автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение эффективности зубообрабатывающих фрез формированием инструментального червяка сменными твердосплавными пластинами

На правах рукописи

Киреев Виталий Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗУБООБРАБАТЫВАЮЩИХ ФРЕЗ ФОРМИРОВАНИЕМ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО ЧЕРВЯКА СМЕННЫМИ ТВЕРДОСПЛАВНЫМИ ПЛАСТИНАМИ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Тюмень - 2013

005543033

Работа выполнена на кафедре «Станки и инструменты» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Артамонов Евгений Владимирович

Официальные оппоненты Ничков Александр Григорьевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уральский

федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», профессор

кафедры «Металлорежущие станки и инструменты»

Губанов Виктор Федорович кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Курганский государственный университет»,

доцент кафедры «Инноватика и менеджмент качества»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский

государственный университет» (национальный исследовательский университет), г. Челябинск

Защита состоится 24.12.2013г. в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.273.09 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского 38, зал имени А.Н. Косухина.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре при ТюмГНГУ по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72.

Автореферат разослан « 22 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь, диссертационного совета

И. А. Бенедиктова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На сегодняшний день инструментальные фирмы, производящие режущий инструмент, практически не предлагают конструкции сборных червячных фрез со сменными режущими твердосплавными пластинами для обработки зубчатых колес, хотя применение сменных твердосплавных пластин (СТП) позволяет существенно повысить производительность обработки зубчатых колес. В настоящей работе предлагается новое рещение, обеспечивающее повышение эффективности зубообрабатывающих фрез формированием инструментального червяка сменными твердосплавными пластинами.

Целью работы является повышение эффективности зубообрабатывающих фрез формированием инструментального червяка сменными твердосплавными пластинами на основе исследования их напряженного состояния.

Задачи работы

1. Провести анализ литературных источников и патентов по теме работы.

2. Провести имитационное моделирование зацепления и процесса зубофрезерования зубчатых колес для определения граничных условий нагружения сменных твердосплавных пластин.

3. Решить тестовую задачу по оптимизации конечно-элементной сетки и исследовать напряженное состояние СТП в сборных зубообрабатывающих фрезах с целью выбора рациональной схемы резания.

4. Разработать методику расчета СТП и проектирования сборных зубообрабатывающих фрез.

5. Разработать новые конструкции сборных червячных фрез с СТП.

Методы исследования. Исследование процессов нагружения,

напряженного состояния, характера разрушения и прочности сменных твердосплавных пластин методом имитационного моделирования с

использованием программ Компас-ЗО и метода конечных элементов в А^УБ.

Достоверность результатов работы обеспечивается высокой точностью определения граничных условий и оптимизацией плотности конечно-элементной сетки с применением метода конечных элементов (МКЭ).

Научная новизна работы

1. Определены граничные условия нагружения сменных твердосплавных пластин для определения их напряженного состояния путем имитационного моделирования зацепления обрабатываемого колеса и исходного контура инструментальной рейки.

2. На основании имитационного моделирования процесса зацепления и нагружения режущих пластин стандартной червячной фрезы и фрезы с прогрессивной схемой резания было установлено:

- использование стандартной червячной фрезы характеризуется высокой неравномерностью нагружения режущих зубьев;

- использование прогрессивной червячной фрезы характеризуется более равномерной нагрузкой режущих зубьев для профиля инструментальной рейки зауженной на величину е^

- использование прогрессивной червячной фрезы характеризуется более равномерной нагрузкой режущих зубьев для профиля инструментальной рейки, заниженной на величину е .

3. Установлено, что величина напряжений в сменных режущих пластинах из фрез со стандартным профилем инструментальной рейки в 1,3 ^ 4 раз больше, чем при прогрессивной схеме резания.

4. Установлены предельные поверхности разрушения зубьев фрез из сменных твердосплавных пластин, определенные по опасным напряжениям растяжений оь

Практическая ценность и реализация полученных результатов

1. Разработана методика определения граничных условий для расчета напряженного состояния режущих пластин.

2. Разработана методика расчета СТП и проектирования сборных зубообрабатывающих фрез.

3. Разработаны конструкции сменных твердосплавных пластин для реализации прогрессивной схемы резания в сборных фрезах.

4. Разработаны новые конструкции сборных фрез, оснащенных СТП, защищенные патентами на изобретение и на полезную модель.

5. Разработанные методики и новые технические решения приняты к внедрению в ОАО «Завод Тюменгазстроймаш», ОАО «Газтурбосервис».

6. Результаты исследований используются в учебном процессе подготовки студентов по специальностям и направлениям «Металлообрабатывающие станки и комплексы», «Технологические машины и оборудование», «Технология машиностроения».

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались на IV международной научно-технической конференции «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (Тюмень, 2008 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии нефтегазовому региону» (Тюмень, 2010 г.), на 5-й научно-технической интернет-конференции с международным участием «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (Тюмень, 2010 г.), на VI научно-технической интернет-конференции с международным участием «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (Тюмень, 2012 г.).

