автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение производительности и качества отрезки проката черных и цветных металлов, выполняемой дисковым сегментным инструментом на круглопильном оборудовании



Московский институт приборостпоашш

51а правах рукописи

и.

I

Молькоп Валеэ'ш Николаевич

Повышение производительности и качества отрозки проката черных и цветных металлов, выполняемой дисковым сегментным инструментам на круглопильном оборудовании

Специальность 05.02.0£ - Технология машиностроения

Атггореферат диссертации на соискание учено;! степени кандидата тсу.тчссхнх пар:

?.!ссква - 1993 г.

Работа выполнена в Московском институте приборостроения.

Научный руководитель- кандидат технических наук, доцент ВАЛСомаров

Официальные оппоненты-доктор технических наук,

про<| сссор Н.М.Султан-Заде,

кандидат технических наук, с.н.с. В.Н.Сндякни Ведущее предприятие - . п.о. "Муромтеплозавод"

Защита диссертации состоится " " ¿-г£раА м 199 ^_г,

,лоО

п 10, часов на заседании специализированного совета K063.93.0J. в Московском институте приборостроения по адресу. 107846, Москва, ул. Стромынка, 20

Автореферат разослан " (С " _"199_1_г,

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент : Дальская А.П.

■■ О&таая характеристика раб^тьу ■•'

Дктуалмтость проблемы. В настоящее время решение проблемы дальнейшего повышения эффективности производства в большей . степени сдержиметс.т уровнем развития Технологии заготовительных операций, выполняемых лезвийным инструментом, поскольку данный процесс получения мерных заготовак из проката не претерпел существенных' изменений, несмотря па его доминирующее распространение з производстве машин, как иг имеющего альтернативны« по обеспечению хачестзз обработанных поверхностей.

Среди всех известных 'м-.-гсдов механической резки, заготочок, способ распиловки на кругяопильном оборудовании, выполняемый дисковым сегментным инструментом, по распространенности на машиностроительных заподах преобладает. Использование оборудования для распиловки ленточным инструментом несмотря на наивысшие показатели по., производительности несоизмеримо меньше по причине универсальности круглолильной операции, простоты станка и инструмента и, что особенно важно для производства, простотой переналт^ки оснастки, позволяющей практически не иметь'простоев оборудования,.

Все это, а так же низкая себестоимость отрезных операций, выполняемых нч круглошшыгом оборудовании, дглает задачу дальнейшего повышения производительности и качесоза отрезных операций, выполняемых дисковым сегментным инструментом,- актуальной. Понта полное отсутствие работ по дальнейшему повышению производительности и качества круглопильных операций ставит исследоранне, напраатенное на поиск решений, связанных с. резким повышением производительностц я качества разрезки на круглопильном оборудовании В число наиболее вмых, имеющих большую практическую ценность. ..

- Цель и основные залзчи исследования. Цель диссертационной работы состояла в повышении производительностч и качества отрезных операций, выполняемых дисковым сегметным инструментом иа. круглопильных станках за счет определения оптимальных по стойкости инструментального материатз режимов резания, с зависимости от конструкторско- технологичесг.их фг.кторов процесса, характеризующих точность л техническое состояние рабочих органов ста1:ка и чнетрумента.

Для доепшетя пост&чтзтгай цели решались следующие задачи:

X. Осущестсленяе зкеперн'/.ентальногд подтверждения гипотезы об импульсном, высокочастотном характере разрушения при регЕнин металлов.

- 2. Аналитнческаяоцеякатармоиагружения ииструмеиталыюгоматериала в зоне стружкообразования.'

3. Проведение опытно- статистического' анализа вида ■ и причин ■ Износа диЛоео^о сегментного инструмента. ■

4. Анализ существующих кинематических схем • разрезки проката. >•' прогнозирование шероховатости обработанной поверхности. .

5. Исследование влияния коиструкторско- технологических факторов на . . износостойкость дискового сегментного йнструмента.

6. Разработку рекомендаций по модернизации оборудования и инструмента.

7. Оценка экономическом эффективности разработанных рекомендаций.

