автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности торцевого фрезерования за счет применения фрез с корпусами из сталефибробетона

На правах рукописи

ФОЛОМКИН Андрей Игоревич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОРЦЕВОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ФРЕЗ С КОРПУСАМИ ИЗ СТАЛЕФИБРОБЕТОНА

Специальность 05.03.01 — "Технологам и оборудование механической и физико-технической обработки".

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Коротких Михаил Тимофеевич.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Мурашкин Сергей Леонидович • кандидат технических наук, доцент, Битюков Роберт Николаевич.

Ведущая организация - ОАО "Научно-производственная фирма по внедрению научных и инженерно-технических инноваций", Ленинградская область.

Защита состоится "26" декабря 2006 года в 16ш часов на заседании диссертационного совета Д212.229.26 в ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" по адресу: 195251, г.Санкт-Петербург, Политехническая ул., д.29, корпус 1, аудитория 41.

С диссертацией можно ознакомится в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО "СПбГПУ".

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одной из характерных тенденций развития технологических систем является увеличение скоростей резания. Это приводит к снижению запаса устойчивости технологических систем из-за сближения частоты возмущающей силы с собственными частотами колебаний в системе, что вызывает увеличение амплитуды относительных колебаний режущего инструмента и заготовки. Возникновение колебаний в технологической системе приводит к снижению качества поверхности детали, уменьшает стойкость инструмента, увеличивает износ станка, является причиной повышенного уровня шума.

В свою очередь, повышение скорости резания при фрезеровании приводит к увеличению ударных нагрузок на режущие кромки, что не позволяет использовать некоторые износостойкие, но хрупкие инструментальные материалы.

Известны конструкции инструмента, которые позволяют демпфировать колебания режущих кромок, однако многие из них существенно снижают жесткость инструмента, не технологичны и поэтому не получили широкого распространения. Кроме того, при изготовлении фрез существенной проблемой является обеспечение минимального биения режущих кромок отиоснтельпо оси вращения.

Одним из путей совершенствования конструкций режущего инструмента является применение композиционных материалов для изготовления корпусов инструмента. Однако разработанные к настоящему времени конструкции инструментов из композиционных материалов остаются не технологичными и не решают проблемы изготовления качественного и надежного инструмента.

Обе проблемы удается решить при изготовлении корпусов торцовых фрез из сталефибробетоиа. Существенной особенностью таких конструкций является уменьшение ударных нагрузок и вибраций за счет высоких демпфирующих

3

характеристик сталефибробетона. Кроме того, простота конструкции и технологии изготовления таких фрез позволяют сократить до минимума издержки при их производстве.

Целью работы является повышение производительности торцевого фрезерования труднообрабатываемых материалов за счет создания высокотехнологичных конструкций фрез с корпусами из сталефибробетона, обеспечивающих демпфирование колебаний в технологической системе.

Методика исследования. Работа выполнена с использованием фундаментальных положений теории резания металлов, механики композиционных материалов, динамики движения твердых тел и теории колебаний. Экспериментальное исследование отдельных процессов производилось с применением оригинальных методик, специальных измерительных преобразователей и современного двухканального осциллографа PCS-500A. Эксперименты проводились по многофакторным планам, а полученные результаты обрабатывались вероятностно-статистическим и методами с использованием программы MathCAD 14. Построение математических моделей и их исследование производилось с использованием современных ЭВМ и пакетов прикладных программ Solid Works 2005, Cosmos 2005, а также оригинальной программы, моделирующей колебания инструментальной системы. Теоретические положения работы подтверждены достоверными данными, полученными в лабораторных условиях.

Научная новизна. Впервые:

- доказана возможность создания высокотехнологичных конструкций торцевых фрез с корпусами из сталефибробетона, обладающими высокими ди ссипативн ыми свойствами;

- обоснован состав сталефибробетона с оптимальными прочностными и демпфирующими свойствами для изготовления корпусов режущего инструмента;

установлены особенности восприятия усилий, возникающих при фрезеровании лезвиями инструмента с корпусом из сталефибробетона, обеспечивающие повышение эффективности его использования.

Практическая ценность. Разработана методика проектирования высокодемпфированных фрез с корпусами из сталефибробетона, позволяющих повысить производительность обработки и стойкость лезвий. Использование разработанных конструкций инструмента в машиностроительном производстве расширяет технологические возможности станочного оборудования, так как позволяет, сохраняя нормативную стойкость режущего инструмента, обрабатывать заготовки из высокопрочных сталей на существенно более высоких режимах резания.

Полученные в работе математические модели позволяют при использовании в технологическом процессе торцевых фрез с корпусами из сталефибробетона рекомендовать оптимальные режимы резания.

Апробация работы. Работа и ее основные положения докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции "Эффективная эксплуатация оборудования и инструмента на основе современных технологий", Санкт-Петербург, 2004, а так же на межвузовских научных конференциях в СП6ГТУ в 2001-2005 годах.

Конструкции фрез с корпусами из сталефибробетона прошли производственные испытания в инструментальном цехе ОАО ЦНИИ "Электрон" и рекомендованы для внедрения в производство.

Публикации. По теме диссертации опубликовано б работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Работа содержит 144 страницы машинописного текста, 65 рисунков, 13 таблиц и библиографию из 103 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности усовершенствования конструкций фрез с целью повышения производительности процесса фрезерования. Приведен спектр проблем, которые вызываются вибрациями в технологической системе. Указаны недостатки имеющихся к настоящему моменту конструкций инструмента, позволяющего демпфировать колебания, возникающие в технологической системе. Предлагается возможный путь решения указанных проблем за счет использования фрез с корпусами из сталефибробетоиа.