Всего опубликовано 11 печатных работ, из них 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК, и монография (в соавторстве).

Личный вклад автора заключается в непосредственном проведении исследований, анализе данных и установлении факторов, влияющих на повышение работоспособности сборного инструмента с СТП путем применения прогрессивной схемы резания, а также в проведении расчетов, в обработке и

анализе полученных результатов, в разработке конструкций сборных червячных фрез, в формулировании положений и выводов, выносимых на защиту, в подготовке публикаций по данной теме.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 150 наименований, изложенных на 130 страницах машинописного текста, включает 93 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы исследований и изложено краткое содержание диссертационной работы.

В первой главе приведен литературный обзор результатов экспериментальных и теоретических исследований по теме диссертации. Вопросам исследования резания металлов при зубофрезеровании посвящены работы Сидоренко А.К., Ничкова А.Г., Зорева H.H., Даниеляна A.M., Шалина Г.М., Шунаева Б. К., Калашникова С.Н., Семенченко И.И., Сахарова Г.Н., Медведицкова С.Н., Розенберга Ю.А. и др. На основании литературного анализа изучены условия равномерности нагрузки режущих пластин червячной фрезы. Изучены вопросы разработки конструкций червячных фрез. На основе информационного анализа выявлены основные направления, по которым следует вести разработку новых конструкций сборных фрез. Установлено, что наиболее эффективной на сегодняшний день схемой резания при зубофрезеровании является прогрессивная схема, в пользу которой свидетельствуют зависимости стойкости червячных фрез из быстрорежущей стали. На основе сделанного анализа сформулированы цели и задачи настоящего исследования.

Во второй главе проведен численный анализ процесса зуброфрезерования цельными и сборными червячными фрезами. Установлена высокая неравномерность нагрузки зубьев червячных фрез при стандартной схеме резания. Показано, что следует стремиться к минимальной неравномерности нагружения зубьев фрез при зубофрезеровании. При

прогрессивной схеме зубофрезерования у червячных фрез неравномерность нагрузки режущих зубьев и площади поперечного сечения срезов передней поверхностью существенно снижаются.

Для наглядной демонстрации неравномерности нагрузки зубьев стандартной фрезы, как показано на рисунке 1, проведено имитационное моделирование процесса зубофрезерования. Параметры нарезаемого колеса: m = 5, z = 30, делительный диаметр = 150 мм.

а - исходный контур инструментальной рейки стандартной червячной фрезы в

зацеплении с колесом, б - врезание инструмента в заготовку по радиальной схеме Рисунок 1 - Схема имитационного моделирования нарезания зубьев колеса

В результате имитационного моделирования для стандартной фрезы были определены площади поперечного сечения срезов зубом фрезы. При этом сделан вывод о том, что зуб работает одновременно как верхней, так и боковыми кромками. В результате формируется сложная трёхэлементная стружка, что затрудняет её благоприятный сход (стесненное резание).

На рисунке 2 показано изменение площадей поперечного сечения среза на передней поверхности зубьев стандартной червячной фрезы при радиальном перемещении инструмента. Нагрузка зубьев фрезы изменяется пропорционально площади поперечного сечения среза.

Рисунок 2 - Изменения (нагрузки) площади поперечного сечения среза зубьями стандартной червячной фрезы Видно, что наиболее нагружены зубья №3 и №4 инструментальной рейки.

Нагрузка зуба №4 достигает максимума в середине зубофрезерования. Зуб № 3 нагружен более равномерно, максимальная площадь кинематического пятна контакта = 1,5 мм2. Зубья №2 и №5 менее нагружены, максимальные площади

На рисунке 3 показана прогрессивная схема резания, где зубья фрезы заужены на величину е, и занижены на величину е2.

Рисунок 3 - Профили зубьев фрезы при прогрессивной схеме резания Чтобы исследовать целесообразность применения прогрессивной схемы резания, как показано на рисунке 4, было проведено имитационное моделирование для того же зубчатого колеса (тот же модуль и количество зубьев нарезаемого колеса).

Максимальная площадь поперечного сечения среза составляет 2,8 мм2 (зуб №4).

равны, соответственно, 1 и 1,2 мм2.

а

а — для заниженного исходного контура инструментальной рейки (е,), б - для зауженного исходного контура инструментальной рейки (е2) Рисунок 4 - Схемы имитационных моделей зубофрезерования при прогрессивной схеме резания

В результате имитационного моделирования прогрессивной схемы резания для червячной фрезы получили площади поперечного сесения срезов, как показано на рисунке 5. Имитационное моделирование показало, что при прогрессивной схеме резания зубья работают разными кромками — первый зуб врезается верхней кромкой, второй - боковыми кромками. В результате припуск на обработку разделяется на части, что облегчает сход стружки (снижение стесненности), снижает нагрузку на режущие кромки зубьев и, как следствие, снижает силы резания.

р.