Научная новизна. В результате проведния комплексного исследования впервые

экспериментально подтвержден импульсный высокочастотный характер разрушения металлов при резаиии, на ¿сновании которого выявлен более широкий круг факторов, . влияющих иа выбор оптимальных режимов резания, определяемых по стойкости инструментального мтериала Установлено, что сгойксть инструмента не изменяется или . растет с.ростом диаметра инструмента, при одновременном росте оптимальной скорости -резания Впервые получены новые закономерности, позволяющие, выбирать достаточно точно оптимальные- режимы ' резания, - существенно увеличивающие стойкость . инструмента и производительность разрезки при' Повышении качества среза . на операциях, выполняемых дисковым сегментным инструментом Установлены новые' - математические . связи, позволяющие в зависимости от качественного состояния . конструктивных параметров ' инструмента и исполнительных органов станка, о'предляющих стабильность схемы срезания слоев металла, управлять характером износа. ' . Впервые установлено, что при постоянстве периода стойкости инструмента, мархи обрабатываемого материала, скорость резания и минутная подача могут быть любыми по величине и: их рост связан с ростом диаметра инструмента и качеством выполнения геометрии режущего зуба,, а также степенью стабильности воспроизведения подачи рабочими органами стайка •.

Практическая ценность работы определяется . возможностью ' широкого использования разработанных зависимостей и' конструкторе ко- технологических . рекомендаций для эффективного применения на операциях разрезки проката черных л •• цветных металлов, выполняемых на круглопклыюм оборудовании дисковым сегментным инструментом.. Полученные зависимости влияния комплекса . конструкторско-. технологических факторов на {износостойкость инструмента позволяют по новому взглянуть на технологическую практику назначения режимов обработки без учета реального состояния оборудования,. инструмента и получить необходимое качество обработанной поверхности без традиционн подрезки торца на токарном станке.'

= -5

Практическая ценность полученных в ргГхгс рехомскщи'ий И ЪкгЬсдст; подтверждается высоким экономическим эффектом, погл че*шом п резу льтате внедрения на п/о Муроммашзавод модернизированного сспасн'- этим рсксмсидацрям счжп. модели 8Г663, который составил 389 тыс.руб.

Апробация работы. Основные результаты работы докяадымлись п обсуждались на 3 Республиканском семинар.-. "Динамическая прочно-.тъ ' н трещиностол'.сость конструкционных материалов при однократном импульсном ча.'руженлн", пробелен;;-im Институтом проблем прочности АН УССР в г. Киеве в 19911., на Дне чевой техники л передового . опыта, который состоялся в Московском Дсмс иаучно- технической, пропаганды им. Дзержинска:о в сектлбре 1991 г. и на Свердловской конференции "Выбор конструкций и режимов резания при эксплуатации прогрессивного инструмента", которая состоялась в октябре 1991 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 4 печатные работы, получено 2 авторских свидетельства и положительное решение на выдачу 2-х авторских свидетельств.

Обнем пзбэтм. Дгссс:т£.::',:я изложена на 11:0 страницах машинописного текста; состоит из введения, шести глав, общего заключения, выводов и списка литературы, включающего 85 наименований, содержит 6 таблиц, 32 рисунка и фотографии.

Сэлештсаште диссертации

В главе 1 приведен анализ заготовк 'ельных операций, выпопн.темых лезвийным инструментом. Обосновывается правильность выбранной цели исследования, которая базируется ira состоянии уровня научного познания .явлении, определяющих износ .инструментов, работающих по схеме трехстороннего резания. Анализ нормативных данных по выбору оптимальных по критерию износ?. режимол резания на операциях, выполняемых дисковым сегментным имструмечгом, работающим по схеме трехстороннего резания, показал, что:

а) фрезы прорезные, изготовленные из быстрорежущего материала, позволяют осуществить разрезку тонкого Проката г.а фрезерном оборудовании, нз режимах существенно превышающих аналогичные для такого же по матсриалу"иьстр)-мента, но на другом оборудовании- круглоштльчых полуавтоматах Минского станкозгиода или фирм Vagner, Heller, ФРГ. ' -

б). рекомендации по ЕЫбсру оптимальных по стойкости ржимол резания практически для одинакового инструмента, реализующего абсолютно идентичную гхему стружкообргзования, но на разном оС-орудевгнии не сопоставимы, причем прнчнны несоответствия рекомендаций не нашл;г какого- либо научного объяснения.

