автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение работоспособности сборных сверл на основе исследования напряженного состояния и прочности режущих твердосплавных элементов

На правах рукописи

Чернышов Михаил Олегович

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СБОРНЫХ СВЕРЛ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОЧНОСТИ РЕЖУЩИХ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 4 2015

005570164

Тюмень-2015

005570164

Научный руководитель Официальные оппоненты

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

Артамонов Евгений Владимирович

доктор технических наук, профессор Попов Андрей Юрьевич доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой "Металлорежущие станки и инструменты", ФГБОУ ВПО ОмГТУ Баканов Александр Александрович кандидат технических наук, директор Института информационных технологий, машиностроения и автотранспорта ФГБОУ КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева

Юргинский технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» (ЮТИ НИ ТПУ)

Ведущая организация

Защита состоится «29» июня 2015 г. в 16.00 на заседании диссертационного совета Д 212.298.06 при Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76, ауд. 201а

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ЮжноУральского государственного университета.

Адрес сайта, на котором размещена диссертация и автореферат: уу\улу.$и$и.ас.ги/ги/с1!яяега11оп/с1-2122980б/сИету5Ьоу-т!Ьа11ч)1еаоу|сЬ Автореферат разослан «13 » N Л Я 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

И.А. Щуров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. С целью формирования в России отрасли сганко-иструментальной промышленности, конкурентоспособной на внутреннем рынке и восстановления технологической независимости российского машиностроения правительством РФ 15 апреля 2014 года было принято постановление №328 об утверждении государственной программы «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности».

В настоящее время для обработки отверстий, как правило, используют импортный металлорежущий инструмент фирм: Sandvik Coromant, Mitsubishi, Walter, Iscar и др. В современных условиях импортозамещения невозможно обеспечить хозяйственную деятельность страны без использования оборудования и инструментов отечественного производства

Таким образом, задача совершенствования конструкций сборных сверл, оснащенных режущими элементами из инструментальных твердых сплавов с целью существенного повышения работоспособности сборных инструментов и прочности их режущих элементов является актуальной.

Целью диссертационной работы является повышение работоспособности сборных сверл путем снижения значений опасных напряжений растяжения cri в режущих лезвиях, на основе исследования напряженного состояния и прочности режущих твердосплавных элементов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:

1. Провести анализ литера1урных источников и патентов по теме диссертационной работы.

2. Разработать метод численного исследования напряженного состояния и прочности сменных режущих элементов сборных сверл на основе конечных элементов.

3. Исследовать влияние форм, схем базирования и крепления сменных режущих элементов сборных сверл на их напряженное состояние (НС) и прочность.

4. Исследовать влияние изменения нагрузки, в условиях радиального биения вспомогательных режущих кромок сменных режущих головок сборных сверл, на напряженное состояние режущего лезвия.

5. Разработать методику выбора или расчета и проектирования сменных режущих твердосплавных элементов и сборных сверл повышенной работоспособности.

6. Разработать новые конструкции высокопрочных сменных режущих твердосплавных элементов сборных сверл повышенной работоспособности.

Методы исследования. Разработан метод численного исследования напряженного состояния и расчета прочности сменных режущих твердосплавных эле-

ментов на основе конечных элементов. Исследования НС и прочности режущих элементов сборных сверл осуществлялись автором с использованием программы «Т-Р1ех Анализ» с применением конечных элементов. Экспериментальные исследования включали изучение силового нагружения, разрушения и работоспособности режущих твердосплавных элементов сборных инструментов.

Достоверность. Испытания разработанных сборных сверл проводились в лабораторных и производственных условиях на предприятиях машиностроительной и нефтегазовой отрасли. В качестве критерия для оценки работоспособности сборных сверл, использовался путь резания (количество просверленных отверстий). Повышение эффективности механической обработки за счет повышения работоспособности сборных сверл подтверждено результатами производственных испытаний и внедрением разработанных методик на производстве.

Научная новизна работы:

1. Разработан метод численного исследования напряженного состояния и расчета прочности сменных режущих твердосплавных элементов на основе конечных элементов, для обеспечения максимальной работоспособности сборных сверл путем снижения величины опасных напряжений растяжения О] в режущих лезвиях, посредством оптимизации конструктивных параметров.