¡1 НІ;),. 1

1 і і! і НІ '-і її і 1 1 1 ' ! II

V А # Л тім /І 1,1 4 А -А- 11,1. А

а

а ~ площади поперечного сечения срезов на передней поверхности зауженных

режущих пластин исходной инструментальной рейки (еі), б - площади поперечного сечения срезов на передней поверхности заниженных

режущих пластин исходной инструментальной рейки (е2) Рисунок 5 - Изменения (нагрузки) площади поперечного сечения среза зубьями червячной фрезы при прогрессивной схеме резания

Максимальная нагрузка на зуб №4 наблюдается в начале фрезерования. При этом площадь поперечного сечения среза составляет 1,9 мм2. Максимальная площадь поперечного сечения среза зуба №3 составляет 1,4 мм". Зубья №2 и №5 нагружены меньше, чем в стандартной схеме резания. Площади поперечных сечений срезов для этих зубьев не превышает 0,4 мм2. На основании проведенного имитационного моделирования процессов нагружения режущих пластин фрезы с прогрессивной схемой резания установлено относительно высокая равномерность нагрузки на режущие пластины для профиля инструментальной рейки, зауженной на величину Є] и заниженной на величину е2.

В третьей главе приведено решение тестовой задачи по оптимизации плотности конечно-элементной сетки. Показано влияние плотности сетки на

расчеты и результаты расчетов напряженного состояния режущих пластин с использованием программного обеспечения ANSYS 14.5. Заданы граничные условия по самым нагруженным зубьям при различных схемах зубофрезерования. Численное решение задачи обусловливает необходимость разбиения геометрических моделей конечно-элементной сеткой.

Оптимальная плотность сетки в 3-х мерной модели достигалась использованием операции изменения плотности сетки (Relevance). Для этого выбирался фактор плотности сетки, как показано на рисунке 6, который задавался в пределах от -100 до +100. На рисунке 6 показаны 3-х мерные модели СТП, работающей по стандартной схеме резания, при реализации которой площадь поперечного сечения среза передней поверхностью режущей пластины имеет наибольшую величину. Нагружение пластины при наибольшей площади поперечного сечения среза рассчитано с различными вариантами плотности сетки, и определены наиболее опасные напряжения растяжения aimax. Для наибольших напряжений растяжения О] определялось отклонение в процентах при каждом факторе плотности сетки.

mtr- ■ -- 1 ■-

' Из

ijp^

а б в

а - Gimax=l,62 Ра при relevance =0, б - aimax=l,79 Ра при relevance =+60,

в - Oimax=l,82 Ра при relevance =+100 Рисунок 6 - Распределение напряжений в СТП при различной плотности конечно-элементной сетки

Для расчета отклонений о1тах при различных плотностях сеток попарно сравнивались c>imax при значениях фактора плотности сетки 0, +20, +40, +60, +80, +100. При расчете отклонения а1тах в процентах при факторах плотности сетки 0 и +20 отклонение составило Aoimax = 2 %. При расчете отклонения в

процентах при плотности сетки +40 и +60 отклонение составило Даітах = 0,5 %. При расчете отклонения в процентах при факторах плотности сетки +80 и +100 отклонение составило Лаітах = 2,7 %.

При последующих расчетах получение конечно-элементной сетки проводилось при факторе плотности равной +60, для которого отклонение Ао1шах = 0 %.

При определении граничных условий задавались свойства материала СТП, коэффициент Пуассона и модуль Юнга, а также распределенная нагрузка по передней поверхности пластины и граничные условия по заделкам.

На рисунке 7 показаны наибольшие площади поперечного среза передней поверхностью пластины стандартной червячной фрезы и с прогрессивной схемой резания.

а - стандартная червячная фреза, б - червячная фреза с прогрессивной схемой резания

с зауженным контуром еь в - червячная фреза с прогрессивной схемой резания с заниженным контуром е2 Рисунок 7 - Схемы расположения поперечных сечений срезов по передней

поверхности СТП

На рисунке 8 приведены трехмерные модели пластин с указанием площади поперечного среза по передней поверхности, с заданием распределенной нагрузки и заделками стандартной фрезы и червячной фрезы с прогрессивной схемой резания.

а

б

в

■г

ч-

а б в

а — профиль СТП стандартной фрезы, б - профиль СТП с зауженным контуром еь в - профиль СТП с заниженным контуром е2 Рисунок 8 - Схемы нагружения для трехмерных моделей СТП

В четвертой главе приведены результаты расчетов НДС в сменных твердосплавных пластинах сборных червячных фрез с использованием программного пакета ANSYS.

На рисунке 9 показано расположение на передней поверхности линий равных главных напряжений о, = const. Приведены контуры предельных поверхностей разрушения зуба фрезы и показано, что траектории прогнозируемых разрушений в пластине выходят за пределы кинематического пятна контакта стружки с передней поверхностью зуба фрезы.

Рисунок 9 — Предельные кривые контуров траекторий поверхностей

разрушения

Ш зона И зона / зона

пластическое

хрукпое

При численном исследовании напряженного состояния СТП установлено, что по передней поверхности пластины расположены контуры траекторий поверхностей для хрупкого разрушения отрывом, а контуры пластического разрушения смещаются к режущей кромке.

