершенствовать или полностью перестроить технологию механической обработки, исключив или сократив at) времени некоторые операции, высвободить рабочих, оборудование и производственные площади. Увеличение применения оксидно-карбидной керамики во Многом обуславливается дефицитностью вольфрама» Кобальта» тантала, основных материалов для создания твердых сплавов и'неограниченными сырьевыми ресурсами исходного компонента для создания самой керамики. Однако, в силу пониженных прочностных характеристик, недостаточной изученности процесса.реванин на ряде операций, например, при торцевом фрезеровании, она еще не используется в .относительно больших объемах.

Поэтому исследование условий рационального применения керамики оксидно-карбидного типа при торцевом фрезеровании й достижения на этой основе эффективного использования ее преимуществ является актуальной задачей.

. Цель и задачи работы. Повышение эффективности использования керамики оксидно-карбидного типа при торцевом фрезеровании на оо-нове исследования условий ее рационального применения. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать математичеокую модель развития автоколебаний и определить условие устойчивости технологической системы.

2. Разработать математическую модель формирования микропрофиля обработанной поверхности с выделением его доминирующих ооо-тавяякщих.

3. Провести экспериментальную проверку разработанных моделей автоколебаний и составляющих профиля шероховатости.

4. Разработать конструкции торцевых фрез, оснащаемых керамикой, обеспечивающих надежную работу, повышение производительности и улучшение качества обработанных поверхностей.

5. Определить научно обоснованные рекомендации для эффективного использования керамики оксидно-карбидного типа на операции торцевого фрезерования. Внедрить результаты исследования в про-

изводство.

Положения, выводимые на защиту:

- математическая модель развития автоколебаний и условие устойчивости технологической сиогемы;

- математическая модель формирования микропрофиля обработанной поверхности;

- результаты исследования влияния технологических условий на динамику резания и качество обработанных поверхностей!

- методика расчета оптимального режима резания;

- конструкции торцевых фрез, оспа ¡чаемых оксвдно-карбадкой керамиков.

Общая методика исследований. Высокая твердооть, но относительная хрупкость керамики окаидно-карбвдного типа предопределяет основную область ее использования - получистовая и чистовая обработка твердых материалов, Значительное влияние на надежность инструмента, оснащенного керамикой, оказываю! возникавдие при фрезеровании вибрации, которые наиболее чаото имеют самовозбудцащий-оя характер. Разработка модели автоколебаний с учетом ударного взаимодействия зуба- фразы о заготовкой позволит определить устойчивость технологической сиотемы и шшашшую амплитуду колебаний.

Для обеспечения заданного качества обработанной поверхности необходимо ввделить доминирующие факторы при образовании микропрофиля. Это позволит прогнозировать параметры шероховатости на операции.

В связи о решаемыми теоретическими- и экспериментальными задачами в работе применяются методы аналитической геометрии, теоретической механики, дифференциального и интегрального исчислений, теории резания, колебаний, планирования эксперимента,.современные средства измерений, ЭВМ и металлорежущее оборудование.

Использование полученных результатов исследований можно осуществить на этапе оптимизации операции фрезерования и разработки конструкций фреа.

Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование уоловий рационального применения керамики оксидно-карбидного типа на операции торцевого фрезерования. В результате определена область ее предпочтительного использования.

Разработана математическая модель развития автоколебаний с учетом ударного взаимодействия зуба инструмента с заготовкой и влияние "следа" на поверхности резания.

- б -

'Получено уоловие устойчивости технологической; системы при торцевом фрезеровании.

Дана качественная оценка динамических явлений, происходящих в технологической системе, при ударном взаимодействии.

Проведен анализ формирования микрсйрофияя обработанной поверхности. Выделены доминирунцие составляющие для одно- и много-зубой фрезы. '

Разработана оптимизационная модель расчета режима резания с учетом стойкоотной завиоимоати и ограничений по виброуотойчи-вооти и шероховатости обработанной поверхности.

Практическая ценность и реализация работы. Полученное условие устойчивости процесса резания позволяет определить необходимые параметра технологической системы и реетм резания, при кото-рык колебания в системе 'наименьше.

