автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение периода стойкости сборных резцов испарительным охлаждением при сухом резании

На правах рукописи

9 15-5/616 ¿¿у/

Дубров Дмитрий Юрьевич

ПОВЫШЕНИЕ ПЕРИОДА СТОЙКОСТИ СБОРНЫХ РЕЗЦОВ ИСПАРИТЕЛЬНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ ПРИ СУХОМ РЕЗАНИИ

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

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Брянск - 2015 г.

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Чукарин Александр Николаевич доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Основы проектирования машин» ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения»

Бабичев Анатолий Прокофьевич доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет»

Козлов Александр Михайлович доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»)

ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет им. П.А. Соловьева»

Защита состоится «23» сентября 2015 года в 16-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.037.04 на базе ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (ВГТУ), ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ), ФБГОУ ВПО «Брянский государственный технический университет» (БГТУ) по адресу: 241035, г. Брянск, ул. Харьковская, Д.10-Б, учебный корпус № 4, ауд. Б101.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет» и на сайте: http://www.tu-brvansk.ru/content/nauka/zacsh.

Автореферат разослан

-2/. О?. 26/^г.

Ученый секретарь У

диссертационного совета ДМ 212.037.04 / Кириллов О.Н.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Степень ее разработанности

Одной из важнейших задач современного машиностроения является поиск эффективных методов чистовой обработки различных труднообрабатываемых материалов, имеющих низкую теплопроводность, таких как титановые сплавы и высокомарганцовистые стали. Повышение эффективности обработки этих материалов с обеспечением требуемых параметров точности и качества обрабатываемых деталей возможно лишь при условии создания режущих инструментов, обеспечивающих заданную надежность и регламентированный период стойкости.

При точении низкотеплопроводных материалов существенно возрастает доля теплоты, поступающей в режущий клин инструмента, что приводит к повышению поверхностной и объемной температур в контактной зоне резания и способствует увеличению износа режущего инструмента. Существующие традиционные методы снижения этих температур за счет применения смазывающе-охлаждающих технологических средств (СОТС) не всегда оказываются достаточно эффективными и не соответствуют современным требованиям, увеличивая при этом стоимость операций за счет издержек по разработке и эксплуатации систем подачи СОТС, себестоимости и затрат по их переработке и утилизации. Кроме того, использование СОТС наносит большой экологический ущерб окружающей среде, вызывает патологические изменения в организме человека (депрессия нервной системы, токсическое и канцерогенное воздействие). Поэтому в мировой практике металлообработки возникает вопрос, связанный с отказом от применения СОТС и переходом на «сухое» резание, при котором актуальной остается проблема снижения температуры инструмента. Одним из способов нетрадиционного охлаждения является поглощение тепла за счет изменения агрегатного состояния вещества (испарительное охлаждение открытого и закрытого типов, использование легкоплавких веществ), основанное на применении фазовых переходов первого рода. Опыт охлаждения с помощью фазовых переходов первого рода в других технических областях позволяет сделать вывод о возможности применения таких подходов к охлаждению сборных режущих инструментов. На основе анализа литературных данных установлено, что способы снижения температуры резания изменением агрегатного состояния вещества при испарительном охлаждении применительно к задачам обработки конструкционных материалов в настоящее время исследованы недостаточно. В связи с этим охлаждение сборных резцов, оснащенных сменными многогранными пластинами (СМП), с использованием эффекта

э

испарительного охлаждения при сухом резании труднообрабатываемых материалов является актуальной научно-технической задачей.

Работа выполнялась в соответствии с федеральной целевой программой «Национальная технологическая база» на 2007-2011 годы и подпрограммой «Развитие отечественного станкостроения и инструментальной промышленности» на 2011-2016 годы. (Постановление Правительства РФ №54 от 29.01. 2007 г., Постановление Правительства РФ № 328 от 15.04.2014 г.)

Цель диссертационной работы - повышение износостойкости сборных резцов при чистовой обработке труднообрабатываемых материалов при сухом резании за счет использования экологически безопасных систем, основанных на эффекте испарительного охлаждения.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1.Обосновать и разработать новые способы охлаждения сборных режущих инструментов при сухом резании.

2. Провести исследования эффективности и целесообразности применения испарительного охлаждения открытого типа, а также испарительного охлаждения закрытого типа при помощи тепловых труб (ТТ) для сборных режущих инструментов на режимах чистового точения.

3. Па основании теоретического анализа разработать принципиальную схему комплексной системы охлаждения (КСО), включающую в себя рабочее плавящееся вещество, находящееся в состоянии фазового перехода первого рода в течение выполняемой технологической операции.

4. Определить условия работоспособности предлагаемой КСО.5. Разработать конструкцию сборного резца с использованием КСО и определить эффективность влияния КСО на технологические параметры (период стойкости, размерную стойкость и шероховатость поверхности).

6. Выполнить опытно-промышленную проверку эффективности резцов новой конструкции, обосновать область применения и целесообразность внедрения их в производство.