Рисунок 10 - График распределения главных напряжения растяжений а, и сжатия о3 для стандартной червячной фрезы по передней поверхности зуба фрезы в плоскости схода стружки, при 8=2,5 мм/об

♦ -^—1,33 мм НІ—I:=2,4 7 мм —1=6,73 мм

--------1-113 мм

«=^—1=11,98 мм ^1,33 мм -1=2,47 мм ■4=6,73 мм ——1=11,3 мм —Ф—1=11,98 мм

1, ММ (X ОД)

Рисунок 11 - Распределение главных напряжений растяжения а, и сжатия а3 для червячной фрезы с прогрессивной схемой резания по передней поверхности зуба фрезы в плоскости схода стружки, при 8=2,5 мм/об

На основе расчетов напряженного состояния зубьев фрез получены зависимости, представленные на рисунках 10,11, показывающие, что наибольшие значения опасные напряжения растяжения ел имеют место при

стандартной схеме резания, в 1,3 до 4 раз выше, чем при прогрессивной схеме зубофрезерования.

На рисунке 12 показана зависимость главных напряжений растяжений <Т] которая была построена после имитационного моделирования.

-1*2,54 мм -1=6,94 мм -(-11,57 мм -1-12,25 мм

-£■■-■•2,54 мм -1=6,94 мм мм

-'.«12,25 мм

1, мм (хОД)

Рисунок 12 - Распределение главных напряжений растяжения о, и сжатия Оз для червячной фрезы с прогрессивной схемой резания по передней поверхности зуба фрезы в плоскости схода стружки, при 8=3,8 мм/об

Моделирование показало, что при повышение скорости резания в 2 раза поперечное сечение среза на зуб фрезы уменьшается так же в 2 раза, что позволяет догрузить зуб фрезы до допустимых величин опасных напряжений растяжений а 1 путем увеличения подачи в 1,5 раза.

В пятой главе на основе результатов исследования разработана методика выбора расчета СТП и проектирования сборных червячных фрез, представленная на рисунке 13 в виде блок-схемы.

I. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

1.1. ЧЕРТЕЖ ДЕТАЛИ

1.2 ВИД ОБРАБОТКИ

1.4 МАРКА СТП

II. ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ

2.1. ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ (К*,) 2 2. МАКСИМАЛЬНАЯ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ СТП 2.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ (Вг, точность обработки)

.ПРОЕКТИРОВАНИЕ

3.1. РЕЖИМЫ РЕЗАНИЯ

3.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТП И СБОРНЫХ ЧЕРВЯЧНЫХ ФРЕЗ

3.2.1. ФОРМА СТП

3.2.2. ФОРМА ПЕРЕДНЕЙ ПОВЕРХНОСТИ И РЕЖУЩИХ КРОМОК

3.2.3. РАЗМЕРЫ СТП

3.2.4. СХЕМА БАЗИРОВАНИЯ И КРЕПЛЕНИЯ СТП

3.2.5. РАСЧЕТ ПОЛОЖЕНИЯ СТП Н=%а)

определение

площади поперечного сйчения г,раза

3.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ НАГРУЖЕНИЯ СТП

З.З.З.КОНЕЧНО- 3.3.4.

ЭЛЕМЕНТНЫЕ МОДЕГИ СВОЙСТВА

(тип КЭ. шаг сетки) СТП (Е, гп)

3.4. ПРОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ СТП НА ПРОЧНОСТЬ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

3.4.1. ГЛАВНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И КОЭФФИЦИЕНТ ЗАПАСА ПРОЧНОСТИ

Бь 52, Бз, Я Бь, Кзп

3.5; 3.6; 3.7 КОНСТРУКЦИИ ПЛАСТИН И СБОРНЫХ ЧЕРВЯЧНЫХ ФРЕЗ

Рисунок 13 - Блок-схема методики расчета и проектирования СТП и сборных червячных фрез

Суть разработанной методики заключается в следующем: выбираются по чертежу и справочным данным вид обработки, режимы резания, инструментальный материал, геометрические параметры режущей части и задается коэффициент запаса прочности. Затем определяются конструктивные параметры инструмента, силы резания, напряженное состояние режущих пластин. Полученные результаты расчета напряженного состояния СТП позволяют определить коэффициент запаса прочности. В случае, когда расчетное значение коэффициента запаса прочности получается меньше заданного, то вводятся изменения конструктивных параметров СТП и расчет повторяется.

Инструментальный червяк представляет собой геометрическую модель из сменных твердосплавных пластин, размещенных в корпусе инструмента по винтовой линии с углом со, с заданными окружным шагом и числом зубьев фрезы.

С учетом результатов проведенных исследований разработана конструкция сборной червячной фрезы, ЗО модель которой представлена на рисунке 14.