Математическая модель формировании шкропрофиля обработанной поверхности учитывает влияние доминирующих составляющих и позволяет прогнозировать величину параметров шероховатооти, а также вести проектирование новых конструкций торцевых фрез.

Предложена методика расчета оптимального режима резания с учетом динашчеоних характеристик технологической система, что позволяет получить заданное Качество обработанной поверхности при наименьших затратах.

Разработаны и введет в действие научно обоснованные рекомендации по эффективно^ использованию окоидно-карбидной керамики при торцевом фрезеровании в виде РТЭД "Минералокерамика. Свойства. Область использования. Режимы резания. Номенклатура режущих пластин. Типаж инструмента. Правила эксплуатации" и РТМ "Методика расчета оптимального режима резания при торцевом фрезеровании керамикой оксидно-карбидного типа".

Спроектированы' и внедрены новые конструкции торцевых фрез (A.C. № 1096052, A.C. № I2683I7, положительное решение Л 03II20). За разработку одной из конструкций получена бронзовая медаль i ВДНХ.

Результаты работы внедрены на предприятиях НПО "Корпуо" и ПО "УЗТМ", что позволило повысить производительность механообработки в 1,5...2 раза в сравнении с вольфрамосодернащими твердыми сплавами ив 5. ..6 раз в сравнения со шлифованием. Годовой экономический эффект составил около 40 ООО рублей. Разработанная техническая документация разослана по запросам на 13 предприятий

страны.

Апробация работы. Основное полонэния диссертации докладывалась л обсутэдаяись на научно-технических конференциях Челябинского государственного технического университета (Челябинск, 1985 -1991 гг.); областных конференциях: "Проблема качества и совершенствования оборудования тяжелого, энергетического, транспортного и химического каийкостро&лия" (Свердловск, 1982 г.), "Механизация и автоматизация ручных и трудоемких операций в промышленности Кузбасса" (Кемерово, 1983 г.), "Совершенствование технологии изготовления режущего инструмента л обеспечение дго аффективной работы в гибких автоматизированных производствах (Свердловск, 1986 г.), зональных конференциях: "Нуги повышения производительности и качества механообработки деталей на машиностроительных предприятиях Урала" (Свердловск, 1984 г.), "Прогрессивный твердосплавный инструмент" (Свердловск, 1987 г.), "Автоматизация и механизация в машиностроении" (Кемерово, 1988 г.), "Выбор конструкций и ренимов резания при эксплуатации прогрессивного твердосплавного инструмента" (Свердловск, 1991 г.), 71 научно-технической конференции молодых ученых и специалистов предприятий и организаций металлургического .машиностроения (Мариуполь, 1982 г.), всесовзной научно-технической конференции "Повышение вксплуатационных свойств деталей машин" (Иркутск^ 1983 г.), научных семинарах кафедры "Металлорежущие станки и инструмент" (1985 и 1991 гг.), научно-техничзских советов ПО "Уралтрансташ" и НПО "Корпус" (1991 г.),

Публикации. По тема диссертации опубликовано 18 печатных работ, депонирована I рукопись» получено 2 авторских свидетельства и I положительное решение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из. введения, пяти разделов, выводов, описка литературы из 121 наименования, 12 приложений. Содержит 120 страниц основного текста, 80 рисунков, 19 таблиц.

П, ОСНОВНОЕ СОДЙРШШЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследований, показана научная новизна и основные результаты работы; сформулированы положения, выносимые на защиту.-

В первом разделе диссертации анализируется состояние вопроса использования керамики оксидно-карбидного типа на операции торце-.

вого фрезерования. В результате научных исследований и практической работы И.И. Китайгородского, А.И. Исаева, А.У. Мархулеса, О.С. Мальцева, Л.П. Меркулова, Г.Ii. Мамкина и др. в СССР к настоящему времени создана гамма кер^„;;ки оксидного и окекднэ-карбид-ного типов. Ее применение перспективно и эффективно в связи о ооз-данием высокопроизводительных жестких станков, а также новых t.a-рок с улучшенными характеристиками. Такой работой занимаются известные в мирз институты и фирмы: ВШИ и ВШМТС (СССР), Сандвик Коромант" (Швеция), "Фельдмвдле" (ФРГ), "Кеннаметал" (США), "Нкл-пон техникал керамик" (Япония) и др,

Оксидно-карбидная керамика по своему составу зашагает промежуточное положение меэду металлическими и неметаллическими ревучими материала},®. Ока превосходи вояьфрамосодеркацкё твердые сплавы по твердости, износостойкости, отойкости к окислению, теплостойкости, но имеет более низкие теплопроводность, модуль упругости, прочность и ударную вязкость. Поэтому склонна к хрупкому разрушению.

