автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение износостойкости сборных токарных резцов, оснащенных пластинами повышенной теплопроводности

На правах рукописи

Нехорошков Сергей Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОИКОСТИ СБОРНЫХ ТОКАРНЫХ РЕЗЦОВ, ОСНАЩЁННЫХ ПЛАСТИНАМИ ПОВЫШЕННОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Специальность 05.03.01. - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

РОСТОВ-на-ДОНу, 200? 172476

003172476

Работа выполнена в ГОУ ВПО Ростовской-на-Дону государственной академии сельскохозяйственного машиностроения

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Дубров Юрий Семёнович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Солоненко Владимир Григорьевич кандидат технических наук, доцент Шучев Константин Григорьевич

Ведущая организация

ОАО «РОСГОВГАЗОАППАРАТ» г. Ростов-на-Дону

Защита состоится « f » 2008г. в /Q.&D часов на

заседании диссертационного совета Д 212 058.02 в Донском государственном техническом университете по адресу. 344000, Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ДГТУ, а 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ. Автореферат разослан «ЗР» а/с?л 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Сидоренко Валентин Сергеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Постоянное повышение требований к качеству изделий современного машиностроения заставляет более широко использовать конструкционные материалы, обладающие высокими эксплуатационными свойствами - жаропрочностью, коррозионной стойкостью, значительной удельной прочностью, а также рядом других специальных свойств.

Такие конструкционные материалы обладают низкой обрабатываемостью резанием, зависящей от особенностей их физико-механических и химических свойств, что существенно повышает износ режущих инструментов и приводит к снижению производительности, точности и качества обработки.

Наиболее перспективными при обработке на станках с ЧПУ в настоящее время являются сборные резцы с механическим креплением сменных многогранных пластин (СМП), устанавливаемых на опорные пластины (ОП) Однако, низкая теплопроводность стыка "СМП - ОП", приводит к нарушению теплового режима работы инструмента, повышению поверхностных контактных и объемных температур и, как следствие - к снижению работоспособности инструмента, и уменьшению точности, качества и производительности механической лезвийной обработки.

Цель диссертационной работы. Повышение износостойкости сборных резцов при чистовых режимах обработки за счет применения новой конструкции СМП повышенной теплопроводности (СМП ПТ).

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1. На базе ранее выполненных расчетно-экспериментальных работ наметить возможные пути повышения износостойкости сборных резцов, и создать модель более благоприятного распределения тепловых потоков в режущей пластине.

2. С помощью методов компьютерного моделирования выполнить построение компьютерных моделей тепловых полей и распределения напряжений в обычной СМП и СМП ПТ.

3. Смоделировать и экспериментально установить геометрические параметры новой конструкции сменной многогранной пластины (СМП) с укороченной задней поверхностью (УЗП) повышенной теплопроводности при обработке различных конструкционных материалов.

4 Экспериментально установить влияние перераспределения тепловых потоков в режущей пластине на температурные деформации резца, а также на усадку стружки.

5. Установить характер изменения термоэлектрических процессов в режущем клине за счет влияния новой биметаллической пары (твердый сплав - медь) в очаге высоких температур.

б Провести сравнительные исследования динамики изнашивания контактных поверхностей стандартных пластин и пластин повышенной теплопроводности.

7. Выполнить проверку эффективности сборных резцов, оснащенных СМП ПТ, с оценкой надежности полученных результатов статистическими методами.

8. Дать рекомендации по созданию СМП с высокой эквивалентной теплопроводностью за счет применения в режущей пластине композиций из материалов с высокими теплофизическими свойствами, обеспечивающими повышенные коэффициенты эквивалентной теплопроводности.

9. Обосновать область применения СМП ПТ и внедрить результаты исследования в производство.

Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы основные положения теории изнашивания инструментальных твердых сплавов, теории теплофизи-ческих процессов (в том числе термоэлектрических) в технологических системах механической лезвийной обработки, компьютерное моделирование с применением метода конечных элементов (МКЭ), статистические методы оценки достоверности полученных экспериментальных данных, а также результаты исследований других авторов.

Новизна выполненных технических решений подтверждается соответствующими техническими актами, приведенными в работе.

Объект исследования. Объектом исследования в диссертации являются сборные резцы, оснащенные квадратными СМП отечественного и зарубежного производства, работа которых соответствует требуемому периоду стойкости при заданной производительности.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты сравнительных теоретических и экспериментальных исследований параметров резания сборными резцами, оснащенными стандартными СМП и СМП ПТ, а также характеристики работоспособности сборных резцов.