2. В результате численного исследования напряженно-деформированного состояния и прочности сменных режущих элементов сборных сверл установлено:

- в режущих лезвиях сборных сверл вдоль главной режущей кромки наличие максимальных напряжений растяжения Ст], опасных для режущих элементов из инструментальных твердых сплавов;

- в сменных режущих твердосплавных пластинах сборных сверл увеличение угла при вершине е и применение схемы базирования и крепления пластин в угловой паз корпуса инструмента по двум боковым поверхностям так, чтобы одна из них приходилась на вспомогательную режущую кромку, обеспечивает существенное снижение опасных напряжений растяжения П| в режущем лезвии;

- с увеличением радиального биения вспомогательных режущих кромок сменной режущей головки сборного сверла прямо пропорционально растут опасные напряжения растяжения 01 в режущих лезвиях, и соответственно, снижается прочность;

- введение в конструкцию головки сверла главной режущей кромки, формируемой из трех и более участков прямых, с различными углами в плане ф на каждом участке, которые уменьшаются от центра к периферии, обуславливает снижение величин опасных напряжений растяжения аь по причине уменьшения зоны контакта периферийной части режущего лезвия с обработанной поверхностью отверстия.

3. Установлено, что по картинам изолиний опасных напряжений растяжения а] определяются границы предельных поверхностей хрупкого разрушения сменных режущих твердосплавных головок сборных сверл, траектории которых хорошо описываются геометрической моделью критерия прочности Писаренко-Лебедева.

Практическая значимость результатов исследования:

1. Разработана методика выбора, расчета и проектирования сменных режущих твердосплавных элементов и сборных сверл повышенной работоспособности;

2. Разработана новая сменная режущая твердосплавная пластина повышенной прочности с увеличенным углом при вершине е, защищенная патентом РФ на изобретение (Пат. № 2531336).

3. Разработана конструкция сборного сверла со сменными режущими пластинами с увеличенным углом при вершине е и схемой базирования пластин в угловой паз, при котором усилие закрепления, совпадает по направлению с результирующей силой резания (Пат.№ 2539255).

4. Разработан ранжированный ряд сменных режущих пластин (СРП) разных форм по прочности для сборных сверл ведущих инструментальных фирм мира.

5. Разработана конструкция сборного сверла с режущей твердосплавной головкой с главной режущей кромкой, сформированной из трех и более участков прямых, с различными углами в плане ср на каждом участке, при этом углы <р уменьшаются от центра к периферии (Подана заявка на патент на изобретение № 2014132270 от 05.082014).

6. Разработанная методика и новые запатентованные технические решения переданы для внедрения в ОАО ПИИ «Газтурбосервис», ООО «Тюменьстальмост». ОАО «Сибнефтепровод: Тюменский Ремонтно-механический завод».

7. Результаты исследований используются в учебном процессе подготовки студентов по специальностям: «Технология машиностроения» и «Металлообрабатывающие станки и комплексы», и направлениям бакалавров и магистров: «Кон-структорско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» и «Технологические машины и оборудование».

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертационной работы докладывались автором на VI научно-технической конференции с международным участием «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (Тюмень, 2012 г.), на Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 50 - летаю Тюменского ицду-

стриального института «Новые технологии нефтегазовому региону» (Тюмень, 2013 г.), на Молодежном научно-инновационном конкурсе «УМНИК-2013» (Тюмень, 2013 г.), на Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию Тюменского индустриального института (Тюмень, 2013 г.).

Всего опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации, 1 статья в журнале, индексируемом в базе данных SCOPUS, 2 патента РФ на изобретение.

Личный вклад автора заключается в непосредственном проведении исследований, анализе данных и установлении факторов, влияющих на повышение работоспособности сборных сверл со сменными режущими элементами из инструментальных твердых сплавов, а также проведении расчетов, в обработке и анализе полученных результатов, разработке конструкций сборных сверл, оформлении положений и выводов, выносимых на защиту, подготовке публикаций по данной теме.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 115 наименований, изложенных на 148 страницах машинописного текста, актов внедрения, включает 94 рисунка, 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе приведен литературный обзор результатов экспериментальных и теоретических исследований по теме диссертации.