Наиболее перспективным путем применения керамики является получистовая и чистовая обработка закаленных сталей и чугуна с твердостью ЯКС 40...55.

Анализ технологических условий использования керамики при торцевом фрезеровании показывает, что они являются рациональными, прежде всего, тогда, когда обеспечивают отсутствие выкрашиваний и сколов, режущих кромок пластины. Только в этом случае резание происходит стабильно с высокой производительностью и качеством обработанной поверхности. Отличительной особенностью фрезерования является то, что процесс резания обладает повышенной динамичностью. Поэтому, обеспечение безвибрационных условий фрезерования оксидно-карбидной керамикой, как хрупкого материала, имеет важнейшее значение для ее безотказной работы.

В технологической системе при разнообразных условиях резания, как правило, превалирующими являются вынужденные колебания и автоколебания.

Поскольку при фрезеровании керамикой силы резания малы, а частота врезания режущих лезвий в заготовку в несколько раз ниже частоты собственных колебаний технологической оистемы, то вынужденные колебания не могут быть причиной интенсивных вибраций, которые, в основном, тлеют самовозбувдающийся характер.

Больаой вклад в исследование автоколебаний внесли советские ученые H.A.' Дроздов, А.И. Кашкршс, JI.A. Кучма, М.З. Эльясбзрг,

- а -

В,А. Куданов, Л.С, и С,Л, Мурашкшы, В,В. Заре, В.Н. Подураев, И.Г. Жарков и др. Но, вслэдствяи недостаточной изученности процесса до настоящего времени нэ воздано общепризнанной математической модели развития автоколебаний. Это нэ позволяет прогнозировать устойчивость система к колебания;,I, что отрицательно сказывается на надекноста инструмента, оснащенного вднералокерамикой.

Так как керамика используется на получистовых и чистовых операциях, то на практика возникает необходимость получения заданного параметра шероховатости обработанной поверхности, К настоящему времени в результате трудов А.И. Исаева, С.С. Силина, И.В, Крагельокрго, Г. Польцера и 0. Гшйснера, С.А. Поликарпова, Г.Ф. Филиппова, А.Г, Суслова и др. накоплен, достаточно обширный исследовательский материал о влиянии различных параметров на шероховатость обработанных поверхностей. Однако, "отсутствуют достаточно удобные и точные математические модели формирования микронеров-ноотей при торцевом фрезеровании оксцдно-к..рбидной керамикой, с помощью которых кош о било бы с достаточной- степенью точности определить ожидаемую шероховатость и тем самым ее прогнозировать.

Известно, что. режимы реаания, в основном, выбирают в зависимости от сил резания, допускаемой стойкости, прочности рекуцзго инструмента, допуокаемой мощности отанка и т.д. Опыт да использования керамики яри торцевом фрезеровании показывает, что они во многих случаях не соответствуют ракомеЕщуедам. Такое несоответствие объясняется тем, что режимы рззания определялись без учета динамических параметров технологической системы, что необходимо учеогь при разработки методики расчета оптимального режима реаания.

Реализация рациональных технологических условий применения оксидно-карбидной керамики невозможна без надежных конструкций инструмента. Анализ известных данных показывает, что в практике нопольэуюг торцевыэ фреза, оонащаемае керамикой, с регулируемыми и'нерегулируемыми державками и опорными пластинами. Вследствие пониженной прочности керамики оообенно важна жесткость соединения: реющая пластина - базовые поверхности - крепежный элемент. Однако, к настоящему временя существунцие конструкции торцевых фрез не получили достаточно широкого применения в сравнении с твердосплавными, лоокэльку не обеспечивают безотказной работы, что приводит к необходимости создания более надежного инструмента.