2. Методика компьютерного моделирования распределения тепловых потоков в СМП в зависимости от их теплопроводности.

3. Новая методика измерения температурного удлинения резцов на станках с ЧПУ.

4. Результаты моделирования тепловых полей и прочности стандартных СМП и СМП ПТ.

5. Выдвинутая модель перераспределения тепловых потоков в СМП ПТ, экспериментально подтвержденная исследованием температурного удлинения резцов, усадки стружки, температур на опорных поверхностях пластин, средних температур стружек а также фотографиями износа, полученными при помощи цифрового микроскопа.

6. Теоретически обоснованный и экспериментально подтвержденный (с использованием закона Парето) метод повышения точности обработки на станках с ЧПУ за счет снижения температурного удлинения СМП ПТ.

Научная новизна результатов исследований:

1. Автором предложен и с помощью созданной компьютерной модели тепловых потоков в сборном токарном резце, оснащенном пластиной повышенной теплопроводности, обоснован метод повышения работоспособности трибосопряжения " инструмент - заготовка".

2 Предложен новый метод повышения точности лезвийной обработки за счет снижения одной из составляющих суммарной систематической погрешности обработки - температурного удлинения резца.

3. Разработана новая методика измерения температурного удлинения сборных токарных резцов, оснащенных СМП, на станках с ЧПУ.

4. Теоретически установлено, что за счет образования новой термопары (медь - твердый сплав) снижается величина термоэлектрического тока во внутренней (малой) цепи. Это приводит к снижению интенсивности изнашивания режущей пластины по задней поверхности.

5. Экспериментально подтверждена зависимость коэффициента усадки стружки от величины теплопроводности инструментального материала.

Практическая ценность работы.

Сконструирована, изготовлена и испытана в лабораторных и производственных условиях новая сменная неперетачиваемая пластина, отличающаяся от стандартной более высокой эквивалентной теплопроводностью, что обеспечивает:

1. Повышение производительности при лезвийной чистовой обработке деталей.

2. Повышение точности обработки за счет снижения систематических погрешностей (температурное удлинение резца).

3. Повышение экологической безопасности при лезвийной обработке без применения СОЖ.

4. Экономию средств, затрачиваемых на СОЖ, а также связанных с усложнением конструкции станка

Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты исследований, полученные автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками РГАСХМ - Ю.С. Дубровым, М.Г. Грибельным; РГУПС -Г.С. Николаевой,

При этом лично автору принадлежат-

1. Обоснование направления исследований; постановка задач и разработка методологии исследований.

2. Планирование и проведение исследований, связанных с компьютерным моделированием (создание трехмерных моделей, использование конечно-элементного анализа для решения поставленных задач).

3. Результаты моделирования тепловых полей и прочности стандартных СМП и СМП ПТ.

4. Результаты сравнительных теоретических и экспериментальных исследований параметров резания сборными резцами, оснащенными стандартными СМП и СМП ПТ, а также характеристики работоспособности сборных резцов.

5. Разработка и внедрение в промышленности новых сменных многогранных пластин повышенной теплопроводности

Реализация результатов. Предложенные методы повышения эффективности сборных резцов нашли применение в машиностроении на операциях чистовой механической лезвийной обработки (ОАО «Гранит»)

Материалы диссертации внедрены в учебный процесс и используются при подготовке инженеров-технологов по дисциплинам «Резание материалов», «Основы технологии машиностроения», «Математическое моделирование процессов и объектов» на кафедре ТАМ РГАСХМ. По результатам диссертационной работы подготовлена и внедрена в учебный процесс новая лабораторная работа «Исследование температурного удлинения сборных резцов на станках с ЧПУ.

Апробация работы. Диссертационная работа выполнялась с 2001 по 2008 год. Ее результаты докладывались на 12 научно-технических конференциях.

Основные научные положения диссертации доложены на следующих конференциях: XVI международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Ростов-на-Дону, 2003), научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава «Транспорт 2003» (г. Ростов-на-Дону),

XVII международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г.Кострома, 2004), всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2004» (г. Ростов-на-Дону),

XVIII международной научной конференции «Математические методы

в технике и технологиях» (г.Казань, 2005), научно-практической конференции «Транспорт 2005» (г. Ростов-на-Дону), XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», (г. Воронеж, 2006), всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2006» (г. Ростов-на-Дону), всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2007» (г Ростов-на-Дону), научно-практической конференции «Современные инновационные технологии в сельскохозяйственном машиностроении» (г Росгов-на-Дону, 2007), XX международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Ярославль, 2007).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 132 наименований, содержит 70 рисунков, 38 таблицы и 4 приложений. Диссертация изложена на 157 страницах машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности работы, основные научные положения, составляющие предмет работы

Актуальность проблемы повышения износостойкости режущих инструментов особенно велика при широком использовании на станках с ЧПУ сборных инструментов, оснащенных сменными многогранными неперетачиваемыми пластинами.