Анализ последних работ в области оцекки износостойкости pexqiat'.x элементов инструмента позволяет 9аключ1лъ, «гго даже на простейших операии"*., реализующих элементарные схемы свободного кссо;толь:юГо резания, износ опрелопот не только

режим 1.1 резания, но и конструкторско-технологические параметры реализуемой схемы резания. ' ■ ..'•:-..'. ...

Работы ряда авторов, обнаруживают серьезные отличия о предстаглениа ' характера стружкообразования со сложившимися традиционно.

В райотах КомароваВ-А-непосредственно выдвинута гипотеза об импульсное высокочастотном характере резания, из которой следует, что энергетическое нагружет« режущего элемента'в зоне резания нестабильно. Как сила резания ' так и работа.

. улругоплчстической деформации материала до разрушения Л^ изменяются по величине

.с высокой частотой и могут принимать нулевые значения.. Это ставит под сомнение справедливость сложившихся представлений.о термоэнергстаческом иагружении режущих элементов, определяющем износ. Представляется целесообразным пересмотреть явления сиязаниыс с определением условий обработки и режимов резания' в зависимости от характера протекании износа. Далее,' на основании изложенного, формулируется цель и задача исследования.. •' ..'.-... . "

В главе 2 диссертационной работь! изложено экспериментальное подтверждение - п.-потезы об, импульсном высокочастотном характере разрушения металлов гтрь резании, • катьрьге позволяютпоиному посмотреть на Действующую технологическую нормативную Оазу операции отрезки: Подтверждение полученных расчетных« путем положений об изменяющейся во времени с высокой частотой силы резания вследствие образования на плоскостях сдиига металла жидкой фазы проводилось вЗ этапа. '•'•

, На первом1 этапе с помощью оригинального устройства мгновенного останова резания установлена адекватность реального механизма образования сегмента. стружки, принятому .к расчёту указанной гипотезы.

"... На втором этане вследстпии принципиальных технических трудностей по измерению оу1Ы столь ■ высокой частоты -зафиксировано. с помощью комплекса аппаратуры зависимость изменения частоты. образования сколов элементов стружки, от . скорости • . резания . V. Экспериментально полученная* параболическая зависимость указывает на справедливость приведенной в работах ВАКомарова формулы: .

V иУ- А/ \ 3 (-1-2^) ) .

где. К- предел несходящегося ряда, характеризующего приращение тепловой энергии в зоне деформации, согласно первого начала термодинамики (рассчитывается на ЭВМ);

1(3- теплопроводность обрабатываемого материала (м^/сек); ■ СГ{> ~ ("/ -/,35^) - разрушающее значение '. напряжения в материале;

■ . - Коэффициент относительного сужения; '■'..•,

чГь - предел прочности ( На); ' • ^/Ц ' •-коэффициент Пуассона; В - модуль упругости ( Па ).

На третьем этапе проведено металлографическое чсслсдоггагге, отг>,<;? показало существование на плоскостях сдвига локализованной хядчсй фазы металла, чте указывает ■ на справедливость расчгтоз' энергии одного имяу'я.са, достата««гсй дяс подплава ферритиой матрицы металла.

Проведенное подтверждение позволило получить решение уравнения Томпосна (Кельвина) для определения температуры на контакте инструмент- детмцТдг исто^аг энергии принят импульсным, высокочастотным.

Анализ полученного.уравнения и его графическая интерпретация позволяют сделать вьгаод, что температур' поверхности контакта инструмента я детали, будучи основной причиной износа инструмента, не зависит от ширины рез.% а на нее влияет траектория движения инструмента или его диаметр, физико- механического и тепло-физические свойства обрабатываемого материала и фактическое значение среза. На Рис.1 приведен график зависимости температуры на поверхности контакт! инструмент- деталь от скорости резания при различном диаметре инструмента и сечении среза.__

Т'кс. 1

График зависимости температуры на поверхности контакта инструмент - деталь от скорости резаннА В главе 3 проведен опытно- статистический г:!":п износа д!;ссе':г-сегментного инструмента под углом зргнкя второй г-лп«.». Устяк-ззденз высохая Степана