Анализ показывает, что основными причинами недостаточного

использования керамики окоидно-карбадного типа на операции торцевого фрезерования являются: отсутствие комплексного теоретического и экспериментального исследования влияния технологических параметров на безвибрациэнныз условия резания, как важнейшего для ее безотказной работы; сложность прогнозирования шзроховатооти обработанных поверхностей из-за значительного различия мевду фактической величиной шероховатости и расчетной, учитывающей только геометрические параметры режущей кромки; отсутствие надэшшх конструкций торцевых фрез, рэализувдих высокие режущие свойства керамики. -

Указашзые причины обуславливают необходимость совершенствования технологических процессов механообработки на основе использования керамики'оксидно-карбидного типа при торцевом фрезеровании.

. Во втором .разделе представлена методика проведения исследований. Обрабатывались заготовки из ряда сталей, мзда д чугуна. Основные эксперименты проведены при фрезеровании стали 40Х твердостью от НВ 180...220 до 1ЙС 45...50. В качестве базового реяущего материала использовалась оксцдно-карбвдкая керашка Б0К-60. Ревущим инструментом слукили как стандартные, так и специально сконструированные торцевые фрезы о механическим креплением СШ. Испытания проводили на лабораторном стенде с использованием в качестве базового - вертикально-фрезерный станок модели ВМ 12?, а такке измерительной аппаратуры: динамометра УДМ-600, усилителя сигналов УТЧ-1, блока избирателей К 121, сшейфового осциллографа Н-П7, виброметра ВИП-2 УХЯ 4,2 с виброизмернтельным индукционным преобра[зователем Д21А, профилометра модели 283 и др. При обработке результатов исследований применяли методы одноФакторного и многофакгорного планирования с использованием ЭВМ С1.5-4.

В третьем разделе проводилось исследование автоколебаний при торцевом фрезеровании оксидно-карбидной керамикой.

Среди множества парциальных систем, из которых состоит реальная технологическая систем, можно выделить доминирующую, совершавшую наиболее интенсивные колебания. Сравнение жесткости системы инструмента и системы заготовки показало, что жесткость системы инструмента была в пять раз больше жесткости системы заготовки. Поэтому с известны:,! приближением глногомасоовуи технологическую систему торцевого фрезерования можно представить в виде однэмассовой системы заготовки. А динашчес;<ую модель фрезерования можно представить упругой одаомасоовэ* системой заготовки с одной степенью

- 10 -

свободы, например, в плоскости У02 (Рис. I).

Ддналаческая модель фрзззрэвашя

Для исследований принята модель автоколебаний, которая учитывает ударное взаимодействие зуба фрезы с заготовкой, как условие для возникновения собственных затухапцях колебаний, выводящих систему иа состояния равновесия и работу по "слэду", оставленному на поверхности резания предыдущим зубом шоголезвий-ного инструмента иди на предыдущем обороте - однолезвийным, как условие для возбуждения и поддержания автоколебаний.. Соответственно математическая модель автоколебательного процесоа учитывает ударное взаимодействие зуба фрезы с заготовкой, которое можно характеризовать ударным импульсом S , приложенным в точке контакта и работу по "следу", характеризуемую изменением толщина среза <Х (t ). Тогда математическая модель движения системы может быть представлена в .виде :

mOUK-УЙ)-СШ) - С*- б4 и4 I ait)]4 , (!)

где: ТП - приведенная масса;

rç^ - коэффициент демпфирования;

. Ь - ширина срезаемого слоя;

С - жесткость системы;

С^ ,Хрг Нрг - постоянные величины б выражении составляющей сплл резания. Толщина срезаемого слоя а (1) с учетом вибрационного перемещения (Рис. 2) определяем, гак:

(2)

где: <Я„(1) - расчетная толщина срезаемого слоя без учета колебательного движения системы;

вибрационное перемещение системы соответственно на данном и предыдущем обороте фрезы ял., при проходе данного и предыдущего зуба фрезы;

- текущее вреш;

- время одного оборота фрезы при числе зубьев 2 =1

или вреш поворота па один шаг мемду зубьями при 2>1.