В первой главе приведено описание специфического нагружения зуба фрезы. Анализ литературы показал, что прерывистый характер процесса резания при фрезеровании вызывает существенные ударные нагрузки на режущую кромку инструмента, что затрудняет использование таких перспективных инструментальных материалов, как безвольфрамовые твердые сплавы, которые отличаются высокой износостойкостью, но хрупки. Применение таких материалов является особенно затруднительным при обработке высокопрочных материалов. В связи с этим установлено, что разработка новых конструкций фрез, обеспечивающих эффективное демпфирование ударных нагрузок и вибраций при резании, является достаточно актуальной задачей.

Кроме того, установлено, что весьма важным для снижения нагрузки на режущие кромки фрез является создание технологичных конструкций инструмента с пониженным биением режущей кромки.

Приведена классификация методов борьбы с вибрациями, возникающими при механической обработке различных деталей. Рассмотрен каждый из методов в отдельности и теоретически проанализированы достоинства и недостатки каждого из методов. Анализ показал, что все применяемые методы и конструкции фрез имеют те или иные недостатки, не позволяющие

эффективно их использовать при фрезеровании заготовок из труднообрабатываемых сталей.

Показана перспективность применения специального

высоконаполненного сталефибробетоиа в качестве прочного виброустойчивого материала для изготовления корпусов режущего инструмента.

Сформулированная цель работы состоит . в создании высокотехнологичных конструкций фрез, обеспечивающих повышение производительности обработки труднообрабатываемых материалов за счет демпфирования колебаний и ударных нагрузок на лезвия фрез.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

определить возможные свойства высоконаполненного сталефибробетоиа и определить его оптимальный состав для изготовления корпусов инструмента;

- разработать методику проектирования высоко демпфированных фрез с корпусами из сталефибробетоиа;

- выявить специфику работы фрез с корпусами из сталефибробетоиа и определить области их рационального применения.

Во второй главе приводится классификация всех факторов, оказывающих влияние на механические и демпфирующие характеристики сталефибробетоиа. Установлено, что наиболее перспективным для использования в машиностроении является применение сталефибробетоиа, армированного фиброй вибрационного точения. Стальные волокна (фибра), получаемые вибрационным точением по способу, предложенному в СПбГПУ, отличаются чрезвычайной дисперсностью (площадь поперечного сечения от 0,01 мм1), что позволяет создавать сталефибробетонные композиции с уникальными свойствами.

Создана экспериментальная модель предела прочности на сжатие сталефибробетона, армированного фиброй вибрационного точения:

осж=49+4Ь+1.25-1 О^-^ -1.03-1ОЧ; (1)

где Ь - длина волокна; $ - площадь поперечного сечения волокна; - массовая концентрация волокна.

Установлено, что

оптимизацией состава

сталефибробетона его

прочность на сжатие может быть приближена к прочности серого чугуна (рис. 1.).

Невозможность создания однородного напряжённо-деформированного состояния в сталефибробетопе предполагает возможность сталефибробетона при сжатии от концентрации определения лишь волокон: 1 - Ь=15 мм, 8=0,01 мм2,2 - Ь=5 мм, осреднённых "эффективных" £=0,01 мм2,3 - Ь=5 мм, 8=0,026 мм2,4 - Ь=15 мм, механических характеристик я=0,026 мм2,5 - предел прочности чугуна СЧ 15 материала. В этом случае для

определения "эффективного" модуля упругости была использована модель Фойгта-Рейса для композиционных материалов:

Е'эф = Еф+( 1 )Ецк; (2)

Е"эф=1/[(^у /Еф+(1-£У) /Ецк)]; (3)

где Е'эф - эффективный модуль по Фойггу; Е"эф — эффективный модуль по Рейсу; Еф- модуль упругости материала фибры; ЕцК- модуль упругости цементного камня; - объемная концентрация.

Рис. 1. Зависимость предела прочности

Для подтверждения возможности использования модели Фойгга-Рейса для прогнозирования "эффективного" модуля упругости сталефибробетона при больших концентрациях фибры был проведен однофакторный эксперимент на изгиб сталефибробетона. За варьируемый параметр была принята массовая концентрация волокон ¡;м.

Для сравнения экспериментальных и теоретических данных на рис. 2 показана зависимость осред пенных "эффективных"

модулей упругости сталефибробетона от концентрации фибры. Прямая 1 построена по модели Фойгта (2) и описывает верхнюю границу для "эффективных" модулей

сталефибробетона. Кривая 2 Рис, 2. Зависимость модуля упругости

построена по модели Рейса (3) и

сталефибробетона от концентрации

описывает нижнюю границу

фибры

'Эффективных" модулей

сталефибробетона. Действительное значение эффективных модулей сталефибробетона лежит в заштрихованной области.

Как видно из рис. 2, модуль упругости для сталефибробетона с концентрацией фибры, ограниченной насыпной плотностью, значительно ниже, чем у стали (прямая б), но в два раза ниже, чем у чугуна (прямая 5), и может приближаться к модулю упругости алюминиевого сплава (прямая 4).

Для построения эффективных корпусов инструмента важнейшее значение, кроме прочностных, имеют демпфирующие свойства материала. Построена экспериментальная модель рассеяния энергии в сталефибробетоне, в соответствии с которой логарифмический декремент колебаний в

сталефибробетоне определяется зависимостью вида:

А=0,181-0,004 Ь+0,019-£„-4,б5 я (4)

Установлено (рис.3), что логарифмический декремент увеличивается с увеличением концентрации н уменьшением длины и площади поперечного сечения волокна.