неравномерности износа инструмента по его диаметру, которая выражается в одновременном присутствии на режущем диске режущих зубьев с износом по задней грани =0,1 мм. и Ь3= 1,2 мм. Обмер отобранных стружек, осевых и радиальных биений,

оценка средней *емпературы зоны резания по цветам побежалости указывает и; различный температурный режим групп зубьев инструмента и неуправляемое протекание износа дискового сегментного инструмента. Сечение среза (или стружки) колеблет« в большом диапазоне и не соответствует технологически- расчетному. Проведенный эксперимент-по измерению равномерности хода пильной бабки по направляющим позволил получить график и циклограмму, иллюстрирующие причины неравномерного изиса' инструмента.

Условные обозначения: ' - время работы без снятия металла; - время работы со снятием металла

Рис. 2.

Опытная усредненная цикорграмма работы дискового сегментного инструмента на станке

с гидроприводом.

Рис.3

График изменения мгновенного значения ггодачи во времени.

На основании проведенных исследований можно заключить, что ¡ц,п реализации схемы трехстороннего резания на круглопильных полуавтоматах с гидроприподом управлние фактическим значением сечения среза путем установки заданно"! подзчи на зуб не осуществимо.

Следовательно характер износа инструмента не предсказуем в силу термодинамической настабильности процесса резания отдельными режущими элементами. Колебания фактического значения сечения среза является следствием несовершенства исполнительного механизма станка с гидроприводом и зависит с г точности исполнения инструмента.

В главе 4 рассмотрены кинематические схемы, применяемые при разрезке проката, выявлены их недостатки и преимущества, которые согласно полученному ранее уравнению расчета температуры на поверхности контакта инструмент- деталь выражаются в возможности получения срезаемых слоез металла с минимальной толщиной и максимальной длины.

Предпочтительной схемой по этим соображениям является схема отрезки, изображенная на Рис.4.

V/ /ш ■ \

с ■ Ю: \ /

4 ~5мм

Рис.4

кинематическая схем? отрезки проката Существенным недостатком приведенной кинематической схемы разрезки является наличие неопределенной дуги 1- 2 на которой не происходит резания металла из за . эффекта минимально возможной толщины срезаемого слоя. Решение вопроса об , определении, дуле 1 - 2 (отмеченного АС' 4833342/25-(60966)) позволило предположить, что для достижения поставленной цели, оптимальна схема, представленная на Рис.5.

Анализ схемы срезания слоев металла Прорезными и подрезными зубьями, ' приведенный на Рис.6 указывает, на то, что кроме кинематической схемы на величину фактического сечения среза оказывает влияние величина радиального и осевого биений. .

■ Схема разрезки слоев металла, изображенная на Рис.7 позволяет прогнозировать шероховатость обработанной поверхности, . которая проведена в работе методом максимума и минимума, что обеспечило высокую степень сходимости прогноза . шероховатости с ее фактическим значением в зависимости от параметров обработки.

С

ч

2 2 V \ (5 а /

.. Рнс.6

Схема срезания слоев подрезными и прорезными з),бьямп.

Как следует из приведенного выше материала максимальное значение срезаемого сечения ' металла в направлении, . перпендикулярном' вектору внешнего деформационного воздействия на упруго- пластический материал до разрушения,' зависит от кинематической схемы резания, подачи и от значения радиальных и осевых биений инструмента. При качестве исполнения длехозого сегментного инструмента по ГОСТ

4042-87 и малой жесткости станка в части привода подачи, данное биение доминир)

Рис.7

Схема срезания слоев дисковым сегментным инструментом. В главе 5 проведено экспериментальное исследование ранее выявлен! . комплекса конструкторско- технологических факторов, влияющих на износ производительность. С этой целью был оборудован портально- карусельный ста модели К117 на котором реализован построенный близкий к оптимальному г эксперимента Для точного измерения износа инструмента бл разработан спсциалы способ, на который получено АС №4777263/28-577. Статистический анализ резулм; проведнных стойкостных испытаний показал, что стойкость дискового сегмент! инструмента подчиняется нормальному закону распределения, поэтому для выполне предпосылок регрессивного анализа зависимость стойкости Т от конструкторс технологических факторов оценивалась в виде:

lgT=£f(x)