Научная новизна работы 1. На основании полученной теоретической зависимости расхода хладагента от скорости резания разработан метод испарительного охлаждения открытого типа, заключающийся в использовании эффекта испарения хладагента при транспорти-

ровке жидкости через пористые элементы конструкции в область, примыкающую к высокотемпературной зоне резца.

2. Сформулированы теоретические условия работоспособности предлагаемой КСО, функционирующей за счет плавления рабочего вещества, длительность времени расплава которого обеспечивается торможением процесса плавления тепловой трубой. Эти условия представляют собой сформулированные ограничения как координатной зависимости границы раздела фаз от времени работы, так и скорости ее перемещения.

3. На основе решения задачи Стефана, учета разнонаправленных тепловых потоков и сформулированных условий работоспособности КСО разработана математическая модель, позволяющая определить время стабильной работы системы охлаждения в зависимости от характеристик, количества рабочего вещества и режимов резания.

Теоретическая и практическая значимость

1. Теоретически обоснована, разработана, изготовлена и испытана комплексная система охлаждения (КСО), функционирующая за счет плавления легкоплавкого вещества, длительность времени расплава которого обеспечивается за счет торможения процесса плавления при помощи тепловой трубы.

2. Разработаны и изготовлены конструкции сборных резцов, оснащенных автономными комплексными системами охлаждения (патент РФ № 99363 от 13 июля 2010 г. и патент РФ №111787 от 28 июля 2011 г), обеспечивающие повышение стойкости режущего инструмента и снижение производственных затрат при резании труднообрабатываемых материалов на режимах чистового точения при сухом резании.

3. Экспериментально определена эффективность резцов с КСО. При сухом резании титанового сплава ВТЗ-1 и стали 110Г13Л обеспечивается повышение износостойкости от 1,9 до 2,3 раз, размерной стойкости до 2,5 раз и понижение шероховатости до 45% на режимах чистового точения.

Методы исследований

В работе использованы основные положения теории изнашивания инструментальных твердых сплавов, теории теплофизических процессов в технологических системах механической лезвийной обработки, классические методы исследования технологических показателей на чистовых режимах резания, корреляционный анализ, а также статистические методы оценки достоверности полученных

данных в процессе применения спроектированных и изготовленных конструкций резцов с новыми системами охлаждения.

Исследования проведены в лабораториях, оснащенных современными приборами и оборудованием, предназначенными для регистрации, вычисления и обработки экспериментальных данных. Стабильность режущих свойств СМП обеспечивалась путем их отбора по термоэлектрическим свойствам. На защиту выносятся следующие положения:

1. Данные экспериментальных исследований, позволяющие сделать вывод о возможности использования испарительного охлаждения открытого и закрытого типов, повышающих стойкость режущего инструмента от 1,8 до 2-х раз при сухом резании.

2. Результаты теоретических исследований, позволяющие обосновать применение предлагаемой КСО при сухом резании. Получена зависимость для времени полного расплавления рабочего вещества, учитывающая тип вещества и условия резания.

3. Новые технические решения по оснащению сборных резцов с СМП автономными системами охлаждения на основе испарительного охлаждения.

4. Метод охлаждения сборных режущих инструментов, основанный на совместном использовании плавящихся рабочих веществ и тепловых труб, при котором достигается повышение периода стойкости резцов до 2-2,3 раз при резании труднообрабатываемых низкотеплопроводных материалов.

5. Результаты опытно-промышленной проверки предлагаемых способов охлаждения сборных резцов с использованием фазовых переходов первого рода при резании труднообрабатываемых материалов.

Реализация результатов

Результаты исследований испытаны и внедрены на предприятиях: ОАО судостроительный судоремонтный завод «Мидель», ОАО "Гранит", РВД Морозов-ская ОП ООО «Колеса РЖД».

Достоверность результатов

Достоверность приведенных в работе результатов обеспечена строгостью использования математического аппарата, применением современной методики испытаний, а также необходимых современных приборов и оборудования. Стабилизация температуры резания, полученная за счет эффектов фазовых переходов, подтверждена экспериментальными данными при обработке труднообрабатываемых материалов.

Апробация работы

Диссертационная работа отражает результаты научных исследований, проводимых с 2007 по 201S год. Её основные научные положения докладывались на 9 научно-технических конференциях: 5-й Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (СПб, 2008); XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Саратов, 2008); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии - 2008» (МАТИ, г. Москва, 2008); Proceedings of the YII Minsk International Seminar. NIS Scientific Association «Heat Pipes» National Academy of Sciences of Belarus Luikov Heat & Mass Transfer Institute Belarusian National Technical University. - Minsk, 2008; Международной научно-практической конференции «Наука и производство - 2009» (г. Брянск, 2009); XXII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Псков, 2009); Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт - 2010» (г. Ростов-на-Дону, 2010);Ш Международной научно-технической конференции (III Резников-ские чтения) «Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства» (г.Тольятги, 2011 ); 2-й Международной конференции «Heat pipes for space application» (г. Москва, 2014).