А н»п

0-1------

1,5 2 2.5 3 3.5 А

Рис. 3. Логарифмический декремент колебаний сталефибробетона при продольных колебаниях 1 - Ь=5 мм, &=0,01 мм1,2 - Ь=5 мм, 5=0,013 мм2,3 -Ь=5 мм, 8=0,026 мм2,4 - Ь=15 мм, 5=0,01 мм2,5 - Ь=15 мм, 8=0,018 мм3,6 -

Ь=15 мм, 5=0,026 мм2

Оптимизация состава сталефибробетона исходя из требований максимального демпфирования при заданной прочности показала, что оптимальным составом сталефибробетона для изготовления корпусов фрез с диаметрами менее 200 мм является сталефибробетон с параметрами: Ь = 5 мм, я = 0.026 мм2, Декремент продольных колебаний такого

сталефибробетона, достигает величины 0,34 неп. При этом удельный коэффициент вязкости такого сталефибробетона составляет к„б=6,8-105 н-с/м4.

В третьей главе рассмотрены конструктивные и технологические особенности фрез с корпусами из сталефибробетона. На рис.4 показана конструкция фрезы и схема формовки сталефибробетонного корпуса. Фреза состоит из твердосплавных пластин 2, державок 1, втулки 4, обечайки 6. При 10

Рис. 4. Общая конструкция фрезы с корпусом из сталефибробетона

режущие кромки при помощи специального приспособления 3 предварительно устанавливаются н фиксируются в положении, обеспечивающем их * минимальное биение. Основной объем корпуса и промежутки между державками режущих элементов заполняются сталефибробетоипой смесью 5, отвердевание которой обеспечивает их закрепление.

В результате проведенных исследований разработана методика проектирования фрез с корпусами из сталефибробетона, последовательность которой состоит в:

— определении в соответствии с существующими методиками геометрии режущей части инструмента, выборе количества зубьев фрезы г и ее диаметра £>;

— выборе геометрии поперечного сечения державок;

— определении высоты обечайки фрезы и выборе анкирующнх элементов державок;

— построении трехмерной модели фрезы и проверке ее на прочность и жесткость.

Расчеты, проведенные методом конечных элементов, показали, что наиболее благоприятно напряжения в сталефибробетопиом корпусе распределены в случае применения державок круглого поперечного сечения. Наименее благоприятно напряжения распределены в корпусах с державками треугольного поперечного сечения. В корпусах с державками прямоугольного и шестигранного поперечного сечения напряжения распределены примерно одинаково. По интенсивности напряжений в опасных зонах эти корпуса

занимают промежуточное положение между корпусами с державками треугольного сечения и корпусами с державками круглого сечения.

В процессе численного моделирования была определена так же жесткость корпусов с державками различной геометрии, показанная в таблице 1. В результате моделирования было установлено, что наиболее жесткими и прочными державками, обеспечивающими и большую прочность сталефибробетонного корпуса, являются державки круглого и прямоугольного поперечного сечения. Кроме того, такие державки более технологичны в изготовлении.

Таблица 1

Коэффициенты жесткости для корпусов с державками различного поперечного сечения

N п/п. Геометрия поперечного сечения державки Максимальное перемещение режущей кромки при нагрузке Р7=1600Н, м Коэффициент жесткости, н/м

1 Треугольник 7,07-10"5 2.3-10+'

2 Квадрат 3,405-10"5 4,6-10+'

3 Шестигранник 3,585-10° 4,5-10+'

4 Круг 2.212-10° 7.2-10+'

Для проектирования фрез с корпусами из ст ал ефибро бетона важно определить высоту корпуса фрезы Н|. От этого размера в значительной степени зависит прочность и жесткость фрезы, а также габариты, масса и как следствие инерционность корпуса. Для определения оптимального размера высоты фрезы Н] был использован статический анализ СОЗМОЗтЛ'огкз 2005 н алгоритм метода половинного деления. Решения поставленной задачи для некоторых размеров фрез представлены в таблице 2.

Таблица 2

Размеры Н| для различных диаметров фрез

1Чп/п 0|, мм р„н Н|, мм

1 100 1600 40

2 125 2000 45

3 160 2560 52

4 200 3200 64

При помощи прочностных расчетов методом конечных элементов установлено, что по торцу державок, противоположному месту закрепления режущих элементов, следует предусматривать слой сталефибробетона не менее 5 мм.

Высокий уровень напряжешш и деформаций в местах контакта державок и сталефибробетоиной матрицы не должен нарушать механический и адгезионный контакт между ними. В связи с этим для более надежной фиксации державок в сталефибробетонном корпусе целесообразно предусмотреть анкиругощие элементы: штифты, вставленные в корпус державки, а так же различные пазы или лыски на круглых державках.

Одной из основных задач при проектировании фрез является определение оптимальных геометрических размеров державок, обеспечивающих максимальное демпфирование колебаний, возникающих в технологической системе. При моделировании было установлено, что чем меньше масса державки, тем больше логарифмический декремент колебаний конструкции. Полученные результаты позволили рекомендовать применение полых державок, что незначительно снижает их прочность и жесткость, по значительно повышает демпфирующую способность конструкции.

В четвертой главе исследованы особенности эксплуатации торцевых фрез с корпусами из сталефибробетона.

Для моделирования вибраций режущей кромки инструмента была разработана физическая модель фрезы,

трения кг], кт2- Представленная система Рис. 5. Физическая модель фрезы характеризуется ускорением, скоростью и перемещением первого тела а|, V,, х, и второго тела а*, хг.