Проблемой работоспособности режущего инструмента занимались ученые:

B.Ф. Бобров, В.Ф. Безъязычный, А.И. Бетанели, СЛ. Васин, А.С.Верещака, АЛ. Виноградов, Г.И. Грановский, В.А. Гречишников, С.Н. Григорьев, В.И. Гузеев,

C.Н. Даниелян, А.Е. Древаль, H.H. Зорев, C.B. Кирсанов, B.C. Кушнер, Д.В. Кожевников, Т.Н. Лоладзе, АД. Макаров, Д.К. Маргулис, ИЛ. Мирнов, ИЛ. Ординарцев, ВЛ. Остафьев, С.И Петрушин, Ю.Е. Петухов, А.Ю. Попов, В.Н. Подураев, М.Ф. Полетика, А.М.Розенберг, ВЛ. Рогов, А.Н. Резников, В.К. Старков, С.С. Силин, Н.В. Талантов, С.И. Тахман, В.Г. Шаламов, Ю.В. Щепетильников, ИЛ. Щуров, A.C. Ямников. В этом направлении работали также М.Х. Утешев, Е.В. Артамонов, Ю.И. Некрасов, В Д. Самохвалов, Б.В. Барбышев, ИЛ. Ефимович и др.

В настоящее время на практике применяют три основных вида твердосплавных сверл: 1. - Цельные сверла и сверла с напайной твердосплавной режущей вставкой; 2. - Сборные сверла со сменными режущими пластинами; 3. - Сборные

сверла со сменными режущими головкам. Причем сверла со сменными твердосплавными режущими головками, так же как и цельные твердосплавные сверла работают на средних скоростях резания с повышенными подачами, а сверла с механическим креплением режущих пластин применяют при высоких скоростях резания с меньшими подачами (по данным Mitsubishi. Walter и Sandvik Coromant).

Анализ видов и статистики разрушения сменных режущих головок и сменных режущих пластин сборных сверл, представленный на рисунках 1,2, показал, что их разрушение имеет хрупкий характер. Так. по материалам ООО «Тю-меньстальмост» и ПИИ ОАО «Газтурбосервис», на долю отказов в результате скалывания, выкрашивания и поломок приходится 80% для твердосплавных режущих головок и 65% для сменных режущих пластин сборных сверл.

■ 1.Выкрашивание 3.Поломка

■ 2.Скалывание

■ 4.Износ

сменных ре-ных сверл

На основании критического литературного и информационного анализа сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе изложен разработанный метод численного исследования напряженного состояния и расчета прочности сменных режущих твердосплавных элементов сборных сверл на основе конечных элементов, включающий: определение сил резания; удельных нагрузок; построение конечно-элементных трехмерных моделей сменных режущих твердосплавных элементов сборных сверл; расчет НС режущих элементов с применением метода конечных элементов (МКЭ); расчет коэффициента запаса прочности режущих элементов.

В результате систематизации и обобщении формул сил резания при сверлении. фирм Sandvik Coromant и Garant, автором была получена следующая система

а)

Рисунок 1 - Разрушение сменных режущих элементов сборных сверл: а) головок; б) пластин

60% 40% 20% 0%

10054 iÉ «i j 27% j

Сменные Сменные режущие режущие головки пластины

Рисунок 2 - Доли отказов жущих элементов сбор

выражений для расчета осевой Р«; и главной составляющей Р, сил резания, а также крутящего момента Мкр при сверлении сборными сверлами разных видов:

у £>

•(1--—)---5-51П<0

100 2

Рос=0.5 кс1 -(«г-виц

Р2 = — ■■<.■ ■ к, ■ (,ч2 • вт <рГ"' ■ (1 —У—)• г

2 Р---Г) 100

-.

2000

(1)

где у _ главный передний угол; (р - главный угол в плане; Э - диаметр сверла [мм]; кС) - удельная нагрузка [Н/мм2]; т. - число зубьев (г = 2 - для цельных и сборных сверл со сменными режущими головками и ъ = 1 - для сборных сверл со сменными режущими пластинами); э - подача [мм/об]; Бг - подача на зуб [мм/об] (8=282 - для цельных и сборных сверл со сменными режущими головками и 8=8г - для сборных сверл со сменными режущими пластинами).

В результате имитационного моделирования были определены площади поперечного сечения срезаемого слоя режущими лезвиями сверлами разных видов. Для задания граничных условий режущие лезвия цельного сверла и сверла со сменной режущей головкой разделяется на п равных участков, а у сборного сверла со сменными режущими пластинами режущие лезвия центральной и периферийной пластин на число участков п = пц+ пп(пц и пп число равных участков на режущих лезвиях центральной и периферийной пластин), как показано на рисунке 3:

■5Л

(2)

Л =2*,;

(3)

м

■-Ум,

' ' N

(4)

-20°

! ч>/ 1 А

">—у' ■¡ЛЙ

1 ^п Г2

9,Г Гп ...