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Область диссертационного исследования включает рассмотрение процесса повышения эффективности обработки сборными резцами с использованием испарительного охлаждения при сухом резании. Указанная область исследований соответствует формуле специальности 05.02.07 -Технология и оборудование механической и физико-технической обработки (технические науки), а именно: п.2 - теоретические основы, моделирование и методы экспериментального исследования процессов механической и физико-технической обработки, включая процессы комбинированной обработки с наложением различных физических и химических воздействий;

п.4 - создание, включая исследование, проектирование, расчеты и оптимизацию, параметров инструмента и других компонентов оборудования, обеспечивающих технически и экономически эффективные процессы обработки.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 работа за рубежом,

получены 2 патента РФ. Общий объем работ составляет 13,8 п. л., в том числе доля соискателя 9,9 п. л.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 153 наименований и 3 приложений. Основная часть работы изложена на 152 страницах машинописного текста и содержит 107 рисунков, 8 таблиц.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность, значимость выбранной темы диссертации, ее научное и практическое значение, сформулированы цель и задачи исследований.

В первой главе проведен анализ работ, посвященных факторам, влияющим на выходные показатели процесса резания. Отмечен значительный вклад выдающихся ученых, таких как A.A. Аваков, В.И. Аверченков, А.П. Бабичев, В.Ф. Безъязычный, В.Ф. Бобров, А.И. Болдырев, С.А. Васин, A.C. Верещака, A.M. Вульф, О.И. Горленко, Г.И. Грановский, В.Г. Грановский, С.Н. Григорьев, О.И. Драчев, B.JI. Заковоротный, Ю.Г. Кабалдин, В.М. Ким, A.B. Киричек, М.Н. Клушин, A.M. Козлов, Н.С. Колев, В.И. Колесников, М.Н. Ларин, Т.Н. Лоладзе, М.П. Левицкий, А.Д. Макаров, В.И. Малышев, В.А. Остафьев, A.B. Панкин, С.И. Петрушин, В.Н. Подураев, М.Ф. Полетика, Ю.Н. Полянчиков, А.Л. Плотников, H.H. Рыкалин, Н.И. Резников, А.Н. Резников, A.A. Рыжкин, С.С. Силин, В.А. Синопальников, В.К. Старков, В .П. Смоленцев, В.Н. Старов, А.Г. Суслов, Н.В. Талантов, С.Я. Хлудов, А.Н. Чукарин, Э.И. Фельдштейн, П.И. Ящерицын, и др. Анализируя литературные данные, можно сделать вывод, что основными факторами, влияющими на обработку резанием, являются теплофизические процессы, для регулирования которых в зоне обработки используются различные способы охлаждения. Изучение опыта испарительного охлаждения в других технических областях позволило сформулировать цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассматривается испарительное охлаждение сборных резцов открытого типа. Основная идея этого метода в отличие от ранее применяющегося способа тонкораспыленного охлаждения заключается в том, что жидкость, подаваемая в зону резания, не проникает непосредственно в контактные высокотемпературные зоны нагрева и не выполняет функцию эффективного теплоотвода традиционными способами - теплопередачей и конвекцией. Она испаряется, происходит эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода - теплота испарения, расходуемая на преодоление сцепления молекул в

жидкой фазе. Испаряющаяся жидкость расходует часть своей энергии, что приводит к эффективному теплоотводу. Проведены расчеты . зависимости расхода хладагента от скорости резания при транспортировке жидкости через пористые элементы конструкции в область, примыкающую к высокотемпературной зоне резца, что позволило изменить стандартные конструкции державок резцов и СМП путем применения пористых материалов, транспортирующих испаряющуюся жидкость как можно ближе к высокотемпературной зоне резца. Охлаждение основывается на испарении воды с антикоррозионной добавкой, выбранной в качестве хладагента исходя из экологической безопасности, стоимости и температуры парообразования (рис. 1).

Рис. 1 - Резец с пористой пластиной. 1- державка; 2 - емкость для воды; 3 - трубка; 4- ' опорная пластина с пористой вставкой; 5-пористый палец; 6- СМП с пористой вставкой

Вода через пористую структуру капельным способом поступает либо на нижнюю опорную поверхность режущей пластины, либо через пористый штифт на переднюю поверхность. Экспериментальные исследования системы охлаждения открытого типа проводились при обработке стали 110Г13Л и титанового сплава ВТЗ-1 на режимах чистового точения на станке с ЧПУ 16К20ФЗ. Использовались четырехгранные СМП ВК6, отобранные по эквивалентным ТЭДС-характеристикам. Для качественной оценки топографии износа СМП в работе применялся цифровой микроскоп модели WEBBERS G50S, а для количественной оценки - микроскоп БМИ-1Ц. Данная методика использовалась и во всех дальнейших экспериментах. На рис. 2 представлена зависимость "T-V" при обработке стали 110 Г13Л в диапазоне скоростей 40.. .60 м/мин.