Рисунок 14-30 модель сборной червячной фрезы с прогрессивной схемой резания

Корпус сборной червячной фрезы с прогрессивной схемой резания содержит ряд продольных пазов, в которых установлены опорные и упорные рейки, образующие инструментальные блоки. В блоках с помощью зажимных и упорных сухарей от осевого смещения закреплены режущие элементы, базирующиеся в угловых пазах упорных реек с помощью зажимных клиньев.

В заключении сформулированы выводы и результаты работы:

1. Установлено, что имитационное моделирование и графическое определение поперечного сечения среза позволяет определить граничные условия нагружения и напряженное состояние СТП.

2. С использованием имитационного моделирования нагружения СТП стандартной фрезы установлена высокая неравномерность нагружения режущих пластин.

3. С использованием имитационного моделирования нагружения СТП

фрезы с прогрессивной схемой резания установлена более высокая равномерность нагрузки режущих пластин для профиля инструментальной рейки, зауженной на величину е! и заниженной на величину е2;

4. Установлено, что величина опасных напряжений растяжений ст, в СТП зубьев фрезы со стандартным профилем инструментальной рейки в 1,3 4 раз больше, чем при прогрессивной схеме резания, что позволяет увеличить производительность обработки.

5. Создана методика выбора, расчета и проектирования СТП и сборных червячных фрез, позволяющая получить эффективный процесс зубофрезерования, заключающийся в повышении производительности обработки.

6. Разработаны новые сменные режущие пластины для реализации прогрессивной схемы резания в сборных червячных фрезах.

7. Разработана новая конструкция сборной червячной фрезы с прогрессивной схемой резания, позволяющей обеспечить минимальную неравномерность фрезерования и повышение эффективности инструментов с СТП.

8. Разработанные на основе материалов диссертации руководящие технические материалы переданы в ОАО «Завод Тюменгазстроймаш», ОАО «Газтурбосервис» для внедрения в производство с ожидаемым экономическим эффектом 190000 руб.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Артамонов, Е.В. Напряженно-деформированное состояние сменных режущих пластин червячной фрезы. / Е.В. Артамонов, В.В. Киреев // Омский научный вестник. Серия приборы, машины и технологии. - 2013. - №3(123). -С. 58-60.

2. Артамонов, E.B. Эффективность прогрессивной схемы резания в червячных фрезах со сменными твердосплавными пластинами. / Е.В. Артамонов, В.В. Киреев // СТИН - 2013. - №12. - С. 12-15.

3. Артамонов, Е.В. Разработка сборной фрезы для обработки шестерен кпп подъемника для ремонта скважин. / Е.В. Артамонов, В.В. Киреев // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. - 2013. -№6. - С. 114-118.

В других научных изданиях:

4. Артамонов, Е.В. Повышение работоспособности сборных фрез формированием винтовой линии сменными режущими пластинами / Е.В. Артамонов, В.А. Василькович, В.В. Киреев, В.А. Шрайнер Под общей ред. М.Х. Утешева. - Тюмень: Издательство «Вектор Бук», 2009. - 136 с. - ISBN 978-5-91409-123-8

5. Артамонов, Е.В. Сборная червячная фреза для черновой обработки. / Е.В. Артамонов, В.В. Киреев // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: материалы IV международной научно-технической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2008. - С 18-19.

6. Артамонов, Е.В. Сборный инструмент червячной фрезы. / Е.В. Артамонов, В.В. Киреев // Новые технологии нефтегазовому региону: материалы Всероссийской научно-практической конференции. Т.И / под ред. Е.А. Григорян. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2010. - С 102-103.

7. Артамонов, Е.В. Сборный инструмент для нарезания зубчатых колес. / Е.В. Артамонов, В.В. Киреев // Новые технологии нефтегазовому региону: материалы Всероссийской научно-практической конференции. Т. 2. -Тюмень: ТюмГНГУ, 2010. - С 31-33.

8. Артамонов, Е.В. Повышение эффективности зубофрезерования сборным инструментом. / Е.В. Артамонов, В.В. Киреев // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: материалы V научно-технической интернет-конференции с международным участием / под ред. A.A. Силича. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2010. - С 11-13.

9. Артамонов, Е.В. Напряженно-деформированное состояние сменной режущей пластины червячной фрезы. / Е.В. Артамонов, В.В. Киреев // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: материалы VI научно-технической интернет-конференции с международным участием / отв. ред. Р.Ю. Некрасов. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2012.-С 7-11.

10. Артамонов, Е.В. Сборная червячная фреза с сменными твердосплавными пластинами. / Е.В. Артамонов, В.В. Киреев // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: материалы VI научно-технической интернет-конференции с международным участием / отв. ред. Р.Ю. Некрасов. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2012.-С 69-70.

11. Артамонов, Е.В. Эффективность сборной фрезы со сменными твердосплавными пластинами с прогрессивной схемой резания. [Текст] / Е.В. Артамонов, Е.С. Абрамова, В.В. Киреев // Нефть и газ Западной Сибири: материалы международной научно-технической конференции. Т.2. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2013. - С 129-136.