Значительный вклад в изучение физической сути сложнейших явлений при резании материалов внесли и отечественные, и зарубежные ученые Наиболее интенсивно эти исследования проводились в XX столетии. В числе выдающихся ученых, посвятивших свою жизнь решению данной проблемы особые заслуги принадлежат таким ученым как A.A. Аваков, В.Ф. Бобров, Г.И. Грановский, А.Д. Макаров, М H. Клушин, H.H. Рыкалин, А.Н. Резников, Т.Н. Лоладзе, Э.И.Фельдштейн, П.И. Ящерицын, Н.В. Талантов, В.Н. Подураев, М.Ф. Полетика, В.А. Остафьев, С.С Силин, A.C. Верещака, С.А. Васин, Н С. Колев, A.A. Рыжкин, В.Ф. Безъязычный, В.К. Старков, В.Г. Грановский, Ф.Я. Якубов, Ю.Г. Кабалдин, В Г. Солоненко, В.М. Ким и др.

Первая глава посвящена анализу проблем повышения производительности процесса точения за счет снижения температуры в зоне резания а, следовательно, увеличения стойкости режущего инструмента. Здесь рассматриваются вопросы влияния высоких температур

резания на износ режущего инструмента, его стойкость, точность и качество механической обработки, а также описываются наиболее распространённые традиционные методы снижения температур в зоне резания.

Значительное внимание в работе уделено вопросу влияния коэффициента теплопроводности инструментального материала на основные показатели процесса резания. Установлено, что коэффициент теплопроводности инструментального материала необходимо повышать при чистовых и тонких методах обработки, так как здесь большая доля теплоты переходит в инструмент. Возможности повышения теплопроводности инструментальных твердых сплавов ограничены номенклатурой выпускаемых видов СМП. Поэтому, одним из путей создания благоприятных теплофизических условий в контакте "инструмент - заготовка" является создание СМП с высокой эквивалентной теплопроводностью. Это может быть достигнуто путём применения в режущей пластине композиций из материалов с различными физико-механическими свойствами. В этом случае речь идет о коэффициентах эквивалентной теплопроводности

Вторая глава посвящена разработке новой конструкции многогранной токарной пластины. Ранее для увеличения её ресурса Ю.А. Грицаенко, Г.С. Николаевой, Р.А, Месилой и другими исследователями была разработана пластина с укороченной задней поверхностью, которая использовалась на чистовых режимах резания. На базе этих работ предложена новая конструкция неперетачиваемой пластины, которая сочетает ограничение величины износа по задней поверхности путем ее укорочения с высокой теплопроводностью режущего клина (рис. 1, а). Повышенная теплопроводность обеспечивается за счет заполнения подточенной части высокотеплопроводным материалом. Можно предположить, что данная конструкция позволит выгодно

Твёрдый сплав

б) В)

Рис. 1. а) Пластина, армированная высокотеплопроводным медным слоем. Тепловые потоки: б) в стандартной СМП; в) в СМП, армированной медью

перераспределить тепловые потоки в резце, и снизить контактную температуру (рис. 1, б, в). При этом можно ожидать, что уменьшится износ резца, вероятность пластического течения вершины режущего клина, а также возможность скалывания режущей кромки. В начале главы приводится расчет эквивалентной теплопроводности пластин с теплопроводной оболочкой, далее производится моделирование теплового поля в сборных резцах. Для моделирования температурного поля в двухмерной постановке (рис. 2) применялась программа ЕЮЛ". При решении использовалось уравнение теплопроводности для линейных задач. Для задания на модели граничных условий использо-

а) б)

Рис. 2. Двухмерная модель температурного поля СМП а) стандартная; б) пластина повышенной теплопроводности;

Т1БК6 - 120Г13; \/= 40 м/мин; Г = 0,4 мм; 5= 0,1 мм/об

вались данные, полученные расчётом в среде МаШсас! теплофизиче-ских характеристик установившегося режима резания лезвийным инструментом без применения СОЖ. Эта методика была уточнена внесением в неё аналитического определения силовых параметров резания и коэффициента усадки стружки,

Трёхмерные расчёты температурных полей осуществлялись методом конечных элементов с помощью программного комплекса АМБУБ версии 8. Производился нестационарный тепловой анализ, который использовался для получения распределения температуры в конструкции как функции времени, и определения тепловых потоков при передаче и аккумулировании тепла в системе. При создании трёхмерной сетки конечных элементов использовался тип элементов Б01Ю90.