¿олвцгиа среза с учетом вибрационного перемещения

Рис. 2

Границей между увеличивавшимися и затухающими колебаниями являются гармонические колебания. Поэтов под автоколебаниями понимали периодические решения в общем случае нелинейного дифференциального уравнения (I) относительно изменения толщины срезаемого слоя а Но известно, что при исследовании дифференциального уравнения движения на устойчивость, достаточно ограничиться его линейным прибликеккйм. Кроме того, толцшга среэаеиэго слоя £•( 1) изменяется во врешыи намного медленное, чаг.т зелгчииа ьибрационнэгэ перемещения. Зтючк?, а»( 1) эказыва-г? незначительной влияние на силу

резакыя, Следовательно, правую часть уравнения (I) при исследования автоколебаний, ¡лоана представить в виде линейной зависимости ооставляще£ силы резания от разности вибросмещений системы, т.е.:

(3)

Считаем, его систеш в начальный момент находится в состоянии покоя, а время отсчета начинается с мэыента врезания зуба фрезы в заготовку. Тогда, учитывая закон сохранения количества двжения, начальными условиями являются:

9(0).О; 9 * 5/гп ,

оде- 5 _ ударный импульс.

Для определения характера развития во времени автоколебаний, необходимо определить их амплитуду на каяуСом обороте фрезы. Эта Задача решалась методом аддукции,. Б результате получены решения уравнения (3) для 1-,2...К и К+1 оборотов фр"зы или ее зубьев:

УЛО. ¿п- . (4)

т-ш,

У.СО __Л i.t. е. щЦ) .

mw, * 2wt'

(5)

Ш) - * . t. («Г? JsLy? Ы* (6)

muit ^ Sure'

yWMco ¿nl. t. (Г: у. svn wx t

tn-Wi ^ 2uj*'

где: Ulp - частота собственных колебаний системы при резании,

Ч m

■«. суммарная частота,

Ujt » \ UJ„ 4 UTp * па •

VWe - частота собственных колебаний системы,

ОСТ

Ч m

(v)

П. - коэффициент демпфирования,

2а-Л*«.} т:«. *-Л......

т. и-Е

Выражения' (6), (7) позволят определить условие устойчивости процесса резания при торцевом фрезеровании.

В качестве критерия устойчивости использовалось условие А..М. Ляпунова, .которое применительно к процессу фрезерования формулируется следующим образом: процесс будет устойчив, если амплитуда колебаний Ак+1 при работе К+Г-го зуба фрезы не превышает амплитуды колебаний Ак при работе К-го зуба. То есть:

Ац„ * А* НАМ ■■ 4 (8)

Тагам образом, с учетом входящих в уравнения (6), (7) параметров условие устойчивости принимает вид:

(УеЛо4 - Х-Д. еат^г ^

О)

и представляет собой взаимоовязь конструктивных параметров обору. дования т, С, ; инструмента о режимными 1Г в I (через ширину срезаемого слоя & ). Используя выражение, Сэ), можно определить соотношения параметров, при которых технологическая система находится в устойчив о:,1 состоянии. Его исследование позволяло установить, что при управлении интенсивностью автоколебаний необходимо, прежде всего, стремиться к увеличению скорости резания и числу зубьев применяемого инструмента при минимально возможной ширине срезаемого слоя (глубине реванйя)» а также величине подачи на зуб, и использовании оборудования, имеющего максимальную жесткость.

Экспериментальная проверка полученной модели развития автоколебаний и условия устойчивости показала йа наличие вибрационного следа на поверхности резания и двух участков - неустановившегося и установившегося резания. Подучена шброооциллограмш; характеризуйте влияние параметров оборудования, инструмента и режима резания на амплитуду автоколебаний,

' Ударное взаимодействие зуба фреэй о заготовкой» определяемое, в основном, схемой фрезерования и геометрическими параметрами установки режущей пластины, во многом влияет на интенсивность колебаний. Поэтому была проведена Качественная оценка динамических

явлений в технологической системе, происходящих при ударном взаимодействии.

Используя эмпирический закон Герстнера, по которому после перехода за предел упругости местная деформация состоит из упругой и пластической составляющих, раззивавциеся независимо друг от друга, получена доля теряемой энергии за один период колебаний;

§=_к.-Р^/г_^

где: К»,]Ъ - коэффициенты, характеризу/адие относительное пе-реые-депие инструмента и заготовки под действием ,упругой* силы при ударе;

К^ - коэффициент, характеризующий относительное перемещение инструмента и заготовки под действием, "пластической" силы при ударе.