Подписано в печать 21.11.2013. Формат 60*90 1/16 Усл. печ. л. 1,25 Тираж 100 экз. Заказ № 1982 Библиотечно-издательский комплекс федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38 Типография библиотечно-издательского комплекса. 625039, Тюмень, ул. Киевская, 52.

Тюменский государственный нефтегазовый университет

Киреев Виталий Владимирович

04201453948

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗУБООБРАБАТЫВАЮЩИХ ФРЕЗ ФОРМИРОВАНИЕМ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО ЧЕРВЯКА СМЕННЫМИ

ТВЕРДОСПЛАВНЫМИ ПЛАСТИНАМИ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Артамонов Е.В.

Тюмень - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................4

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. ПРОБЛЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.................10

ИНФОРМАЦИОННЫЙ ПОИСК СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ СБОРНЫХ ЧЕРВЯЧНЫХ ФРЕЗ...............................................................................10

1.1 Литературный обзор. Общие положения.........................................................10

1.2 Принцип нарезания зубьев червячной фрезой....................................................12

1.3 Особенности процесса нарезания зубьев червячными фрезами........................15

1.4 Зубофрезерование с различными видами подач.................................................16

1.5 Применение твёрдых сплавов при зубофрезеровании.......................................20

1.6 Особенности твердосплавных зуборезных инструментов.................................25

1.7 Достоинства и недостатки сборных инструментов с СМП................................27

1.8 Пути повышения эффективности при зубофрезеровании..................................29

1.9 Информационный анализ и анализ конструкций сборных червячных фрез.....35

1.9.1 Повышение производительности......................................................................36

1.9.2 Повышение стойкости.......................................................................................38

1.9.3 Расширение технологических возможностей..................................................39

1.9.4 Повышение надёжности крепления..................................................................41

1.9.5 Повышение надёжности крепления..................................................................41

1.9.6 Повышение точности.........................................................................................42

1.9.7 Снижение стоимости изготовления..................................................................43

1.10 Существующие конструкции червячных сборных фрез..................................44

1.11 Исследование напряжений в режущем инструменте при нестационарных параметрах резания....................................................................................................45

1.12 Цель и задачи......................................................................................................51

2 ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАЦЕПЛЕНИЯ............53

И НАГРУЖЕНИЯ ЗУБЬЕВ ЗУБООБРАБАТЫВАЮЩИХ ФРЕЗ..........................53

2.1 Имитационное моделирование для червячных фрез..........................................53

2.2 Имитационное моделирование червячной фрезы для чистовой обработки......62

2.2.1 Расчет и построение зубчатого колеса.............................................................62

2.2.2 Расчет количества пластин методом огибания эвольвенты............................65

2.2.3 Нахождение станочной линии зацепления.......................................................67

2.2.4 Нахождение точек контакта фрезы с колесом.................................................68

2.2.5 Расчет корпуса фрезы........................................................................................70

2.3 Выбор схемы базирования и крепления режущей пластины.............................76

2.3.1 Анализ схем базирования и крепления режущей пластины...........................76

2.3.2 Доработка выбранной схемы базирования и крепления режущей пластины 77

2.3.3 Проверочный расчет на надежность закрепления СТП в корпусе фрезы......78

2.4 Доработка конструкции фрезы............................................................................80

2.5 Величины площадей поперечного сечения срезаемого слоя в зависимости от номера пластины и подачи.........................................................................................81

2.6 Построение графика изменения величины срезаемой площади в зависимости от подачи фрезы.........................................................................................................86

2.7 Выводы:.............................................................................................................90

3 ТЕСТОВАЯ ЗАДАЧА. РАСЧЕТЫ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ....91

3.1 Основные понятия МКЭ.......................................................................................91

3.2 Тестовая задача силового нагружения................................................................94

3.3 Выводы:...............................................................................................................101

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НАРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ В СТП ЗУБООБРАБАТЫВАЮЩИХ ФРЕЗ.......................................................................102

4.1 Напряженное состояние в сменных твердосплавных пластинах.....................102

4.2 Влияние площади поперечного сечения срезаемого слоя на распределение зон растяжения и сжатия стандартной фрезы и фрезы с прогрессивной схемой резания ...................................................................................................................................110

4.3 Поверхности равных напряжений 01 стандартной фрезы и фрезы с прогрессивной схемой резания................................................................................112

4.3 Выводы:...............................................................................................................117

5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ. КОНСТРУКЦИИ СБОРНЫХ ЧЕРВЯЧНЫХ ФРЕЗ..........................................................................................................................119

5.1 Методика выбора, расчета СРП и проектирования сборных червячных фрез119

5.2 Конструкции сборных червячных фрез.............................................................122

5.3 Практическое применение.................................................................................125

5.4 Выводы:...............................................................................................................127

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................129

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................................................130

ПРИЛОЖЕНИЯ

145

ВВЕДЕНИЕ

Повышение стойкости и производительности обработки зубчатых колес непосредственно связано с совершенствованием конструкций инструмента, поэтому в этой области постоянно ведутся исследования, имеющие своей целью повышение эффективности процесса зубофрезерования. Червячная фреза представляет собой одно- или многозаходный червяк, который имеет определенный исходный контур зубчатой рейки, а расположенные вдоль оси продольные стружечные канавки образуют зубья с режущими кромками, необходимые для обработки резанием.