.№ 40 50 АО 70 МО МО

Рис. 2 - Зависимость периода стойкости резцов от скорости резания (И 0Г13Л-ВК6;Г=0,5мм;л=0,1мм/об); 1-стандартный резец; 2-резец с пористым охлаждением

Таким образом, разработанные и изготовленные опытные конструкции модернизированных стандартных сборных резцов, использующие скрытую теплоту парообразования в процессе фазового перехода первого рода, позволяют повысить стойкость режущего инструмента до 1,9... 2,0 раз на режимах чистового точения в диапазоне скоростей 40...60 м/мин при сухом резании.

В третьей главе рассмотрено испарительное охлаждение закрытого типа с помощью тепловой трубы (ТТ). В работе создан ряд конструкций сборных резцов, не требующих значительных изменений стандартного сборного резца. Для определения влияния системы испарительного охлаждения закрытого типа на износ СМП были проведены сравнительные эксперименты по обработке стали 110Г13Л и титанового сплава ВТЗ-1 резцами ВК6 на режимах чистового точения в диапазоне скоростей 30...60 м/мин (рис. За и 36).

а)

N

\

ч

V

* 1

-а «

V л-

\

Й71ИМ1М

б)

Рис. З-Зависимость периода стойкости резцов от скорости резания; (1-стандартный резец; 2-резец с ТТ; /=0,5мм;*=0,1 мм/об); а)110ПЗЛ-ВК6;б)ВТЗ-1-ВК6

На рис. 4 приведены фотографии износа резцов при обработке стали 110Г13Л- ВК6 с охлаждением тепловой трубой и без нее.

Рис. 4 - Износ СМП по задней и передней поверхностям (110Г13Л - ВК6; /=0,5 мм; 5=0,1 мм/об; г=44 м/мин; 1} =19,6 мин), а) и в) - износ стандартного резца ; б) и г) - износ резца сТТ

На фотографиях наглядно видно различие в характере износа. Полученные результаты показывают, что стойкость резцов, оснащенных ТТ, в 1,8...2,0 раза выше чем у стандартных резцов.

В четвертой главе представлены результаты исследований комплексной системы охлаждения (КСО) сборных резцов, сочетающей различные способы влияния на тепловые процессы. КСО основана на теплоотводе за счет поглощения скрытой теплоты плавления рабочего вещества (сплава Розе) с температурой плавления 96°С, расположенного внутри державки, и осуществления требуемого теплового режима с помощью ТТ. Основной проблемой является поддержание обратимости процесса, т.е. необходимость содержать рабочее вещество в как можно более продолжительном по времени состоянии фазового перехода. Идеальный процесс, происходящий при плавлении и затвердевании, можно представить следующим образом. При обработке резанием выделяется энергия, и происходит повышение температуры легкоплавкого рабочего вещества. При достижении точки плавления легкоплавкое вещество начинает плавиться, переходя в жидкую фазу. При этом поглощается количество теплоты, соответствующее теплоте плавления рабочего вещества Температура на границе "державка - рабочее вещество" не будет возрастать по сравнению с температурой плавления вещества, пока существуют жидкая и твердая фазы. Таким образом, можно говорить о возможности продолжительной температурной стабилизации, что должно привести к повыше-

нию эффективности режущего инструмента. Общая тепловая схема КСО представлена на рис. 5.

Рис. 5 - Общая тепловая схема КСО (1-жидкая фаза;2-граница раздела фаз; 3-твердаяфаза рабочего вещества; ^р,, .удельный тепловой поток, поступающий в резец ; -количество теплоты, соответствующее холодопроизводителыюсти тепловой тру-бы;£- координата границы раздела фаз; размер полости с рабочим веществом)

На схеме показана секция (полость в державке резца), внутри которой размещено легкоплавкое вещество, находящееся в состоянии фазового перехода первого рода с границей раздела фаз. Подвод тепла к полости с легкоплавким веществом осуществляется за счет совершаемой работы резания. Отток тепла происходит при помощи ТТ. Величина удельного теплового потока соответствует холодопроизводителыюсти тепловой трубы. Проблема сопряжения температурных полей в контактирующих фазах с граничными условиями по перемещающейся поверхности раздела является «задачей Стефана». Очевидно, что для поддержания рабочего вещества в состоянии как можно более длительного фазового перехода (по крайней мере, в течение основного времени операции) необходимо, чтобы положение границы раздела фаз и скорость ее перемещения удовлетворяло условиям:

в:: <•>

С2)

Выражения (1-2) являются условиями работоспособности предлагаемой КСО. Таким образом, КСО может выглядеть как система, являющаяся частью сборного резца и совмещающая в себе следующие блоки: полую державку, выполняющую роль контейнера с легкоплавким рабочим веществом и ТТ, зона испарения которой погружена в легкоплавкую среду. Мощность ТТ может быть оценена, исходя из основного времени операции. Для получения зависимостей, ис-