Построение графиков ускорений производилось при помощи оригинальной программы, написанной иа языке программирования (^¡скВаздс 4.0. При написании программы использовался алгоритм, разработанный на базе метода "прогноз-коррекции".

Программа позволяет анализировать вынужденные колебания системы, вызванные переменной силой резания Р, изменяющейся по гармоническому или пульсирующему закону.

Для проверки адекватности разработанной имитационной модели в диссертационной работе были проведены эксперименты по определению ускорений в механической системе при помощи пьезоакселерометров.

На рис. 6 и 7 показаны экпериментальные и теоретические виброграммы стальных и сталефибробетонных корпусов. По проведенным теоретико-экспериментальным исследованиям можно сделать вывод о том, что колебания режущей кромки в сталефибробетонном корпусе затухают практически за время, равное V* времени действия силы, в то время как затухание в стальном корпусе происходит практически все время действия силы резания. Амплитуда колебаний режущей кромки в сталефибробетонном корпусе в 2 - 3 раза меньше, чем в корпусе из стали.

показанная на рис. 5. В представленной модели инструмент представлялся в виде системы из двух тел: державки массой Ш| и сталефибробетонного корпуса массой гщ. Между державкой Ш(, корпусом тз и шпинделем существуют упругие связи С|, с^, вязкие связи к[, к2 и связи на поверхностях

Хг На

«-да.

п^е £00 100 100 «о

-60 -1ПГ» -150 -200

Э 6 10 1« 20 25 30 98 40 « * Рис. 6, График ускорений стального корпуса фрезы: I - экспериментальная кривая; 2 - теоретическая кривая, полученная по программе

Рис. 7. График ускорений стапефибробетонного корпуса фрезы: I -экспериментальная кривая; 2 - теоретическая кривая, полученная по программе

Исследование быстро протекающих ударных процессов па режущую кромку производилось при помощи пьезоэлектрического датчика, установленного под твердосплавной пластиной. Было установлено, что применение корпусов фрез из сталефибробетона снижает ударные нагрузки на лезвие инструмента в процессе врезания в 1,5 - 2 раза (рис. 8).

кромки к злгого* н

Выкед *р>глкн и ингалл

о «а готе кой

Фреза с корпусом из стали Фреза с корпусом из сталефибробетона

) 1 • • >ф«д1и имячм е |......

1

1' /V

]

Врайфсимидо««*? ш

1

ЧаквИУ

Рис. 8. Осциллограммы изменения переходных динамических нагрузок при врезании зуба фрезы при У=250 м/мин, б=50 мм/мин, 1=2 мм.

Снижение вибрационных и ударных нагрузок на лезвие инструмента приводит к возрастанию его стойкости (рис.9). При использовании фрез с корпусами из сталефибробетона стойкость режущих лезвий в зависимости от скорости резания можно повысить до двух раз по сравнению с фрезами с корпусами из стали.

Рис. 9. Зависимость стойкости фрез от скорости резания: 1 - с корпусом из сталефибробетона; 2-е корпусом из стали.

Показано, что за счет увеличения скорости резания производительность при использовании фрез с корпусами из сталефибробетона можно увеличить на 20%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. При использовании фрез с корпусами из сталефибробетоиа производительность процесса резания за счет увеличения скорости резания может бьггь увеличена до 20%.

2. Демпфирование ударных нагрузок снижает циклические напряжения в инструментальном материале, что значительно увеличивает стойкость инструментального материала. Проведенные исследования показали, что при использовании конструкций фрез с корпусами из сталефнбробетона стойкость режущих кромок увеличивается в 1,4-2 раза.

3. Применение корпусов фрез из сгалефибробетопа, за счет демпфирования ударных нагрузок, позволяет использовать твердые, но хрупкие инструментальные материалы, такие как безвольфрамовые металлокерамическне твердые сплавы и другие сверхтвердые материалы.

4. Разработанная методика проектирования фрез с корпусами из сталефнбробетона позволяет создавать прочный, надежный инструмент с высокими демпфирующими способностями.

5. Разработан специальный состав сталефнбробетона, механические характеристики которого могут достигать величин, сравнимых с характеристиками для чугуна и алюминиевых сплавов.

6. Декремент продольных колебаний сталефнбробетона, при определенном его составе, может достигать величины 0,34 пеп.

7. Оптимальным составом сталефнбробетона для изготовления корпуса инструмента является сталефибробетоп с параметрами армирующих элементов: длина Ь = 5 мм, площадь поперечного сечения 8 = 0.026 мм1 при их массовой концентрации 4м=18%.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Фоломкин А.И., Коротких М,Т, Технологическое оборудование для получения армирующих элементов пенофибробетона.//ХХХ Юбилейная Неделя науки СПбГТУ. Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: СПбГТУ.-2002.-Ч. IV.-C.8l.

2. Фоломкин А.И,, Коротких М.Т. Математическое моделирование процесса разрезания пластины в вязкой среде .//XXXI Неделя науки СПбГТУ. Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: СПбГТУ. - 2003.-Ч. III.-C.110.

3. Фоломкин А.И., Коротких М.Т. Адаптивное демпфирование технологических систем, как перспективный метод гашения колебаний .//XXXII неделя науки СПбГТУ. Материалы межвузовской научной конференции СПб.:СПбГТУ. - 2003. - 4.IV. - С.90.

4. Фоломкин А.И., Коротких М.Т. Исследование демпфирующих свойств фрез с корпусами из сталефибробетона.//ХХХШ неделя науки СПбГТУ. Материалы межвузовской научной конференции СПб.:СПбГТУ. - 2004-4. III. - С.94.