30° 20" 10" 0°

-Г0" 1\2^3 4 5 6 7 8 9 »0

— у- передний угол _2о

— а- задний угол

_ у- передний угол — а- задний угоп

123456789 10

Рисунок 3 - Схемы срезаемого слоя и геометрические параметры режущих лезвий разных видов сверл

При этом удельные нагрузки, как представлено на рисунках 4, 5 , на каждом участке определяются из выражений:

(5) А(6)

Д Р - Р - Р

ОСЦ=П) ' ОСП 1 OC{n-1) 5

АРо,. Н/мм

АР,, Н/мм

0XIX2S ITS S US 7.SÜX Ю T12S OS г, мм 0X1X2S3X f 6Х 1SÍTS о их as Г. мм axis25 ITS S &X7S6JSVnXÜS Г. ММ

Рисунок 4- Графики распределения удельных нагрузок на режущие лезвия сверл (025 мм) разных видов:о- цельное сверло; □- сборное сверло со сменной режущей головкой; Д- сборное сверло с СРП

ЛР,.. И/мм

ЛР„ Н/мм

Рисунок 5 - Схемы распределения удельных нагрузок на режущие лезвия сверл (025 мм) разных видов: а) - цельное сверло; б) - сборное сверло со сменной режущей головкой; в) - сборное сверло с СРП

В третьей главе приведены результаты численного исследования влияния форм, схем базирования и крепления сменных режущих пластин сборных сверл на их напряженное состояние и прочность.

Для определения влияния формы пластин на их напряженное состояние исследования проводились на равносторонних сменных режущих пластинах разных форм: трехгранной, ромбической, квадратной. Анализ результатов численного исследования влияния формы сменных режущих пластин на напряженное состояние, представленных на рисунке 6 показал, что значения опасных напряжений растяже-

ния с, в периферийной режущей пластине сборного сверла, в режущем лезвии равносторонней трехгранной пластины (е=60°) больше, чем в квадратной (8=90°) примерно в 3 раза. У трехгранной режущей пластины, в отличии от ромбической (е=80°) и квадратной, значения напряжений О] распределены неравномерно. Наиболее опасным участком на главной режущей кромке является зона конца участка нагружения (узловые точки 1-8) при вершине сменной режущей пластины, на другом участке (узловые точки 9-25) значения напряжений 01 трехгранной пластины (е=60°) близки к напряжениям Ст[ квадратной (е=90°) пластины. Это объясняется тем, что у трехгранной пластины правильной формы схема базирования пластины в угловой паз корпуса инструмента по двум боковым поверхностям пластин реализуется так, чтобы одна из них приходилась на вспомогательную режущую кромку, что обеспечивает снижение опасных напряжений растяжения 01. Как представлено на рисунке 6, чем меньше угол е при вершине, тем больше напряжения С| при одинаковых условиях резания.

Анализ схем крепления и базирования центральной и периферийной пластин сборных сверл показал, практически во всех конструкциях сборных сверл разных фирм не реализуется схема базирования сменных режущих пластин в угловой паз корпуса инструмента по двум боковым поверхностям пластин так, чтобы одна из них приходилась на вспомогательную режущую кромку.

Для повышения работоспособности сборных сверл была разработана новая форма сменной режущей пластины с увеличенным углом 8 (8 =100°), выполненной на основе равносторонней трехгранной пластины (£=60°), при этом главная режущая кромка выполнена в виде прямой, а вспомогательная в виде дуги. В разработанной конструкции сборного сверла, как показано на рисунке 7, при закреплении а) периферийной и б) центральной пластины направление силы резания совпадает с направлением силы крепления Р, а схема крепления

Е--60-

^^

£.а

8. 9СГ

а,/й % 1'

1

V ■V 0 /

¿0 .

*

и" ¡3

J е ¿17V Г9 г 23 Л 25

* 5 6 д V X <3 21 /

Рисунок 6 - Картины изолиний и графики распределения напряжений растяжения 01 в режущих лезвиях равносторонних СРП: 1 -трехгранной; 2 — ромбической: 3- квадратной

сменных режущих пластин в угловой паз корпуса инструмента реализуется по двум боковым поверхностям пластин так, чтобы одна из них приходилась на вспомогательную режущую кромку.