где: Q • вектор оцениваемых параметров модели

f(x)-вектор аргументов модели известных функций от факторов Такая форма позволяет исключить возможность прогноза отрицатель] значений стойкости. В результате регрессивного анализа экспериментальных каш разработана зависимость стойкости инструмента от конструкторско - техиологичес факторов резания заготовок

' 13

- из стал» 45 '.■.-■"

Т^^» 1.455-0.03282«п«т+1.485«Я1+9.0351 «га» " -«шш13.п2~0.0гш82.п,0

- из алюминия . -

-. Тдл^ 0.8379+0.01562.п-0-000041 77«п2-0.22':".О.га-

-0.002К1»п»В + 0.4099»П+3.939»ш-0.01015«я»т-3.92лгп~ -3.1221,1>2

Остаточная дисперсия оценки логарифма стойкости составляет 0.044. Статистическим ПН1ЛИЗОМ устаноалена достаточно высокая информативность разработанной модели и адекватность ее э«спериментглы:ым данным при 95% уровне доверительной вероятности.

Для оценки зависимости оптимальной частоты вращения дисковой пилы от конструкторско- технологических факторов путем приразкенкя частных производных по (1п нулю получаем выражение попт

*

- для стали 45

попт= 111.5-145.2 »m-10.54.D мин"1

- для алюминия . .

nonT=tS7.1-33.62,D-12U.mMHii-1 Таким образом, разработанная модель позволяет оценить оптимальную зависимость частоты вращения инструмента от точности его кзготозленип,, подачи и диаметра инструмента.

Как следует из приведенных выражений, на попт основное влияние оказывает

фактическое сечение среза m и диаметр инструмента D!{ или траектория резания. Рост диаметра, определяющий изменение скорости реззш'я Vorrf снижает попг Перерасчет оптимального значения скорости резания по зависимости Vp-fXD.^rij.) показывает, что при периоде стойкости const, попт падает с ростом Dn, но V^ опт растет при фактических значениях сечения среза не превышающих Так к~х скорость рычания, а частота

. вращения и определяет ее, задает производительность резки,, то можно предположить, что D»>jх? V->o°, T=>const-я прнззодйтельость стремится к бесконечности, т. е. она не ограничена свойствами материала -режущей части инструмента, а определяете* комплексом конструкторско- технологических фахтороз процесса разрезки.

В главе б приведены рекомендации по выбору оптимальных режимов lio стойкости и производительности разрезки стали 45- и алюминия в зависимости . от конструкторско- технологических факторен процесса разрезки.

.. .„■■..^абшца 1

Факторы Размерность Алюминий ст.45 , ... ■ .

, и мин"* 48 (У=331 м/мин) • 12.8 (V=88 м/мин)

ш мм 0.46 0.52

. 0 мм 2200 2200

Для проверки разработанных, рекомедаций и внедрения их в производство была проведена модернизация станка модели 8Г663. Она включала - в себя реализацию обоснованной в главе 4 кинематики разрезки и замену привода с гидравлического на электрически« с применением шарико- винтовой пары. С целью уменьшения радиальных . и осевых биений, подвергался модернизации шпиндельный узел и были установлены дополнительные .приспособления,,- позволяющие управлять их значением. Опытно-контрольная эксплуатация модрнизированного станка с пзраметрхми процесса по таблице 2;, доказала,, что расчетная стойкость инструмента была превзойдена. Данное обстоятельство позволяет заключить, что прерывистый характер работы отдельных зубьев чекового сегментного инструмента является трудноподдающимся расчетам резервом стойкости. "

Приведенный, технике- экономический расчет указывает на высокую экономическую эффективность проведнной работы. Годовой экономический эффект от эксплуатации модернизированного.станка на п/о Муроммашзавод составил 389000 руб.

_■ '' _' ■ ._Таблица 2

Факторы Размерность . Алюминий ■ ст.45 '

■ а мин"* • 145 24

■ га мм 0.42 0.55

и мм ." 810 810

Основные результаты работы

1. Проведено экспериментальное подтверждение гипотезы об т{мау."ьсном, высокочастотном характере разрушения металлов при резании, сспровождающиися образованием на плоскостях сдвига элементов, стружки жидкой фачы металла, периодическим падением силы резанйя до практически нулевого значения, позволяющим считать работу разрушения металла инструментом.и выделяемую энергию импульсной, дискретной высокочастотной. .