Результаты, полученные методом компьютерного моделирования подтверждают, что применение пластин повышенной теплопроводности выгодно перераспределяет тепловые потоки в резце и снижает температурные градиенты. Это позволяет предположить, что должна снизится интенсивность изнашивания инструмента и повысится надёжность предложенной конструкции пластины.

Вместе с тем видно, что внесённые изменения в геометрию пластины уменьшили её конструктивную прочность (рис.1, а). Поэтому далее проводились исследования прочности пластин новой конструкции и области их применения (рис. 3). Известно, что твёрдый сплав

Напряжение (109 Н/м2)

пластиной; б) пластиной с укороченной задней поверхностью, заполненной медью; 20X13; V- 150 м/мин; t- 0,5 мм; 5= 0,2 мм/об

наиболее чувствителен к растягивающим напряжениям. Поэтому основной интерес для анализа прочности представляет распределение нагрузки вдоль передней поверхности, где растягивающие напряжения имеют наибольшую величину.

Анализ прочности методом конечных элементов в программах ELCUT и ANSYS показал, что пластины, изготовленные с величиной укорочения задней поверхности 0,4...0,5 мм (и с такой же глубиной подточки) будут уверенно работать при чистовых режимах обработки. Адекватность полученных при моделировании результатов подтверждается проведёнными в дальнейшем экспериментальными исследованиями.

В целом ряде работ указывается о существовании помимо большой термоэлектрической цепи «резец-деталь» также малой цепи,

которая образуется внутри режущей пластины вследствие различия температур контакта инструмента по передней и задней поверхностям Как показывают результаты моделирования, различие температур на передней и задней поверхностях в случае применения на чистовой обработке пластин повышенной теплопроводности ниже, чем для стандартной пластины на 60° - 140°, что существенно ограничивает влияние малой внутренней цепи термотока на износ инструмента. Кроме того, величина ТЭДС, а, следовательно, термотока в большой цепи меньше для сборного резца, оснащенного СМП повышенной теплопроводности. Это вызвано появлением новых термопар между медью и твердыми сплавами режущей и опорной пластин. Как правило, интегральная величина термотока стабилизируется при установившемся тепловом режиме и она оказывается меньше, чем для обработки цельным и напайным резцами. Адекватность моделей распределения тепловых потоков и температур подтверждается выполненными авторами экспериментальными исследованиями, и хорошо согласуются с данными С.С. Можаева, Т.Г. Саромотиной, A.A. Рыжкина.

Третья глава диссертации посвящена экспериментальной проверке высказанных гипотез. Приведены рекомендации по технологии изготовления пластин повышенной теплопроводности. Приводятся данные экспериментальных исследований области допустимых сечений среза и диапазонов скоростей резания. Также показаны результаты исследования температуры на опорной поверхности стандартных и экспериментальных пластин. Полученные значения хорошо согласуются с компьютерным моделированием температур в режущем клине.

Далее выполнены сравнительные эксперименты по определению коэффициента продольной усадки стружки при точении стали 45 обычными СМП и пластинами новой конструкции.

Известно, что поперечная усадка стружки определяется по формуле

, _ cos(^ -у) _ cos^+ßsin?-

ка--7, _ п ' W

smßl В

где В = tgßx - величина, характеризующая степень пластических деформаций металла снимаемого припуска и поверхностного слоя обрабатываемой детали; у - передний угол резца.

Из анализа уравнения баланса механической и тепловой энергий при резании материалов для величины В Силиным С.С. получено следующее теоретическое выражение (без учета влияния явлений трения на задней контактной площадке инструмента):

в

_ (РеВ - 2)erf{o,5y[PeB)+1,125-JPeB ехр(- 0,25РеВ)

jPeB\¿Pe + 0,325F£>°'3(l - sin г)0,25 0,665erf(0>5^fF¿в) 0,145 F° 8Д° 25 erf °-25 (о,5л[рёв) 4¥еВ + /^V^l-sm/)0'95

feJ^l - srn >-)0,4 [cos у + sm у - i?(cos у - sin у щ

-1,

(cos у+-В sin у\Ре{1 - sin у)°А + 0,225FD° Для случая J3 > 0,4, соответствующего рациональным режимам резания, из уравнения (2) получена более простая теоретическая формула степенного вида