Все изменения конструкции червячных фрез направлены на повышение производительности процесса зубофрезерования, уменьшение износа инструмента, повышение точности обработки, уменьшение расхода инструментального материала. К значительному повышению производительности и стойкости приводит использование твердого сплава в качестве инструментального материала для изготовления фрез. Во многих работах проведены исследования различных марок твердого сплава.

Актуальность работы. На сегодняшний день инструментальные фирмы, производящие режущий инструмент, практически не предлагают конструкции сборных червячных фрез со сменными режущими твердосплавными пластинами для обработки зубчатых колес, хотя применение сменных твердосплавных пластин (СТП) позволяет существенно повысить производительность обработки зубчатых колес. В настоящей работе предлагается новое решение, обеспечивающее повышение эффективности зубообрабатывающих фрез формированием инструментального червяка сменными твердосплавными пластинами.

Целью работы является повышение эффективности зубообрабатывающих фрез формированием инструментального червяка сменными твердосплавными пластинами на основе исследования их напряженного состояния.

Задачи работы

1. Провести анализ литературных источников и патентов по теме работы.

2. Провести имитационное моделирование зацепления и процесса зубофрезерования зубчатых колес для определения граничных условий нагружения сменных твердосплавных пластин.

3. Решить тестовую задачу по оптимизации конечно-элементной сетки и исследовать напряженное состояние СТП в сборных зубообрабатывающих фрезах с целью выбора рациональной схемы резания.

4. Разработать методику расчета СТП и проектирования сборных зубообрабатывающих фрез.

5. Разработать новые конструкции сборных червячных фрез с СТП.

Методы исследования. Исследование процессов нагружения,

напряженного состояния, характера разрушения и прочности сменных твердосплавных пластин методом имитационного моделирования с использованием программ Компас-ЗО и метода конечных элементов в АЫБУЗ.

Достоверность результатов работы обеспечивается высокой точностью определения граничных условий и оптимизацией плотности конечно-элементной сетки с применением метода конечных элементов (МКЭ).

Научная новизна рзооты

1. Определены граничные условия нагружения сменных твердосплавных пластин для определения их напряженного состояния путем имитационного моделирования зацепления обрабатываемого колеса и исходного контура инструментальной рейки.

2. На основании имитационного моделирования процесса зацепления и нагружения режущих пластин стандартной червячной фрезы и фрезы с прогрессивной схемой резания было установлено:

- использование стандартной червячной фрезы характеризуется высокой неравномерностью нагружения режущих зубьев;

- использование прогрессивной червячной фрезы характеризуется более равномерной нагрузкой режущих зубьев для профиля инструментальной рейки зауженной на величину е ;

- использование прогрессивной червячной фрезы характеризуется более равномерной нагрузкой режущих зубьев для профиля инструментальной рейки, заниженной на величину ег

3. Установлено, что величина напряжений в сменных режущих пластинах из фрез со стандартным профилем инструментальной рейки в 1,3 -М раз больше, чем при прогрессивной схеме резания.

4. Установлены предельные поверхности разрушения зубьев фрез из сменных твердосплавных пластин, определенные по опасным напряжениям растяжений о}

Практическая ценность и реализация полученных результатов

1. Разработана методика определения граничных условий для расчета напряженного состояния режущих пластин.

2. Разработана методика расчета СТП и проектирования сборных зубообрабатывающих фрез.

3. Разработаны конструкции сменных твердосплавных пластин для реализации прогрессивной схемы резания в сборных фрезах.

4. Разработаны новые конструкции сборных фрез, оснащенных СТП, защищенные патентами на изобретение и на полезную модель.

5. Разработанные методики и новые технические решения приняты к внедрению в ОАО «Завод Тюменгазстроймаш», ОАО «Газтурбосервис».

6. Результаты исследований используются в учебном процессе подготовки студентов по специальностям и направлениям «Металлообрабатывающие станки и комплексы», «Технологические машины и оборудование», «Технология машиностроения».

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались на IV международной научно-технической конференции «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (Тюмень, 2008 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии нефтегазовому региону» (Тюмень, 2010 г.), на

5-й научно-технической интернет-конференции с международным участием «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (Тюмень, 2010 г.), на VI научно-технической интернет-конференции с международным участием «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (Тюмень, 2012 г.).

Всего опубликовано 11 печатных работ, из них 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК, и монография (в соавторстве).

Личный вклад автора заключается в непосредственном проведении исследований, анализе данных и установлении факторов, влияющих на повышение работоспособности сборного инструмента с СТП путем применения прогрессивной схемы резания, а также в проведении расчетов, в обработке и анализе полученных результатов, в разработке конструкций сборных червячных фрез, в формулировании положений и выводов, выносимых на защиту, в подготовке публикаций по данной теме.