2. Получена решение уравнения В.В.Томпсона (Кельвина) те^.тзрзтлрм поверхности контакта инструмент- деталь, где источник излучения теплоаой энергии принят импульсным, высокочастотным.

3. Установлена в результате опытно- статистического анализа основная причина низкой стойкости и большой неравномерности износа дискового сегментного инструмента, заключающаяся а нестабильном значении фактического сечения среза е процессе выполнения операции разрезки, как в направлении вектора скорости резани», так и перпендикулярном к нему.

4. Выявлено влияние кинематической схемы разрезки на значение фактического сечения среза, определяющее температуру поверхности контакт.? инструмент- деталь, стойкость инструмента и производительность опереции разрезки.

5. Разработана зависимость шероховатости обработанной поверхности от конструкторско- технологических параметров процесса разрезки, позволяющая упоавллтг. с высоко.! степенью сходимости шероховатостью обработанной поверхности.

6. Установлено влияние комплекса конструкторско- технологических параметров на оптимальное по стойкости частоту вращения инструмента и производительность.

7. Согласно полученным выводам о влиянии комплекса конструкторско -технологических факторов на процесс разрезки, произведена глубокая модернизация круглопильного станка модели 8Г663, опытная и промышленная эксплуатация которого на п/о Муроммашзавод показала его превосходство по производительности над аналогичными станками отечественного производства в 4- 5 раз , а фирм Не11ег, \Vaencr в 1_5- 2 раза прц пониженном расходе инструментального материала.

3. Получен теоретический вывод о том, что пр:: постоянстве периода стойкости инструмента, мархи обрабатываемого материала производительность операции разрезки может расти неограничено.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Абрамович АЛ., Мальков В.Н., Комаров ВА. Металлографическое

исследование корней и шлифов стружки. "Передовой производственный опыт", № 3, J991 г., с. 57 - 58.

2. Мисиров MX, Мольков В.Н. Исследование структуры поверхности хруп: :<х материалов после микрорезания и тонкого точения. "Передовой производственный опь»?

№8,1989 г., с. 35-36.

3. Мольков В.Н„ Комаров В Л. Высокочастотная разрезка материалов стандартными пилами на модернизированном станке модели 8Г663. "Техника. Технология. Управление". №l, 1992 г., с. 72-73.

4. Мольков В.Н., Исиков Л А., Сапронов В.С. Практический способ определения минимально возможной толщины срезаемого слоя"Вопросы оборонной техники". Серия 2. Вып 3(234 ), 1992 г., с 50- 52!

5. Степанов Г.В., Харченко ВВ.Абрамович АЛ., Мстьков В.Н., Некоторые вопросы численного моделирования нестационарного деформирования материалов при резании. Тезисы докладов Республиканского семинара "Динамическая прочность и трсшиностойкость конструкционных материалов при однократном импульсном нагружении.", Киев, 1991 г., с.61. .

6. Абрамович AJ1., Мольков В.Н., Комаров ЕА Об импульсном характере разрушения упруго- пластических материалов при резании. Тезисы докладов отраслевой научно - технической конференции "Выбор конструкций и режимов резания при эксплуатации прогрессивного.твердосплавного инструмента", Свердловск, 1991 г., с.21

7. Мольков В.Н., Швецои АН, Гусев В .Г.. Устройство для получения корня стружки. Авторское свидетельство №1634366 Б.И., №3,1990 г.

.8. Мольков В.Н.,. Абрамович AJ1. • Способ определения износа инструмент. Положительное решение по заявке №4777263/28- 577 от 29.04.91 г.

9. Мольков В.Н., Абрамович АЛ. Способ определения минимально возможной

толщины срезаемого слоя. Положительное решение по заявке №4833342/28- (60966) от 29.05.91 г. %

10. Мальков В.Н., Абрамович АЛ. Способ определения оптимальной скорости резания. Положительное решение по заявке №5008369 от 22.11.91 г.