тРе"

FkDp(l-smyf'

(3)

где F-~Pe~ критерий, отражающий влияние геометрии

л

инструмента и отношения теплопроводностей инструментального и обрабатываемого материалов;

Анализируя выражение (3), которое определяет коэффициент усадки стружки, делаем вывод о том, что коэффициент усадки стружки существенно зависит от соотношения теплопроводностей инструментального и обрабатываемого материалов. Для проверки справедливости этого утверждения по вышеописанной методике в среде MathCAD рассчитаны коэффициенты усадки стружки при обработке различных конструкционных материалов сборными резцами, оснащенными пластинами с различными коэффициентами теплопроводности.

Наглядно видно (рис. 4), что при увеличении теплопроводности инструментального материала Лр усадка стружки растет.

Решение задачи определения усадки ка позволяет теоретически рассчитывать все другие важнейшие параметры процессов резания.

Опыты показали, что при работе пластинами, армированными медью, коэффициент усадки стружки больше, чем при точении обычными пластинами. Это косвенно указывает на снижение температуры в зоне резания. Полученные данные хорошо согласуются с работами A.M. Розенберга, А Н. Еремина и М.Ф. Полетика.

100 150 200 250

Скорость резания V, м/мин

Рис. 4. Зависимость коэффициента усадки стружки при обработке стали 12Х18Н10Т сборными резцами, оснащёнными СМП с различной теплопроводностью: 1 - Т15К6 стандартная СМП; 2 - Т15К6 СМП новой конструкции; 3 - ВК8 стандартная СМП; 4 - ВК8 СМП новой

конструкции; t = 1 мм; 5= 0,1 мм/об Для проверки достоверности полученных теоретическим путем (с использованием методики Силина С.С.) расчетных данных авторами выполнены сравнительные эксперименты по определению коэффициента продольной усадки стружки при точении стали 45 обычными неперетачиваемыми пластинами и пластинами с повышенной теплопроводностью. Исследования проводились на одной и той же заготовке. Образцы стружек собирались в конце прохода при установившемся тепловом режиме. Коэффициент продольной усадки стружки определялся весовым методом и рассчитывался по известной зависимости;

к = \000Gc/(LcySt), где Gc , 4 - масса (г) и длина стружки (мм)

соответственно; у- удельный вес стружки, г/мм3; 5, t- подача (мм/об) и глубина резания (мм) соответственно.

Опыты показали (рис. 5), что при работе пластинами, армированными медью, коэффициент усадки стружки больше, чем при точении обычными пластинами. Полученные данные хорошо согласуются с работами С.С.Силина, A.M. Розенберга и М.Ф. Полетика.

В дальнейшем по разработанной методике на станке с ЧПУ (16К20ФЗ) были выполнены исследования температурного удлинения инструментов, как одного из существенных факторов, влияющих на

S 4.1 Sí

o 3,7

ct 3,5 -

то y

>. 3,3 , IX

o 3,1 -

5

5 2,9 -O

Рис 5. Зависимость коэффициента усадки стружки К от скорости резания, 1 - стандартные пластины, 2 - пластины новой конструкции, Т15К6 - 120Г13; 5= ОД мм/об; t= 0,8 мм

2,6

СО 100 160 200 260 300

Скорость резания V, м/мин

точность обработки. Суть методики заключалась в том, что после обработки заготовки резец на ускоренном ходу перемещался к установленному в максимальной близости индикатору (1-ИГМ с ценой деления 1 мкм) до контакта с его измерительным стержнем. При касании фиксировалось начальное положение стрелки индикатора, после остывания резца - конечное. Разница между начальным и конечным показаниями определяла температурное удлинение (рис 6).

Рис. 6. Методика измерения температурного удлинения резца на станке с ЧПУ. 1 - заготовка; 2 -индикатор 1ИГМ; 3 - сборный резец, оснащенный СМП; А - В - С -D - Е - перемещение резца

Следует учесть, что температурные параметры определяют точность обработки, сказываясь на рабочих свойствах режущего инструмента. Принципы измерения температуры на основе дилатометрического подхода известны и широко используются в промышленности В применяемых устройствах используется классический принцип зависимости удлинения металлического стержня при изменении температуры Применительно к процессу резания задача определения величины температуры на контактной поверхности инструмента при известном удлинении резца может быть решена по следующему алгоритму.

© =д /

к '

а

\Пу,т)<1у

(4)

где © - температура на контактной поверхности инструмента;

к

А - величина температурного удлинения резца, а*- коэффициент линейного расширения материала.