5. М.Т. Коротких, P.M. Смирнов, А.И. Фоломкин. Торцевые фрезы со сталефибробетонными корпусамиУ/Инструмент и технология - 2004. -N21-22. - С. 67-71.

6. М.Т. Коротких, А.И. Фоломкин. Конструктивные особенности торцевых фрез с корпусами из сталефибробетонаУ/Металлообработка - 2005. -N4(28) -С.8-11.

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97

Подписано в печать 15.11.2006. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 987Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: 550-40-14 Тел./факс; 297-57-76

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ДЕМПФИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Особенности нагружения зуба фрезы.

1.2. Анализ методов гашения колебаний в технологических'системах.

1.3. Перспективность использования сталефибробето на для демпфирования технологических систем.

1.4 Выводы по главе.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА СТАЛЕФИБРОБЕТОНА ДЛЯ КОРПУСОВ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА.

2.1. Состав сталефибробетона и его механические характеристики

2.2. Демпфирующие характеристики сталефибробетона.

2.3. Оптимизация состава сталефибробетона для корпусов инструмента.

2.4. Выводы по главе.

3. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ФРЕЗ С КОРПУСАМИ ИЗ СТАЛЕФИБРОБЕТОНА.

3 Л Конструктивные и технологические особенности фрез с корпусами из сталефибробетона.

3.2 Методика проектирования фрез с корпусами из сталефибробетона.

3.3 Выводы по главе

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТОРЦЕВЫХ ФРЕЗ С КОРПУСАМИ ИЗ СТАЛЕФИБРОБЕТОНА.

4.1 Демпфирование колебаний в технологической системе.

4.2 Демпфирование ударных нагрузок на режущую кромку инструмента.

-34.3. Исследование стойкости лезвий торцевых фрез с корпусами из стадефйбробетона при фрезеровании труднообрабатываемых материалов. 107 4.4. Определение производительности при торцевом фрезеровании фрезами с корпусами из стадефйбробетона.

4.5. Выводы по главе.

Актуальность. Одной из характерных тенденций развития технологических систем, является увеличение скоростей резания. Это приводит к снижению запаса устойчивости технологических систем из-за сближения частоты возмущающей силы с собственными частотами колебаний в системе, что вызывает увеличение амплитуды относительных колебаний режущего инструмента и заготовки. Возникновение колебаний в технологической системе приводит к снижению качества поверхности детали, уменьшает стойкость инструмента, увеличивает износ станка, является причиной повышенного уровня шума.

В свою очередь повышение скорости резания при фрезеровании приводит к увеличению ударных нагрузок на режущие кромки, что не дозволяет использовать некоторые износостойкие, но хрупкие инструментальные материалы.

Известны конструкции инструмента, которые позволяют демпфировать колебания режущих кромок, однако многие из них существенно снижают жесткость инструмента, не технологичны, и поэтому не получили широкого распространения. Кроме того, при изготовлении фрез, существенной проблемой является обеспечение минимального биения режущих кромок относительно оси вращения.

Одним из путей совершенствования конструкций режущего инструмента является применение композиционных материалов для изготовления корпусов инструмента. Однако, разработанные к настоящему времени конструкции инструментов из композиционных материалов остаются не технологичными и не решают проблемы изготовления качественного и надежного инструмента.

Обе проблемы удается решить при изготовлении корпусов торцовых фрез из сталефибробетона. Существенной особенностью таких конструкций является уменьшение ударных нагрузок и вибраций за счет высоких демпфирующих .характеристик сталефибробетона. Кроме того, простота конструкции и технологии изготовления таких фрез позволяют сократить до минимума издержки при их производстве.

Целью работы является повышение производительности торцевого фрезерования, труднообрабатываемых материалов за счет создания, высокотехнологичных конструкций фрез с корпусами из сталефибробетона обеспечивающих демпфирование колебаний в технологической системе.

Методика исследования. Работа выполнена с использованием фундаментальных положений теории резания металлов, механики композиционных материалов, динамики движения твердых тел и теории колебаний. Экспериментальное исследование отдельных процессов производилось с применением оригинальных методик, специальных измерительных преобразователей и современного двухканального аналого-цифрового осциллографа PCS-500A. Эксперименты проводились по многофакторным планам, а полученные результаты обрабатывались вероятностно-статистическими методами с использованием программы MatliCAD 14. Построение математических моделей и их исследование производилось с использованием современных ЭВМ, и пакетов прикладных программ Solid Works 2005, Cosmos 2005, а также оригинальной программы моделирующей колебания инструментальной системы. Теоретические положения работы подтверждены достоверными данными, полученными в лабораторных условиях.

Научная новизна. Впервые: - доказана возможность создания высокотехнологичных конструкций торцевых фрез с корпусами из сталефйибробетона, обладающих высокими диссипативными свойствами; обоснован состав сталефибробетона обладающего оптимальными прочностными и демпфирующими свойствами для изготовления корпусов режущего инструмента;

- установлены особенности нагружения лезвий инструмента с корпусом из сталефибробетона, обеспечивающие повышение эффективности его использования.

Основные положения, выносимые на защиту:

- модель оптимизации состава сталефибробетона для изготовления корпусов фрез основанная на предлагаемых экспериментальных зависимостях;

- методика проектирования фрез с корпусами из сталефибробетона;

- установленные характерные особенности нагружения и колебаний режущей кромки инструмента с корпусом из сталефибробетона.