При продельном ударе (Ртля-»-«х» ) доля потерянной энергии стремится к своему пределу:

8 *

Рт«-0-*-;--—я— , ч

4 + к» - с (II)

То есть, затухание колебаний тем меньше, чем больше величина коэффициента Ид. Полученная оценка подтверждается на Еибро-осциллограымах тем, что при более "отрицательной" геометрии .установки режущей пластины доля пластических деформаций увеличивается и амплитуда колебаний и Ьремя протекания будут большими по сравнению с положительной геометрией.

В четвертом разделе проведено исследование шероховатости обработанных поверхностей при торцевом фрезеровании оксвдно-карбид-ной керамикой. Анализ .известных данных позволил определить составляющие профилл микронеровностей, влияющих на формирование шероховатости.

На основании разработанных геометрических моделей, характеризующих влияние: геометрии режущей керамики6.НГ и её шероховатости А Нщ, упругих А ^ и пластических деформаций АНП обрабатываемого материала в зоне контакта с зубом фрезы, автоколебаний технологической системы А 1Ц, износа рэкущей кромки й Нд, торцевого биения зубьев получено их математическое описание. Сос-гавлящая высоты профиля шшронерэвностей вследствие геометричзс-

них параметров установки режущей пластины лНг определена как результат последовательного копирования реальной образующей поверхности в форме эллипса: ......-...............,.

А Иг* и- О»*. - - ,

(12)

где: П - радиус при вершине рекущэй пластины; осевой и радиальный передние углы. Составляющая шероховатости вследствие упругой деформации л Ну, представляемая разностью восстановления дна и вершины единичной микронеровности при рассмотрении возможных случаев ее формирования определится по формуле: . _

(13)

где: величина упругого восстановления дна единичной микро-

неровности.

Составляющая профиля высоты микронеровностей из-за шероховатости режущей кромки Д Н0, расчет которой основан на предположении, что давления в контактных зонах высоки, тем самым обрабатываемый материал будет плотно заполнять неровности контактных поверхностей инструмента и на поверхности детали будет воспроизводиться шероховатость рекутцей кромки, а также рассмотрения реальной геометрической формы рзнсущзй пластины, определяется из выражения: ........ .^

дИ«9—1__^,

где: - высота микронеровностей на фаске и задней поверх-

ности режущей пластаны; £ - угол заострения; ■ - угол фаски.

Составляющая шероховатости обработанной поверхности вследствие колебаний технологической системы а Нк, определяемое амплитудой автоколебаний системы заготовки в осевом направлении инструмента рассчитывалась по полученной эмпирической зависимости:

Фрезерование в условиях, когда технологическая система находится в устойчивом состоянии, позволяет избежать сколов и выкрашиваний режущей кромки пласгчкы. Следовательно, появляется возможность математической оцгггк:: влияния ее изкоса на высоту профиля микронеровноотей по формуле: • ■■

и и^к-цд) ' - Я Со^ - Мж^У-^/г , (16)

где: - износ по задней поверхности;

«¡4. - главный з'адш1Ё угол,

Составляющая шероховатости обработанной поверхности из-за торцевого биения зубъэз, определяемая при рассмотрении биений двух смежных зубьев рассчитывается по формуле:

^Сзк ссаХоУ- в; /г ,

(17)"

где: дТ - максимальное торцевое биекке двух смежных зубьев.

4 7 ц8)

Экспериментальная проверка полученных моделей составляющих шероховатости обработанных поверхностей позволила установить, что доминирующее влияние на высоту профиля микронеровноотей оказывают: шероховатость режущей кромки Л Нщ, автоколебания технологической системы в осевом направлении инструмента Д Нк, геометрические параметры рекуцей кромки & Нг к торцевое биение для многозубых Фрез. В связи с этгм обобщенную геометрическую модель для расчета высоты микропрофяля обработанной порерхности можно представить рис. 3.