Логично предположить корректность постановки обратной задачи определения средней температуры на контактной поверхности инструмента по известным величинам температурного удлинения Д. Из выражения (4), определим величину температуры на контактной поверхности режущего инструмента

Пу,т ) = /,-/2> (5)

I -у214ш

где = |е ф, (б)

о

/2 = лДя /44т )[\ - ег/(у /лДйг (7)

о

где О) - коэффициент температуропроводности; т- время с момента начала процесса резания.

Используя аналитические выражения (5 - 7), можно определить при известных значениях температурного удлинения резца, полученных экспериментальным методом, зависимости, удобные для определения температуры резания в интересующей нас точке.

В дальнейшем приведены результаты исследования влияния теплопроводного слоя на температурное удлинение пластин. Опыты показали, что различие температурного удлинения растет с увеличением скорости резания (рис. 7).

Далее проведены сравнительные исследования динамики износа стандартных СМП и СМП новой конструкции. Доказано, что пластины повышенной теплопроводности обеспечивают снижение одной из систематических погрешностей обработки, возникающей за счет температурных деформаций режущего инструмента. Достоверность полученных результатов подтверждена испытанием двух партий пластин (по 20 штук) с последующей статистической обработкой опытных данных.

Для оценки надежности работы пластин повышенной теплопроводности нами были проведены сравнительные эксперименты. Оценивались значения периодов стойкости стандартных неперетачи-ваемых пластин из твердого сплава Т15К6 в количестве 20 шт. и

30

70

такого же количества пластин повышенной теплопроводности при обработке высокомарганцовистой стали 120Г13. Для того чтобы избежать значительного рассеивания пластин по стойкости, нами

производился предварительный отбор пластин по термоэлектрическим свойствам.

Результаты исследования обработаны методами математической статистики (рис. 8).

Сравнение теоретических и экспериментальных функций распределения с помощью критерия Пирсона показывает с вероятностью в 99%, что эмпирическая кривая распределения соответствует нормальному закону. Существенность различия между этими величинами определялась при помощи критерия Стьюдента. Полученные результаты показывают, что

40 50 60

Скорость резания V, м/мин

Рис. 7. Зависимость температурного удлинения резца от скорости резания, 1 - стандартная пластина, 2 - пластина новой конструкции. Т15К6 - 120Г13; 5= 0,1 мм/об; е = 0,8 мм

я 7

1-

О 1- 6

о

та т 5 ;

ее

га ьс э 4

о

ф У Е 3

£

Н 2 1

Ф

а 1

о

о

н 0 ->

5 10 15 20 25 30 35 40 45

Стойкость Т, мин

Рис. 8. Сводный график эмпирических частот и выровненных теоретических кривых распределения стойкости партий пластин а) стандартных, б) повышенной теплопроводности. 120Г13 - Т15К6; V- 40 м/мин; 5= ОДмм/об; t = 0,4 мм; [Л5] = 0,4 мм

разница между средними значениями стойкости стандартных пластин и повышенной теплопроводности существенна, (как это видно из анализа фотографий износа приведённых на рис. 9).

Износ по передней поверхности

а) б)

Износ по задней поверхности

а)

Рис. 9. Износ стандартных пластин (а) и пластин повышенной теплопроводности (б). Т- ЗОмин; V- 40 м/мин; 5= 0,1мм/об; t= 0,4 мм; Т15К6 -120Г13.

Цифровой микроскоп WEBBERS G50s , увеличение 200х

В четвертой главе изложены результаты опытно-промышленной проверки результатов исследования, проведённых на ОАО «Гранит», а также расчет суммарных затрат на изготовление 1 детали напайным инструментом, инструментом со стандартной СМП и СМП новой конструкции.

Производственные испытания обработки новыми пластинами труднообрабатываемых материалов на заводе «Гранит» показали, что затраты на обработку одной детали гораздо ниже, чем при использовании напайного инструмента.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. На основании анализа литературных данных установлено, что одним из существенных недостатков сборных резцов, оснащенных сменными многогранными пластинами, является высокое термическое сопротивление стыка режущей пластины с корпусом резца. Это приводит к повышению контактных температур и, как следствие, снижению работоспособности инструмента.

2. С целью повышения эквивалентной теплопроводности СМП предлагается удаленный по задней поверхности слой твердого сплава заменить оболочкой из высокотеплопроводной меди, которая способствует перераспределению тепловых потоков в пластине и снижению контактных температур.