пользуемых на практике, допускаем следующие ограничения для одномерной модели:

- температуры расплава Тж и твердого вещества Тт зависят от одной координаты;

- в модели не учитывается теплообмен боковых стенок с рабочим веществом;

- температурный диапазон фазового перехода считаем малой величиной по сравнению с температурами плавления и кристаллизации, принимаемыми постоянными;

- значение температуры на границе раздела фаз соответствует устойчивому сосуществованию твердой и жидкой фаз. Для расплавленной части рабочего вещества

ar^j^a^ 0<х<

ат с„Рж ах1 1

тт х агт(х,т) Хг дгТТ(к,т) ,

Для нерасплавленной части ——— = ——, ( < х < L , т > 0;

где с*, рж, Cm Рт. > К, Т„ Тт — теплоёмкость, плотность, теплопроводность, температура соответственно жидкой и твёрдой фаз.

Начальные условия при т=0: TJx, 0)=ГфП (температура фазового перехода);

Гт (х,Оу=Т0 (температура среды) (3)

Граничныеусловия: Г^О.т^Г«,»; Т^ т ) =7^"^-q; Т^ {, т ) = Гфп, (4) где q - постоянная величина обусловленная теплоотводящими характеристиками тепловой трубы q™ приведенными к величине а?= , i= ; Т0< Тф„ <Т/>чак Решение находим в виде функции ошибок Тж(х,т)=А,+В, trf С^==); (5)

Tr (*,т)= (U - x)erfc(^) - J^ exp(—) ; (6)

Используя граничные условия л,+В, erf(0)=A,\

(0-1)=-/»!; Таким образом, А,= Гкр-; Bf=~q; (7)

Тогда с учетом определенных констант на границе раздела фаз :

Гт = А, - , ((I- О erfc(^) - ^ ехр(- ^)) -Тф. В результате получим

^-BH-erfc^J^expe^i-^expe^^ -^(^expC-^i-erfc^)); Л,-Гф. + , ((L - f) erf c(g=) - P exp(- ig£)); (8)

Для определения <f используем условие Стефана

2L

-Г- lf-0-*T e I i+o

дх

т фп~тдярж

■Рт'

ах

которое примет вид

С" 'Г" +

При f = Z (рабочее тело-жидкость) не выполняется условие работоспособности (1).

ехЫ

Тфп-Тдерж_ 4ажг

Jl

. = rd£ fi/(l/(2ja„r) РгГ dz

(9)

ний

Учитывая, что условие (2) также перестало выполняться, после преобразова-получаем выражение для времени полного расплавления рабочего вещества

£

(10)

г = -

6 а.

1 —

Яж(Тфп-Тдерж)

Для оценки возможности применения серийных тепловых труб было проведено компьютерное моделирование в среде Solid Works. Результаты моделирования показывают, что значения температуры при чистовом точении (/=0,5мм, s =0,1 мм/об, v=60 м/мин) под опорной плоскостью режущей пластины достигают значений порядка 200 °С для стандартного резца. Если взять длительность основного времени равным 10-15 минутам, мощность ТТ составит в этом случае 200300 Ватт, что соответствует характеристикам стандартных устройств. Таким образом, КСО, являющаяся частью сборного резца, совмещает в себе следующие блоки: а) полая державка сборного резца, выполняющая роль контейнера с одним или несколькими легкоплавкими рабочими веществами; б)одна или несколько ТТ, интенсифицирующих охлаждение рабочих веществ. Были измерены значения температур по длине державки резца (рис. 6).

Рехцс

ф* ЕЗ п" ф*

п □ ЕЗ

ф* ф* ф'

Вт тдШащхС

Рис. 6-Схема измерения температуры в различных точках державки резца (термопары 1 -6)

На графиках (рис. 7а, б) приведены значения температуры в различных точках державки сборного резца (в соответствии со схемой рис.6).

а) б)

Рис. 7-Зависимости температуры в различных точках державки от времени работы (110Г13Л-ВК6; /=0,5мм, л=0,1мм/об, у=60 м/мин); а) стандартная державка ; б) полость в державке заполнена сплавом Розе, установлена ТТ

Наиболее характерными являются кривые под № 1, характеризующие температуру под опорной поверхностью режущей пластины. Это максимальные температуры, зависящие от контактных температур на рабочих поверхностях резца.