Таким образом, в соответствии с геометрической моделью параметр шероховатости обработанной поверхности можно определить из выражения:

51* ^ХО

(1Э)

-1? -

Обобщенная reометрячеокая модель

4**

Рио. 3

С учетом торцевого бяешш зубьев i

Cft. ll4, t>

i

C20)

Экспериментальная проверка показала tía приемлемость выражений (19), (20) для расчета теоретической высоты профиля мик-ронеровноотей, так как оредняя ошибка расчетных данных от фактических на превышала 105?, наибольшая 18$. . ■

В пятом разделе приведены результаты оптимизация режима резания, реализации теоретических и экспериментальных исследований.

В качестве математического выражении критерия оптимальности была принята переменная часть себестоимости, зависящая от режимов резания:

9

VJS, и ' (21)

где: Е - приведенные затраты на эксплуатацию станка;

VI - приведенные затраты, обусловленные эксплуатацией режущего инструмента за период его стойкости;

*

- продолжительность простоя отанка, связанного о поворотом режузцэй пластины.

Так как чистовое фрезерование характеризуется однопроходной обработкой, а также незначительным влиянием ширины фрезерования В при принятом диаметре инструмента Д, выракение (21)- можно преобразовать к виду:

«

9-

Е-ПГе^И

и

X -4

ш п

(22)

где: Ст,п\,У<, - постоянные величины в стойкоотной зависимости.

Характерной особенностью сгойкостиых зависимостей при использовании оксидно-карбидной керамики в отличие от твердого сплава является то, что в большинстве случаев показатель степени при 0" меньше I. Например, при фрезеровании стали 40Х:

756.&5-Д,

т.

0,(13 + 0,01« о о,ощ

V • Ь, • I. В (23)

Учитывая выражение (22), приходим к выводу, что наименьшее значение целевой функции 9 достигается в точке Р, определяемую координатами максимально допустимых скоростей резагшя V* и подачи на зуб £>„ (Рис. 4).

область допуокаешх режимов резания

0$№№

Функции

Рис. 4

Технические ограничения накладываются на область допускае мых режимов резания, к, как показано исследованиями, включают

следующие основные уоловия:

- предельной толщины срезаемого слоя;

- требуемой шероховатости обработанной поверхности;

- устойчивости процесса резания;

- мощности, допускаемой станком;

- требуемой производительности.

В результате оптимизации установлено, что основными техническими ограничениями являются условия устойчивости технологической системы и требуемой шероховатости обработанной поверхности.

На основании полученных результатов исследований разработаны и введена в действие РТМ "Минералокерашка. Свойства. Область использования. Режима резания. Номенклатура режущих пластин. Ти-пак инструмента, Правила эксплуатации" и РТМ "Методика расчета оптимального режима резания при торцевом фрезеровании керамикой оковдно-карбидного типа". Предложены новые конструкций торцевых фрез. Их новизна подтверждается а.о- № 1096052, а.с. 1268317, положительным решением № 031120, За разработку конструкции многозуб ой фрезы получена бронзовая медаль ВДЩХ.

Внедрение результатов работы На предприятиях НПО "Корпус" и ПО "УЗТМ" позволило повысить производительность механообработки в 1,5...2 раза в сравнении о-вольфрамосодержащими твердыми сплавами и в 5..,6 раз в сравнении со шлифованием«, Суммарный фактический годовой экономический эффект соотавил около 40 ООО руб. ■ Разработанная техдокументация разослана по запросам на 13 предприятий страны.

Ш. .ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. При торцевом фрезеровании керамикой оковдно-карбидного типа возникают, в основном, вибрации автоколебательного характера. Причиной, поддерживающей автоколебания, может являться след > на поверхности резания. Устойчивость процесса реааная к-автоколебаниям определяется параметрами технологической системы* инструмента и решай резания.

2. Наибольиее влияние на уровень возникающих автоколебаний оказывают число зубьев инструмента* скорооть резания и ширина срезаемого слоя. (

3. Высота профиля микронеровностей обработанной поверхности при торцевом фрезеровании керамикой оксидно-карбидного типа определяется шероховатостью режущей кромки, амплитудой автоколебаний

— 20 -

технологической системы в ооевом направлении инструмента, геометрической формой ревущей кромки и торцевым биением зубьев мно-гоаубых фрез,

, 4. Степень влияния составляющих выооты профиля микронеров-ноотей на шероховатость обработанной поверхность при работе одно-и многозубым инструмент мл различна. У многозубых фрез доминирупцим является торцевое биение зубьев. У однозубого - шероховатость режущей кромки.