ШГ5^

Рисунок 7 - Схемы базирования, крепления и нагружения разработанных режущих пластин:

а) периферийной и б)центральной в корпусе сборного сверла

На рисунке 8 представлены картины изолиний и эпюры напряжений для СРП разных форм, схем базирования и крепления, предлагаемых основными инструментальными фирмами. Трехгранные: СРП 1 -фирмы Iscar с £|=60° и е2=120°; СРП 2 сборного сверла - по ГОСТ 27724-88 с ¡=80°; ромбическая СРП 3 - фирмы Mitsubishi с ei=50° и е2=100°). Анализ НС СРП сверл показал, что зона наибольших опасных напряжений растяжения ai распо-

Oi/R % 100%

17 18 Я 20212223 24 25

Рисунок 8 — Картины изолиний и графики распределения

напряжений растяжения сп в режущих лезвиях СРП: а) периферийных: б) центральных сборных сверл разных фирм

ложена в режущем лезвии вдоль главной режущей кромки периферийной и центральной пластин и зависит от формы, схем базирования и крепления СРП.

Так же на величину опасных напряжений растяжения ai в СРП сборных сверл влияет схема базирования и крепления режущих пластин в корпусе инструмента. У ромбической СРП 3- фирмы Mitsubishi, а также у квадратных СРП 4-фирмы Walter с е=90° и СРП 5- фирмы Sandvik Coromant (периферийная СРП с е=90° и центральная с е=110°) направление вектора силы резания R не совпадает с направлением вектора силы закрепления СРП Р в угловой паз. На основании анализа результатов расчета НС в СРП была разработана СРП 6 - новой формы повышенной прочности для сборных сверл. Исследование НС новой СРП показало значительное уменьшение, до 60%. опасных напряжений растяжения ai в режущем лезвии вдоль главной режущей кромки периферийной пластины, и уменьшение значений напряжений ai в режущем лезвии вдоль главной режущей кромки центральной пластины до отрицательного значения (напряжения сжатия) по сравнению с трехгранной пластиной неправильной формы для сборных сверл по ГОСТ 27724-88.

Систематизация полученных результатов позволила расставить СРП сборных сверл 025 мм разных фирм производителей режущего инструмента в ряд по мере повышения прочности, представленных на рисунке 9.

_ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ_

Центральная пластина

Периферийная пластина

ЛщдцйшС «-шиЦ 1(1 ишц

Рисунок 9 - Ранжирование форм СРП сборных сверл разных фирм по повышению прочности (* разработанная форма СРП)

Для экспериментальной проверки результатов расчета сил резания сборными сверлами с СРП и для проверки работы разработанной конструкции сборного сверла были проведены исследования при сверлении стали 12Х18Н10Т. Анализ результатов эксперимента, представленных на рисунке 10. показал что схема крепления в угловой паз и новая форма сменных режущих пластин позволили снизить силы резания Рос примерное 1.2 раза и М,фВ 1,8 раз.

Рос.Н 1200 ■ woo ■ воо ■ 600 -WO -

-Л

Дг"" Рекомендуете

режимы резания S. мм/об

0.02 0.03 № 0.05 .0.06 МкР НМ Ряоюфш, ®

S. мм/од

0.02 0.03 0.М 0.05

Д - расчет сил резания по разработанной методике □ - сборное сберло с СРП фиргы Walter О - сборное сберло с СРП побешенной прочности

Таким образом, в сменных режущих твердосплавных пластинах сборных сверл увеличение угла при вершине е и схема базирования и крепления пластины в угловой паз корпуса инструмента по двум боковым поверхностям пластин так, чтобы одна из них приходилась на вспомогательную режущую кромку, обеспечивает снижение опасных напряжений растяжения аь

В четвертой главе приведены результаты, полученные с применением разработанного метода численного исследования напряженного состояния и прочности сменных режущих твердосплавных головок сборных сверл.

При проведении имитационного моделирования радиального биения кромок сменной режущей головки сборного сверла, как представлено на рисунке 11, были определены площади нагружения на режущих лезвиях режущих головок при отклонении сверла от оси отверстия от 0 до 0.1 мм. Результаты расчета, полученные с применением разработанного метода численного исследования напряженного состояния представленные на рисунке 12, показали, что по причине радиального биения вспомогательных режущих кромок сменных режущих головок сборного сверла, при отклонении от оси отверстия от 0 до 0,1 мм. максимальные значения величин опасных напряжений растяжения О] в режущем лезвии увеличиваются прямо пропорционально величине радиального биения и достигают максимальных значений в точке пересечения главной и вспомогательной режущих кромок, что соответствует характерному виду разрушения режущих головок сборных сверл в производственных условиях. Это обуславливает необходимость повышения прочности и работоспо-

Рисунок 10-Результаты экспериментальных исследований разработанного сверла со сменными режущими пластинами при У=150 м/мин: а) сила Рос: б) крутящий момент Мкр А мм Ленточка

Рисунок 11 - Схема имитационного моделирования радиального биения режущих кромок сверла при отклонении сменной режущей головки от оси отверстия

собносги сменных режущих головок путем оптимизации конструктивных параметров режущих лезвий.