Автором выносятся на защиту следующие основные положения:

- новые технические, защищенные авторскими свидетельствами и патентами, конструкции СТП и сборных инструментов, способы и устройства определения и под держания условий их максимальной эффективности при резании металлов.

В первой главе приведен литературный обзор результатов экспериментальных и теоретических исследований по теме диссертации. На основании литературного анализа изучены условия равномерности нагрузки режущих пластин червячной фрезы. Изучены вопросы разработки конструкций червячных фрез. На основе информационного анализа выявлены основные направления, по которым следует вести разработку новых конструкций сборных фрез. Установлено, что наиболее эффективной на сегодняшний день схемой резания при зубофрезеровании является прогрессивная схема, в пользу которой свидетельствуют зависимости стойкости червячных фрез из быстрорежущей стали.

Во второй главе проведен численный анализ процесса зуброфрезерования цельными и сборными червячными фрезами. Установлена высокая

неравномерность нагрузки зубьев червячных фрез при стандартной схеме резания. Показано, что следует стремиться к минимальной неравномерности нагружения зубьев фрез при зубофрезеровании. При прогрессивной схеме зубофрезерования у червячных фрез неравномерность нагрузки режущих зубьев и площади поперечного сечения срезов передней поверхностью существенно снижаются.

В третьей главе приведено решение тестовой задачи по оптимизации плотности конечно-элементной сетки. Показано влияние плотности сетки на расчеты и результаты расчетов напряженного состояния режущих пластин с использованием программного обеспечения ANS YS 14.5. Заданы граничные условия по самым нагруженным зубьям при различных схемах зубофрезерования. Численное решение задачи обусловливает необходимость разбиения СТП на конечные элементы.

В четвертой главе приведены результаты расчетов НДС в сменных твердосплавных пластинах сборных червячных фрез с использованием программного пакета ANS YS. Показано расположение на передней поверхности линий равных главных напряжений Gi = const. Приведены контуры предельных поверхностей разрушения зуба фрезы и показано, что траектории прогнозируемых разрушений в пластине выходят за пределы кинематического пятна контакта стружки с передней поверхностью зуба фрезы. А также, что при повышении скорости резания в 2 раза, поперечное сечение среза на зуб фрезы уменьшается так же в 2 раза, что позволяет догрузить зуб фрезы до допустимых величин опасных напряжений растяжений ai путем увеличения подачи в 1,5 раза.

В пятой главе на основе результатов исследования разработан алгоритм, представленный в виде блок-схемы, методика выбора, расчета СТП и проектирования сборных червячных фрез. Разработаны конструкции сборных червячных фрез (подана заявка на патент на изобретение и на полезную модель).

Автор выражает благодарность за помощь в формировании научных взглядов научному руководителю, доктору технических наук, профессору

Артамонову Евгению Владимировичу и коллективу кафедры «Станки и инструменты» Тюменского государственного нефтегазового университета.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. ПРОБЛЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

ИНФОРМАЦИОННЫЙ ПОИСК СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ СБОРНЫХ ЧЕРВЯЧНЫХ ФРЕЗ 1.1 Литературный обзор. Общие положения

Процессу зубофрезерования червячными фрезами, а также повышению

производительности посвящено значительное количество работ. В них исследованы кинематика процесса зубофрезерования, дан анализ влияния на работоспособность червячных фрез различных факторов: параметров режима резания [1-5], геометрических [5-17] и конструктивных [6-8, 12-44] параметров червячных фрез, схем зубофрезерования [7, 45-54], отличающихся сочетанием направлений подачи, витков фрезы и зубьев колеса, способов врезания фрезы в заготовку [3, 6, 7, 22, 24, 54-65, 103], технического состояния станка [66-72], материала инструмента и заготовки [64, 73-79], СОЖ [80, 81], требований к точности и качеству зубообработки [67, 67, 71, 82] и др.; рассмотрены возможные циклы одно- и многопроходной обработки зубчатых колес [93-91, 115, 117, 117119, 120-125] особенно в связи с появлением зубофрезерных станков с ЧПУ, адаптивным управлением процессом зубофрезерования, уделено некоторое внимание периодам врезания и выхода фрезы из заготовки [55-83, 84-90].

В исследованиях кинематики процесса зубофрезерования [6, 18, 19, 22, 24, 59, 60, 64, 91-109, 111-114] показано, что на работоспособность червячной фрезы в значительной степени влияют размеры слоев, срезаемых ее зубьями. Эти размеры определяют износ каждого зуба в отдельности и фрезы в целом, крутящий момент и мощность резания, а также служат одним из ограничений при выборе параметров режима резания. Этот вывод в значительной мере подтверждают исследования цилиндрического и торцового фрезерования [105109, 2], в которых убедительно показано, что размеры срезаемого слоя, а именно, его длина и толщина при врезании зуба и выходе его из контакта с заготовкой, при прочих равных условиях, определяют износ зубьев фрезы и силы резания. Об этом же говорят результаты высотной и профильной коррекции зубьев червячной фрезы [6, 20, 21, 29, 110], выполняем