5. Наименьшее значение себестоимости торцевого фреверования инструментом, оснащенным оксидно-карбидной керамикой, достигается при максимально допустимых скорости резания и подачи на зуб. Основными техническими ограничениями при оптимизации режима резания являкгсоя условия устойчивости и шероховатости.

6. Реализация результатов работы и новых конструкций инстру-' мента позволила получить экономический эффект около 40 ООО рублей.

Ооновные положения диссертации оцубликованы в работах:

1. Куравлев М.П», Яковлева С.Г. Прочность отечественных и шведских керметов. В сб.:,Новое в реванш керматаш. - М.: ЦРШЙЭИ-ТЯЖМАШ, 1981. - Л 12-81-20. - с. 4-8

2. Журавлев М.П., Новые марки керметов и их применение для прерывиотого резания.: Тез.докл.науч. -т ехн. конф. .- Свердловск, 1982. - о. 42-43

3. Куравлев М.П. Исследование угловых параметров инструмента, оснащенного керметов.;Тез.докл.науч.-техн.конф.- Свердловск, 1982, - о. 41-42

4. Маргулес А,У,, Журавлев М.П. Конструкции фрез, оснащенных керметом. В сб.: Фрэзерованле керметами.- М.: ЦНШПЭИТЯШАШ, 1982. - № 12-82-20. - о. 2-10 .

Б. Маргулес А.У., Куравлев М.П. Фрезерование керметами стальных, чугунных и медных заготовок. В сб.: Фрезерование керметами.-М.: ВДШЭШ'ЯШАШ, 1932. -Я 12-82-20. - с 10-12

6. 1,!аргулес А. У., Куравлев М.П. Опыт применения .керметов при фрезеровании. В сб.; Фрезерование керметами. - М.: ЩПМГЭИТЯШАИ, 1982. -Й 12-82-20. - о. 12-17

7. Маргулес А.У., Журавлев М.П. Качество чугунных и медных деталей> обработанных керамикометалличесними фрезами.: Тез.докл. всесоюзной науч.-техн.конф..- Иркутск, 1983

8. Куравлев М.П. Исследование геометрических параметров торцевых фрез, оснащенных керметом.- Тез.дом.зональной науч.-техн. конф. - Свердловск, 1984. - с. 46-47

9. Маргулеа А.У,, Журавлев М.П, Стойкость керметов прв фра« ровании чугуна. - Кемерово, 1985. - Информ.лиоток № 348-85

10. Маргулео А.7., Журавлев М.П. Торцевая Фре8а для проведе-я исследований. - Кемерово, 1985. - Информ.лиоток й 207-85

11. Маргулао А.У., Куравлев М.П. Геометрические параметры тор-вых фрез, оснащенных минералокерамикой. Деп.во ШШЭМР. - М,, 87. - Л 9 (191). - с. 132

12. Шаламоэ В.Г., Куравлев М.П. Шероховатооть поверхностей, работаняых торцевыми минералокерамическими фрезами: Теэ.докл. налытй науч.-техн. конф. - Свердловск, 1987.- о. 30-33

13. Куравлев М.П. и др. Торцевая фреза. - ВИМИ, 1988. * форм.листок № 88-1188

14. Куравлев М.П. К вопросу оптимизации торцевого фрезерования нералокерамикой.: Тез.докл. зональной науч.-техн.конф. - Кемеро-

, 1988. - с. 90-92

15. Журавлев М.П.» Лопаткин С.М. Автоколебания при торцевом езерованли. В сб.: Прогрессивная технология чиотовой и отделоч-й обработки^ - Челябинск: ЧГГУ, 1991 • •

16. А.с. 1096052. Торцевая фреза для проведения исследований. У. Маргулес, М.П. Журавлев. - Опубл. 07.06.84, Бил. Л 21

17. А.С. 1268317. Торцевая фреза для проведения исследований. У. Маргулео, М.П. Журавлей; - Опубл. 07.П.86, Бюл. А 41

18. Положительное решение. №031120 от 10.06.91. Торцевая фре-. М.П. Журавлев