Следует отметить следующие характерные особенности зафиксированных значений температур: а) при работе обычным резцом температура на нижней части опорной поверхности режущей пластины (кривая 1) по мере продолжения процесса резания возрастает, доходя до критической; б) при работе резцом с ТТ и с контейнером, заполненным сплавом Розе, кривая изменения температуры от начала процесса резания растет до определенного предела, а затем начинает снижаться и стабилизируется, что можно объяснить следующим: возрастание температуры на первом этапе резания связано с нагреванием резца до определенного значения. Далее тепловая энергия расходуется на образование жидкой фазы сплава Розе (фазовый переход первого рода). При этом не происходит дальнейшего роста температуры резца. Этот процесс температурной стабилизации происходит, пока в контейнере одновременно существуют две фазы рабочего вещества. Очевидна необходимость поддержания подобного рабочего состояния вещества в контейнере как можно дольше, что достигается с помощью применения ТТ, как охлаждающей системы для контейнера с рабочим веществом. Одновременно косвенным доказательством изменения тепловой обстановки в зоне резания при работе резцом с КСО может служить снижение температуры стружки на 100...110°С в течение 20 минут при обработке стали 110Г13Л на чистовых режимах, а также повышение коэффициента усадки. Были проведены сравнительные испытания при

15

обработке стали 110ПЗЛ и титанового сплава ВТЗ-1 резцами ВК 6 на чистовых режимах в диапазоне скоростей 30...60 м/мин. На рис..8а и 86 приведены стой-костные зависимости при обработке стали 110Г13Л и титанового сплава ВТЗ-1 соответственно.

а)

V

У

\

\ \

\ N V

\ V ч

\ V У /' у/ V

а* 25 .«135 «43

1155Ы1 У,и/шш

б)

\ \

V

Л

Рис. 8 - Зависимость периода стойкости резцов от скорости резания (¿=0,5 мм: 5=0,1 мм/об); 1-резец с КСО; 2- без охлаждения; а)110Г13Л-ВК6; б) ВТЗ-1-ВК6

На рис. 9...И представлены фотографии динамики износа по задней поверхности (110Г13Л-ВК6).

а) без охлаждения

б) с КСО

Рис. 9 - Фотографии износа резцов по задней поверхности

(110Г13Л-ВК6; /=0,5 мм; 5=0,1 мм/об; у=42 м/мин; Ъ=11мин)

а) без охлаждения

б) с КСО

Рис. 10 - Фотографии износа резцов по задней поверхности

(110Г13Л-ВК 6; /=0,5 мм; 5=0,1 мм/об; у=42 м/мин; Ъ=22мин)

а) без охлаждения б) с КСО

Рис. 11 - Фотографии износа резцов по задней поверхности

(110Г13Л-ВК 6; /=0,5 мм; 5=0,1 мм/об; у=42 м/мин; Т>=33мин) Анализ фотографий износа показывает, что при работе резцом без охлаждения по задней поверхности наблюдается катастрофический износ. Зависимости "Т-У" позволяют сделать вывод, что применение КСО повышает стойкость резцов в 2...2,3 раза. Аналогичные результаты были получены при исследовании размерной стойкости резцов с КСО, которая повышается в 2,5 раза с одновременным снижением высоты шероховатости на 45% (так при Ъ=40мин; /=0,5мм; 5=0,1 мм/об; у=30 м/мин шероховатость поверхности, обработанной стандартным резцом, составляет = 3, 814 мкм, а резцом с КСО-Ла = 2, 112 мкм).

В связи с тем, что износ режущего инструмента - случайный процесс, в работе проведены сравнительные статистические исследования распределения стойкости партии пластин в количестве 20 шт. (сравнивались периоды стойкости пластин без охлаждения и с использованием КСО). Результаты представлены в таблице 1. Таблица 1 - Статистические показатели процессов резания (вероятность 0,95)

Статистические показатели Резец без охлаждения КСО

Наличие грубых ошибок Нет Нет

Среднеарифметическое значение периода стойкости, мин 24,125 50,625

Среднеквадратичное отклонение (дисперсия) 5,396 3,950

Коэффициент вариации 0,22 0,078

Число интервалов т 6 6

Критерий Пирсона 0,2625 0,0719

Поле рассеяния, мин 21,0 16

Наиболее вероятное значение стойкости, мин 24,0 50,0

Расчет величины критерия Пирсона показывает соответствие эмпирических кривых закону нормального распределения (х2>0,05). Анализ полученных результатов подтверждает, что наиболее вероятное значение стойкости при использовании КСО в 2,1 раза превышает стойкость резца без охлаждения. При этом существенно повышается стабильность работы резцов, так как поле рассеяния для резцов без охлаждения в 1,3 раза больше, чем у резцов с КСО.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В диссертационной работе решена важная задача повышения периода стойкости сборных режущих инструментов при сухом резании новыми способами испарительного охлаждения, позволяющими обеспечить снижение общих затрат на производство.

2. Разработанные, изготовленные и испытанные новые конструкции сборных резцов с СМП, оснащенные системами испарительного охлаждения открытого и закрытого типа с ТТ. дают возможность при сухом резании (сталь 1 ЮГ 13Л) на режимах чистового точения (/ =0,5 мм, 5=0,1 мм/об) в диапазоне скоростей (/=40.. .60 м/мин повысить период стойкости инструмента до 2-х раз в случае использования системы испарительного охлаждения открытого типа, а в случае применения системы охлаждения закрытого типа (110Г13Л и ВТЗ-1) в диапазоне скоростей К=30...60 м/мин период стойкости инструмента повышается в 1,8...1,9 раз. Предлагаемые системы охлаждения могут быть рассмотрены как альтернатива традиционному применению дорогостоящих и постоянно расходуемых СОТС.