3. Компьютерное моделирование температурных полей осуществлялись методом конечных элементов с помощью программ АМБУБ и ЕЮ/Г. Для задания граничных условий использовались данные, полученные расчетом в среде МаШСАО теплофизических характеристик установившегося режима резания лезвийным инструментом без применения СОЖ. Эта методика была уточнена внесением в нее аналитического определения силовых параметров резания и коэффициента усадки стружки.

4. На основании выполненного компьютерного моделирования можно сделать вывод, что изменение условий теплообмена определяет уровень температурных градиентов в режущем клине.

5. Можно предположить, что различие контактных температур при высоких скоростях резания у стандартных и предлагаемых пластин, установленное по результатам моделирования, оказывает влияние на интенсивность пластических деформаций, адгезии и взаимного диффузионного растворения компонентов инструментального и обрабатываемого материалов.

6. Результаты экспериментальных исследований температур на опорных поверхностях стандартных и предлагаемых пластин согласуются с результатами моделирования тепловых потоков.

7. Результаты моделирования распределения напряжений, возникающих в режущем клине, хорошо согласуются с последующим испытанием различных параметров подточки методом ломающих сечений среза. Это позволяет рекомендовать для чистовых режимов резания параметры подточки, ширина и глубина 0,4-0,5 мм.

8 Обработанные по методу Парето результаты экспериментов по исследованию температурного удлинения резцов с использованием новой методики измерения на станках с ЧПУ показывают, что пластины предлагаемой конструкции обеспечивают снижение одной из

существенных систематических погрешностей, возникающих за счет температурных деформаций режущего инструмента.

9. Изменение коэффициента усадки стружки в зависимости от теплопроводности инструментального материала является одним из косвенных доказательств снижения температур на передней поверхности у предлагаемых пластин.

10. Незначительное различие температур между передней и задней поверхностями у пластин новой конструкции должно привести к ограничению влияния малой внутренней термоэлектрической цепи на процесс резания.

11. Статистическая оценка результатов сгойкостных испытаний подтверждает преимущество резцов новой конструкции по стойкости до 2.5 раз при чистовых режимах обработки, а также более высокую стабильность их режущих свойств.

12. Опытно-промышленная проверка работоспособности резцов новой конструкции на предприятии ОАО «Гранит» показала снижение основного времени обработки (до 20%) за счет повышения скорости резания, а также стабильное получение требуемой шероховатости при равной стойкости.

13 На основании проделанной работы рекомендуется использование пластин новой конструкции на режимах чистового точения. Наибольшая их эффективность достигается при обработке материалов с низкой теплопроводностью

14. По результатам выполненной работы рекомендовать комбинатам - производителям твердосплавных сменных многогранных пластин освоение промышленной технологии изготовления пластин повышенной теплопроводности.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Дубров Ю.С. Модель теплового износа сборного резца с регулируемыми размерами контактных площадок /Ю.С. Дубров, Г.С. Николаева, М.М. Якушев, С В. Нехорошков // Материалы XVI международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Т. 5, секция 5 / РГАСХМ - Ростов н/Д, 2003 - С. 161-163.

2. Николаева ГС Неперетачиваемые пластины повышенной теплопроводности /Г.С Николаева, Ю.С. Дубров, М.М. Якушев, С.В. Нехорошков // Труды научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава «Транспорт 2003»/ РГУПС. - Ростов н/Д, 2003. - 4.1 - С 126-127.

3. Дубров Ю С Моделирование изменения направлений тепловых потоков в сборных режущих инструментах / Ю.С. Дубров, Г.С.

Николаева, M M Якушев, C.B. Нехорошков // Материалы XVII международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях»: сб. тр Т 5, секция 5 - Кострома, 2004. - С 111-113

4. Николаева Г.С Повышение надежности режущего инструмента в условиях автоматизированного производства /Г.С Николаева, Ю.С. Дубров, C.B. Нехорошков Ц Юбилейный сборник научно-методических трудов преподавателей и студентов факультета «Дорожно-строительные машины», посвященный 50-летию факультета / РГУПС - Ростов н/Д, 2004. - С. 67-68.

5. Николаева Г.С. Способ управления тепловыми потоками в режущем клине сборного резца / Г.С. Николаева, Ю.С. Дубров, C.B. Нехорошков // Труды всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2004»/ РГУПС - Ростов н/Д, 2004 - С 123-124.

6. Дубров Ю.С. Моделирование влияния тепловых потоков в сборных режущих инструментах на усадку стружки / Ю.С. Дубров, Г.С. Николаева, C.B. Нехорошков // Материалы XVIII международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях»: сб. тр Т. 5, секция 5 / КГТУ. - Казань, 2005. - С. 108-109.