Практическая ценность. Разработана методика проектирования высокодемпфированных фрез с корпусами из сталефибробетона, позволяющих повысить производительность обработки и стойкость лезвий. Использование разработанных конструкций инструмента в машиностроительном производстве расширяет технологические возможности станочного оборудования, т.к. позволяет, сохраняя нормативную стойкость режущего инструмента, обрабатывать заготовки из высокопрочных сталей, на существенно более высоких режимах резания.

Полученные в работе математические модели позволяют при использовании в технологическом процессе торцевых фрез с корпусами из сталефибробетона рекомендовать оптимальные режимы резания.

Апробация работы. Работа и ее основные положения докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции "Эффективная эксплуатация оборудования и инструмента на основе современных технологий", г. Санкт-Петербург, 2004., а так же на Межвузовских научных конференциях в СПбГТУ в 2001-2005 годах. Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Содержит 144 страниц машинописного текста, 65 рисунка, 13 таблиц и библиографию из 103 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований решена важная научно-техническая задача повышения производительности торцевого фрезерования заготовок из труднообрабатываемых материалов посредством создания уникальных конструкции фрез с корпусами из сталефибробетона и их технологии изготовления.

Исследованы механические и демпфирующие характеристики сталефибробетона. Построена оптимизационная модель, позволяющая определить оптимальный состав сталефибробетона для изготовления корпусов фрез.

Разработана методика проектирования фрез с корпусами из сталефибробетона. Определены основные параметры фрез с корпусами из сталефибробетона.

Изготовлены пьезоэлектрические датчики оригинальной конструкции и отработана методика их тарирования. Выявлены особенности силового нагружения лезвия инструмента в процессе торцевого фрезерования. Произведено исследование стойкости режущих лезвий и определена зависимость стойкости инструмента от скорости резания.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие общие выводы:

Механические характеристики сталефибробетона, при определенном его составе, могут достигать величин сравнимых с характеристиками чугуна и алюминиевых сплавов.

Декремент продольных колебаний сталефибробетона, при определенном его составе, может достигать величины 0,34 неп. Оптимальным составом сталефибробетона для изготовления корпуса инструмента является сталефибробетон с параметрами армирующих элементов 1 = 5мм, s = 0.026мм , при их массовой концентрации

Разработанная методика проектирования фрез с корпусами из сталефибробетона позволяет создавать прочный, надежный инструмент с высокими демпфирующими способностями. Демпфирование ударных нагрузок снижает циклические напряжения в инструментальном материале, что значительно увеличивает стойкость инструментального материала. Проведенные исследования показали, что при использовании конструкции фрез с корпусами из сталефибробетона стойкость режущих кромок увеличивается в 1,4.2 раза.

При использовании фрез с корпусами из сталефибробетона производительность процесса резания за счет увеличения скорости резания может быть увеличена до 20%.

Применение корпусов фрез из сталефибробетона позволяет эффективно использовать твердые, но хрупкие инструментальные материалы, такие как безвольфрамовые метагшокерамические твердые сплавы и другие сверхтвердые материалы.

1. А.с. № 1379019 Описание изобретения к авторскому свидетельству "Анизотропная фреза'7 В.И. Петров, В.В. Дженов Ленинградский механический институт им. Маршала Советского Союза Устинова Д.Ф.

2. А.с, № 1445870 Описание изобретения к авторскому свидетельству "Фреза"/ Н.Н. Кротун, Л.М. Кротун 23.12.88 Сумский филиал Харьковского политехнического института им. В.И. Ленина

3. А.с. № 1710221 Описание изобретения к авторскому свидетельству "Фреза"/ В.А. Рогов 07.02.92 Университет дружбы народов им. Патриса Лумумбы.

4. А.с. № 1713756 Описание изобретения к авторскому свидетельству "Анизотропная фреза"/ В.И. Петров, М.А. Никитин, А.Л. Меньшов и др. 23.02.92 Ленинградский механический институт им. Маршала Советского Союза Устинова Д.Ф.

5. А.с. № 1713757 Описание изобретения к авторскому свидетельству "Сборная фреза'7 В.И. Петров и др. 23.02,92 Ленинградский механический институт им. Маршала Советского Союза Устинова Д.Ф.

6. А.с. № 1722712 Описание изобретения к авторскому свидетельству "Анизотропная фреза'7 В.И. Петров, М.А. Никитин, Е.В. 30.03.92 Булгаков Ленинградский механический институт им. Маршала Советского Союза Устинова Д.Ф.

7. А.с. № 1768356 Описание изобретения к авторскому свидетельству "Анизотропная фреза'7 В.И. Петров, М.А. Никитин, Ю.Г. Григорьев 15.10.92 Ленинградский механический институт им. Маршала Советского Союза Устинова Д.Ф.

8. А.с. № 831425 Описание изобретения к авторскому свидетельству

9. Сборная торцевая фреза'7 С.Г. Нагорняк 23.05.81

10. Аваков А.А. Физические основы теории режущих инструментов. М. Машгиз, 1960.

11. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. М.: Металлургия, 1968.

12. П.Адлер Ю.П. и др. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. -М.: Наука, 1976.

13. Айзеншток И.А. Основные вопросы механики процесса резания металлов. М.: Машгиз, 1950

14. Алямовский А.А. SolidWorks компьютерное моделирование в инжинерной практике. СПб.:БХВ-Петербург, 2005.

15. Алямовский А.А. SolidWorks/'CosmosWorks Инженерный анализ методом конечных элементов. М.:ДМК, 2004.

16. Аршинов А.В., Алексеев Г.А. Резание металлов и режущий инструмент. М.: Машиностроение, 1964.

17. Баргер КБ. Мельневский Г.И. Измерение механических величин. -Л.:ЛПИ, 1968.