3. Разработана общая тепловая схема КСО сборных инструментов, основанная на поддержании легкоплавкого вещества в полости державки резца в длительном состоянии фазового перехода первого рода, сравнимого с основным временем выполняемой операции, позволяющая определить зависимости для времени расплавления рабочего вещества и координаты границы фазового раздела от времени нагрева в результате решения «задачи Стефана» в одномерном приближении.

4. Сформулированы условия работоспособности КСО, определяющие допустимый диапазон значений координат границы раздела фаз легкоплавкого вещества, а также скорость ее перемещения внутри полости в державке резца, позволяющие повысить эффективность предложенной системы охлаждения. При этом установлено, что положение координаты границы раздела фаз зависит от обрабатываемого и инструментального материалов, типа легкоплавкого вещества, режимов резания и факторов, влияющих на теплоотвод из области расположения рабочего вещества.

5. В качестве устройства, охлаждающего зону расположения рабочего вещества, предложено использовать стандартные тепловые трубы, что дает возможность ре-ализовывать разработанную конструкцию с минимальными затратами.

6. На основании разработанной тепловой схемы охлаждения и сформулированных условий ее работоспособности сконструирована и изготовлена новая конструкция сборного резца с КСО с совместным использованием плавящихся рабочих веществ и тепловых труб (патент РФ №99363 и патент РФ № 111787). Проведенная серия измерений распределения температуры по длине державки резца показала способность предлагаемого метода влиять на температуру под нижней опорной плоскостью режущей пластины, обеспечивая ее существенное снижение (от 70 до 100°С) и дальнейшую длительную температурную стабилизацию при применении резца с КСО. Это дает возможность влиять на производительность процесса резания на станках с ЧПУ, используя в качестве критерия при изменении скорости резания значения температурных кривых.

7. Использование КСО дает возможность повысить период стойкости сборных резцов при сухом резании при обработке низкотеплопроводных труднообрабатываемых материалов (стали 110Г13Л и титанового сплава ВТЗ-1) на режимах чистового точения (г=0,5мм, 5=0,1 мм/об) в диапазоне скоростей К=30...60 м/мин до 2...2,3 раза, а размерную стойкость до 2,5 раз, что обеспечивает снижение шероховатости обработанной поверхности до 45%.

8. Проведены опытно-промышленные испытания предлагаемых конструкций резцов в производственных условиях на ОАО «Гранит», в РВД Морозовское ОП ООО «Колеса РЖД», на ОАО судостроительном судоремонтном заводе «Мидель». Результаты испытаний показали повышение износостойкости от 2,2 до 2,7 раз с ожидаемым экономическим эффектом в ценах 2009 г. в расчете на один резец от 36 до 62 тыс. рублей. В технических актах испытаний и внедрений отмечено улучшение экологической обстановки на рабочих местах в связи с отказом от применения СОЖ.

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы Предложенный метод снижения температуры при сухом резании может быть применен в технологических системах других видов металлообработки (растачивание глубоких отверстий, развертывание, фрезерование и т.д.). Принципы действия разработанной КСО могут быть использованы при охлаждения подшипников шпиндельных узлов высокоточных многооперационных станков, а также тя-желонагруженнных фрикционных устройств.

4. ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях по перечню ВАК РФ

1. Дубров Д.Ю. Повышение эффективности процесса резания путём регулирования теплоотвода / Д.Ю. Дубров, A.C. Цыновкин II Известия ОрёлГТУ. - 2009. -№2-3/274(560). - С. 17-24.

2. Дубров Д.Ю. A.C. К вопросу о повышении износостойкости сборных резцов путем увеличения градиента температур /A.C. Цыновкин. Д.Ю. Дубров, Ю.С. Дубров//Фундвментальные и прикладные проблемы техники и технологии,- ГТУ Орел. 2010. № 2(280).-С.66-72.

3. Дубров Д.Ю. Экологически безопасная автономная система охлаждения сборных резцов на основе фазовых переходов первого рода/Д.Ю. Дубров, А.Н. Чукарин //Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения/РГУПС.-Ростов н/Д.2011 .-№2.-С.5-13. Публикации в других изданиях:

4. Дубров Д.Ю. Повышение экологической безопасности металлообработки / В.И. Гаршин, Д.Ю. Дубров, Ю.С. Дубров и др.//Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. Т. 12;сб.тр.пятой междунар. Науч.-практ. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности»,28-30 апреля -СПБ, 2008.-Т.4.-С.425-427.

5.Дубров Д.Ю. Транспирационное охлаждение режущих инструментов/Д.Ю. Дубров., В.И. Гаршин, Г.С. Николаева// Математические методы в технике и технологиях: сб. тр. XXI международной научной конференции / СГТУ. - Саратов: Изд-во СГТУ, 2008.-С.189-190.