7 Николаева Г.С. Влияние тепловых потоков на температурные деформации сборных резцов / Г.С Николаева, Ю.С. Дубров, C.B. Нехорошков // Труды научно-практической конференции «Транспорт 2005»: В 2-х ч./ РГУПС. - Ростов н/Д, 2005. - Ч. 1. - С 251-252

8. Нехорошков C.B. Модель тепловых и термоэлектрических процессов в сборном резце / C.B. Нехорошков, Г.С Николаева, Ю.С. Дубров // Сборник трудов XIX международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». Т. 5, секция 5 / ВГТУ. - Воронеж, 2006 - С. 99-100.

9. Грибельный М.Г. Моделирование работоспособности тепловой трубы при помощи термоэлектрических модулей Пельтье / M Г. Грибельный, Ю.С. Дубров, C.B. Нехорошков // Сборник трудов XIX международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». Т. 5, секция 5/ ВГТУ. - Воронеж, 2006. - С. 9698.

10. Николаева Г.С. Применение закона Парето при оценке систематических погрешностей обработки сборными резцами / Г.С. Николаева, С В Нехорошков, Ю.С. Дубров // Труды всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2006»/ РГУПС -Ростов н/Д, 2006. - С 24-26

11. Николаева Г С Электрические явления при резании сборными резцами, оснащенными неперетачиваемыми пластинами повышенной теплопроводности /ГС Николаева, С В Нехорошков,

Ю.С. Дубров // Труды Всероссийской Научно-практической конференции «Транспорт 2006»/ РГУПС. - Ростов н/Д, 2006. - С. 27-29.

12. Нехорошков C.B. Модель тепловых потоков при резании пластинами повышенной теплопроводности / C.B. Нехорошков // Электронный Журнал "Исследовано в России", 133, 1254-1256, 2006. Http://Zhùrnal.Ape.Relarn.Ru/Articles/2006/ /133.Pdf.

13. Дубров Ю.С. К вопросу об эффективности обработки без смазывающе-охлаждающих средств сборными токарными резцами / Ю.С. Дубров, C.B. Нехорошков, Г.С. Николаева // Сборник трудов научно-практической конференции «Современные инновационные технологии в сельскохозяйственном машиностроении». - Ростов н/Д, 2007. - С. 162-167.

14. Нехорошков C.B. Компьютерное моделирование прочности твердосплавных режущих пластин повышенной теплопроводности / C.B. Нехорошков // Сборник трудов XX международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». Т 4, секция 5 / ЯГТУ. - Ярославль, 2007. - С 55-56.

15. Нехорошков C.B. Экспериментальные исследования работоспособности твердосплавных пластин повышенной теплопроводности / C.B. Нехорошков, Ю.С. Дубров, Г.С. Николаева // Сборник трудов XX международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» Т. 4, секция 5/ ЯГТУ. - Ярославль, 2007. - С. 53-55.

16. Николаева Г.С. Лезвийная обработка резанием без смазывающе-охлаждающих технологических средств / Г.С. Николаева, C.B. Нехорошков, Ю.С. Дубров // Труды всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2007»/ РГУПС. - Ростов н/Д, 2007. - С. 110-112.

17. Дубров Ю.С. Износостойкость сборных резцов / Ю.С. Дубров, C.B. Нехорошков, Г.С. Николаева // Сборник научных трудов «Новые технологии, конструкции и процессы производства»/ РГАСХМ - Ростов н/Д, 2007. - С. 262.

18. Нехорошков С.В Экспериментальные исследования температурного удлинения сборных токарных резцов / C.B. Нехорошков, Ю.С Дубров, Г.С. Николаева, // Вестник ДГТУ, 2007. Т.7. №4(35).

19. Нехорошков C.B. О влиянии коэффициента теплопроводности инструментального материала на усадку стружки / СВ. Нехорошков, Ю С Дубров, Г.С. Николаева, // Материалы междунар научн. -практ. конф. 26 - 29 марта 2008 г. Рост. гос. акад. с. -х. машиностроения, Ростов н/Д, 2008 - С. 143-145

В набор<? $.05. Ш печать «28 05, О 8 Объем 1,0 уел п л , 09 уел -изд л

Офсет. Формат 60X84/16 Бумага тип № 3 Заказ № с? 6$ Тираж 100._

Издательский центр ДГГУ

Адрес университета и полиграфического предприятия-344010, г Ростов - на - Дону, пл Гагарина, 1