18. Березен И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений,- М.: Наука, 1966.

19. Бетанелли А.И. Прочность и надежность режущего инструмента. -Тбилиси: Сабчато сакартвело, 1973.

20. Битюков Р.Н., Зубарев Ю.М. Исследование влияния технологических параметров процесса обработки на износ фрез при несимметричном торцевом фрезеровании/УФизические процессы при резании металлов. Волгоград. ВолгПИ, 1986, с. 89-98.

21. Браиловский М.И., Итин А.М. Сталебетонные станины современных высокоточных токарных станков без внешней металлической оболочки/ТВестник машиностроения 2003 №7, С. 64-68.

22. Браутман Л. Композиционные материалы. Т5,М.: МИР, 1978.

23. Бутенин Н.В., Лунц Я.В., Меркин Д.Р. Теоритическая механика. М.: ПАУКА, 1985.

24. Ван Фо Фы Г.А. Теория армированных материалов. Киев: Наукова думка, 1971.

25. Васильков Д.В., Вейц В.Л., Шевченко B.C. Динамика технологической системы механической обработки. СПб.: ТОО "Инвентекс", 1997.

26. Вульф A.M. Резание металлов. Л.: Машиностроение, 1973.

27. Гасс С. Линейное программирование. М.'.Государственное издательство физико-математической литературы, 1961.

28. Герштберг О.А. Технология бетонных и железобетонных изделий. -М.:Стройиздат, 1974.

29. Гладков С.О. Физика композитов термодинамические и диссипативные свойства. М.: НАУКА, 1999.

30. Горчаков Г.И., Хигерович М.И. Вяжущие вещества бетоны и изделия из них. М.: Высшая школа, 1976.

31. Грановский В.Г. Грановский В.Г Резание металлов. М.: Высшая школа, 1985.

32. ЗГДемидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. -М.:НАУКА, 1966.

33. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. М.: МИР, 1972.

34. Дикушин В.И. Решетова Д.Н. Исследование колебаний металлорежущих станков. М.: МАШГИЗ, 1958

35. Дмитриевская Ю.С. Инструментальная система с повышенными виброзащитны м и свойствами для фрезерования заготовок сложнопрофильных деталей на станках с ЧПУ Автореферат дисс. на соискание ученой степени к.т.н., СПб: ЛМЗ-ВТУЗ 2004г.

36. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. Л.: Машиностроение 1986.

37. Зубарев Ю.М. и др. Применение многофакторных экспериментов второго порядка в технологии машиностроения// Учебное пособие. СПб.: ПИМаш, 2002.

38. Иванов М.И. Повышение эффективности получения армирующих элементов сталефибробетона методом фрезерования дисс. На соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб.: СПбГТУ. 1993.

39. Иванова И.И. Щеголева И.В. Дьякова Л.Д. Электрическое измерение электрических и неэлектрических величин. Л.: ЛПИ, 1969.

40. Ильницкий И.И. Колебания в металлорежущих станках и пути их устранения. М. - Свердловск: Машгиз. 1958.

41. Ильюшенский А.Ю., Черный Г.Г. Неупругие свойства композиционных материалов. -М.:МИР, 1978.

42. Иориш Ю.А. Виброметрия. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1963.

43. Ицкевич С.М. и др. Технология заполнителей бетона. М.: Высшая школа, 1991.

44. Ишлинский А.Ю. Черный Г.Г. Неупругие свойства композиционных материалов, М.: МИР, 1978.

45. Кикоин И.К. Таблицы физических величин. Справочник.1. М.: АТОМИЗДАТ, 1976.

46. КлушинМ.И. Резание металлов. -М.: Машгиз 1958.

47. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инжинеров. -М.: Наука. 1978.

48. Коротких М.Т. Научные основы получения стальных фиброэлементов резанием дисс на соискание ученой степени доктора технических наук СПб.: СПбГТУ, 1997

49. Коротких М.Т., Иванов М.И. Возможности применения безвольфрамовых твердых сплавов при плазменно механической обработке // в сб. повышение эффективности применения электрофизичеких электрохимичеких методов обработки материалов. -Л.: ЛДНТП, 1990.

50. Коротких М.Т., Смирнов P.M., Фоломкин А.И. Торцевые фрезы со сталефибробетонными корпусами. Инструмент и технология N21-22. с. 67-71, 2004г.

51. Коротких М.Т., Фоломкин А.И. Конструктивные особенности торцевых фрез с корпусами из сталефибробетона. Металлообработка N4(28) с.8-11,2005г.

52. Костецкий Б.И. Стойкость режущих инструментов. Киев.-М.: Машгиз 1949.

53. Кошкин Н.И. Ширкевич Справочник по элементарной физике. М.: Наука, 1964.

54. Крагелъский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение. 1968.

55. Креймер Г.С. Прочность твердых сплавов. М.: Металлургия, 1971.

56. Кривоухов В.А. Обработка металлов резанием. М.: Машиностроение, 1951.

57. Криштал М.А., Головин С.А. Внутреннее трение и структура металлов. М.: Металлургия, 1976.

58. Криштал М.А., Пигузов Ю.В. Внутреннее трение в металлах и сплавах.- М.: Металлургия, 1964.

59. Кудрявцев Е.М. MathCad 2000 Символьное и численное решение различных задач. М.; МДК, 2001.

60. Кузюшин В.В. Вопросы теории обработки металлов резание. М.: МАШГИЗ, 1954.

61. Кучма JI.K. Вибрации при работе на фрезерных станках и методы их гашения. М.: из-во АН СССР, 1959.