6. Дубров Д.Ю. Определение температуры на контактной поверхности режущего инструмента дилатометрическим методом /C.B. Нехорошков, Д.Ю. Дубров, A.C. Цыновкин // Математические методы в технике и технологиях: сб. тр. XXI международная научная конференция / СГТУ. - Саратов: Изд-во СГТУ, 2008. .-Т.4.- С.219-220.

7.Dubrov Dmitry Y. On the issue heat pipes application in metal-working technological systems / Yuri S. Dubrov, Dmitry Y Dubrov, Galina S. Nikolaeva// Proceedings of the Y1I Minsk International Seminar. N1S Scientific Association «Heat Pipes» National Academy of Sciences of Belarus Luikov Heal & Mass Transfer Institute Belarusian National Technical University. - Minsk, 2008.-p.284-288. в.Дубров Д.Ю. К вопросу о применении тепловых труб при точении/Д.Ю Дубров, Ю.С. Дубров. Г.С. Николаева //Инновации в науке и обраэовании-2008: тр. YI юбилейной Международной научной конференции,21-23 октября КГТУ,- Калининград,2008.-Ч.2-С .238-241.

9. Дубров Д.Ю.Повышение эффективности механической обработки на основе применения тепловых труб в сборных реэиэх/Д.Ю. Дубров. Г.С. Николаева//Новые материалы и технологии НМТ-2008: материалы Всероссийской Научно-технической конференции,11-12 нояб./ РГТУ им. К.Э. Циолковского (МАТИ).- М..2008.-С.10-11.

10. Дубров Д.Ю. О некоторых особенностях пористого охлаждения сборных резцов. /Д.Ю. Дубров, Г.С. Николаева. Ю.С. Дубров//Труды всероссийской научно-практической конференции «Транспорт -2008», май / РГУПС,- Ростов на-Дону, 2008.-Ч. I. - С.241 -243.

11. Дубров Д.Ю. Управление тепловыми потоками в сборных резцах при помощи тепловых труб/ Д.Ю. Дубров, Г.С.Николаева // Математические методы в технике и технологиях: сб. тр. XXII международной научной конференции : СГТУ.-Псков: Иэд-во ППИ, 2009.-С.113-114.

12. Дубров Д.Ю. Повышение контактной теплопроводности в сборных резцах/ А.Н. Чукарин. Д.Ю. Дубров. И Труды всероссийской научно-практической конференции "Транспорт - 2009", апрель (РГУПС. - Ростов н/Д, 2009. - Ч. I. - С.329-331.

13. Дубров Д.Ю. Моделирование термического сопротивления в контактной зоне реэания / Д.Ю. Дубров // Труды всероссийской научно-практической конференции "Транспорт - 2010", апрель / РГУПС. - Ростов н/Д. 2010. - Ч.З. - С.10-12.

14. Патент РФ на полезную модель № 99363 «Режущий инструмент», В J1. Талонов, В.И. Гар-шин, Д.Ю. Дубров. Ю.С. Дубров, A.C. Цыновкин, Г.С. Николаева. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 20 ноября 2010г.

15. Патент РФ на полезную модель №111787 «Режущий инструмент», В J1. Гапонов, В.И. Гар-шин, Д.Ю. Дубров. Ю.С. Дубров, A.C. Цыновкин, Г.С. Николаева. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 27 декабря 2011 г.

16. Дубров Д.Ю. Комплексная система охлаждения сборных режущих инструментов. /Д.Ю. Дубров// Труды всероссийской научно-практической конференции «Транспорт -2011». май/РГУПС.-Ростов н/Д. - Ч.2.-С. 14-16.

17. Дубров Д.Ю. Комплексная система охлаждения режущих инструментов на основе фазовых переходов первого рода /Д.Ю. Дубров//Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства. Труды II) Международной научно-технической конференции (Реэниковские чтения) / ТГУ.- Тольятти,2011 .-С.35-38.

18. Дубров Д.Ю. Повышение эффективности обработки резанием. Коллективная монография. /С.И. Брусов, Г.И. Добровольский. Д.Ю. Дубров и др. Под ред. A.B. Киричека -М.: Издательский дом «Спектр». 20I2.-C. 134 - 177.

19. Dubrov Dmitry Y. The use of cutters with two-phase cooling devices in the processing of titanium alloys /Yuri S. Dubrov, Dmitry Y. Dubrov // Second International conference «Heat pipes for space application» 15-19 September 2014 Moscow, Russia {Электронный ресурс www.heatpipe.ru}.

Подписано в печать 12.07. 2015.

Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ.л. 1,16. Тираж 100. Заказ № 8023

Ростовский государственный университет путей сообщения.

Редакционно-издательский центр ФГБОУ ВПО РГУПС

Адрес университета: 344038, г. Ростов н/Д, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2

1 5 - " 8 9 5 5

2015674526

2015674526