62. Лещинский М.Ю., Скрамтаев Б.Г. Испытание прочности бетона. М.: Стройиздат, 1973.

63. Лоладзе Т.Н. Износ режущего инструмента. М.: МАШГИЗ, 1958.

64. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. -М.: Машиностроение, 1982.

65. Любошиц М.И. Ицкович Г.М. Справочник по сопротивлению материалов. Минск: Высшая школа, 1969.

66. Макаров А.Д. Износ и стойкость режущих инструментов. М.: Машиностроение, 1966

67. Мурашкин С.Л. Вынужденные колебания самовозбуждающихся систем при вибрационной обработке материалов. Труды ЛПИ, Машиностроение, 1969, №309, с.234-239.

68. Пановко Я.Т. Введение в теорию механических колебаний. М.: Наука, 1991.

69. Пановко Я.Г. Конструкционное демпфирование в неподвижных соединениях. Рига: Издательство АН Л ССР, 1960.

70. Патент № 2053055 Описание изобретения к патенту Российской Федерации "Сборная дисковая фреза"/ С.С. Спецаков, С.М. Колосков и др. Научно-внедренчиская фирма "Инструмент".

71. Патент № 2214900 Описание изобретения к патенту Российской Федерации "Комбинированная железобетонная станина металлообрабатывающего станка"/ Ю.И. Кириллов, С.И. Ветров, В.А.

72. Галкин, М.И. Брайловский 2003.10.27 Открытое акционерное общество "Красный пролетарий".

73. ГГетков П.П. Актуальные вопросы динамики процесса резания и металлорежущих станков // Научно-технические ведомости СПбГТУ N2-2006.

74. Пиатти Дж. Достижения в области компазиционных материалов// Сборник научных трудов. М.: Металлургия, 1982.

75. Писаренко Г.С. Справочник по сопротивлению материалов. Киев: Hay кова думка, 1975.

76. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Вибропоглащающие свойства конструкционных материалов. Киев: Наукова думка, 1971

77. Постников B.C. Релаксационные явления в твердых телах. -М. Металлургия, 1968.

78. Пухаренко Ю.В. Научные и практические основы формирования структуры и свойств фибробетонов. Дис. д-ра. Тех. Наук. СПб.:СПбГАСУ, 1997.

79. Рабинович Ф.Н. Дисперсно-армированные бетоны. М.: Стройиздат, 1989.

80. Сендецки Дж. Механика композиционных материалов. М.: Мир, 1978.

81. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Войткун Ф. Материаловедение. М.: МИССИС, 1999

82. Соловейчик А.М., Колодяжный Д.Ю., Плавник С.Л. Устойчивость движения технологических систем // Научно-технические ведомости СПбГТУ N2 2006

83. Стерин B.C. Приготовление сталефибробетонных смесей //Сб. Применение фибробетона в строительстве. Л.: ЛДНТП. 1985.

84. Сыроватченко П.В. Справочник технолога машиностроителя. -М.-.Машиностроение, 1980.

85. Тавадзе Ф.Н., Постников B.C. Внутреннее трение в металлах инеорганических материалах,- М. НАУКА, 1982

86. Тиме И.А. Основы машиностроения. СПб, 1993.

87. Трент Е.М. Резание металлов. М.: Машиностроение, 1980.

88. Тюлин В.Н. Введение в теорию излучения и рассеяния звука. М. НАУКА, 1976г.91 .Финкельштейн Б.Н. Релаксационные явления в металлах и сплавах. -М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной метгалургии, 1960.

89. Фоломкин А.И., Коротких М.Т. Адаптивное демпфирование технологических систем, как перспективный метод гашения колебаний. ХХХИ неделя науки СПбГТУ. Материалы межвузовской научной конференции СПб.:СПбГТУ, 2003.

90. Фоломкин А.И., Коротких М.Т. Исследование демпфирующих свойств с корпусами из сталефибробетона. XXXIII неделя науки СПбГТУ. Материалы межвузовской научной конференции СПб.:СПбГТУ, 2004 ч Ш., с94.

91. Фоломкин А.И., Коротких М.Т. Математическое моделирование процесса разрезания пластины в вязкой среде, XXXI Неделя науки СПбГТУ. Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: СПбГТУ, 2003.-ЧШ.-С.110.

92. Фоломкин А.И., Коротких М.Т. Технологическое оборудование для получения армирующих элементов пенофибробетона. XXX Юбилейная Неделя науки СПбГТУ. Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: СПбГТУ, 2002.-Ч IV.-C.81.

93. Хает Г.Л. Прочность режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1975.

94. Хартман К. и др. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. М.:Мир, 1977,

95. Химмельблау Д. Прикладное не линейное программирование. М.: МИР, 1975.

96. Ящерицин П.И. и др. Теория резания. Физические и тепловые процессы в технологических системах. Мн.: Высшая школа, 1990.

97. Jurgen Hesselbach, Manfred В. Helm Adaptronics in Machin Tools// Production engineering research and development. Vol VIM WGP е. V., Berlin, 2000.

98. US5965249 "Vibration damping composit material" Gentile Michele M, Princip Frank, Sutton Stephen P 1999.10.12 Gore Enterprise Holdings Inc.

99. Uvve Heisel, Frank Ziegler Sheet Metal Lightweight Design for Direct Driven Machin Tools// Production engineering research and development. Vol. VM WGP е. V., Berlin, 2000.

100. W00245892 "Tool for machining of matals with vibration damping means" Bergholt Marie-Louise, Karlsson Leif, Tuebinger Klas, 2002.06.13 Sandvik AB