На основании выше изложенного были разработаны новые формы сменных твердосплавных режущих головок сборных сверл повышенной прочности, представленные на рисунке 13. которые по сравнению с базовой сменной режущей головкой, при одинаковой величине радиального биения режущих кромок сверла, позволили снизить площадь контакта на режущем лезвии вдоль вспомогательной режущей кромки и соответственно уменьшить величину опасных напряжений О] в режущем лезвии в 3-4 раза как показано на рисунке 14.

Рисунок 12 - Картины изолиний напряжений <л: а) в плоскости головки, б) в плоскости схода стружки: Графики распределения напряжений растяжения т в режущем лезвии: в) вдоль главной режущей кромки, г) вдоль вспомогательной (ленточки) режущей кромки, возникающих из-за радиального биения режущих кромок сверла (025 мм) при отклонениях от оси отверстия: 1 - 0 мм: 2 - 0.02 мм; 3- 0.04 мм: 4 - 0.06 мм; 5 - 0.08 мм: 6 - 0.1 мм

Рисунок 13 — Разработанные сменные режущие твердосплавные головки повышенной прочности: а) с тремя участками прямых с различными углами в плане (р на каждом участке ((рг> (рп > срш); б) с дугой радиусом Я

По полученным картинам изолиний 01 как представлено на рисунке 15, определены границы предельных поверхностей разрушения сменных твердосплавных режущих головок сборных сверл, траектории которых хорошо описывает геометрическая модель критерия прочности Писаренко-Лебедева.

К-т запаса прочности

о

a,/R%

-4444-

оЗ^Чг^^г F т^Чг^^Т

12 3 4 5 6 7 8 9 Ю 11 12 П Н 15 16 17 18 19 20 21 22 23 2i 25

Рисунок 14 - Картины изолиний и графики распределения напряжений растяжения oi в режущем лезвии сверла 025мм со смещением от оси на 0.02 мм 1 - сменная режущая головка фирмы Mitsubishi; 2 - сменная

режущая головка с двойным углом <р (с «двойной заточкой»); 3 - новая разработанная автором форма сменной режущей головки с тройным углом ф; 4 - новая форма сменной режущей головки с дугой радиусом R

Iopo X * 1 при 0 <х< 0.75 пластическое III зона

№.75*11

хрупко-пластическое__

II зона Y'Bf --

хртое. ,

/зона

k=ojs*aa у . 025 (

Рисунок 15 — Границы предельных поверхностей разрушения сменных твердосплавных режущих головок сборных сверл определенные с помощью: а) разработанного метода численного исследования: б) геометрической модели критерия прочности Писаренко-Лебедева: в) фрактограммы поверхности разрушения

Для проверки результатов расчетов сил резания сборными сверлами со сменными режущими головками и для проверки работы разработанной конструкции сборного сверла были проведены экспериментальные исследования при сверлении стали 12Х18Н10Т. В качестве режущего инструмента использовались сборное сверло со сменными режущими головками фирмы Mitsubishi и сборное сверло, разработанное автором. Анализ результатов эксперимента, представленных на рисунке 16. показал что сменная режущая головка новой формы позволила снизить силы резания Рос в 12 раза и МкрВ 1,5 раза.

Таким образом, введение в конструкцию головки сверла главной режущей кромки, формируемой из трех и более участков прямых с различными углами в плане ф на каждом участке, которые уменьшаются от центра к периферии, обуславливает уменьшение зоны контакта режущего лезвия с обработанной поверхностью отверстия, что способствует максимальному снижению величин опасных напряжений растяжения Оь

В пятой главе изложена практическая реализация результатов работы.

На основании результатов иссле-

Рос.Н

' В) 6!

А _ расчет сил резокя по разраВопшт жтю&же □ - сдор»х сСерло со стюи режущей ^икЛти фирмы ШяАяЬ/

О - стерло со сметя} рехущей галобюи поОыияшзй прочюат разра&ншюе сВяарсм

Рисунок 16-Результаты экспериментальных исследований разработанного сверла со сменными режущими пластинами при 8=0,2 мм/об: а) сила Рос; б) крутящий момент Мф

дования разработан алгоритм выбора и расчета конструктивных параметров сменных режущих элементов и сборных сверл повышенной работоспособности, как показано на рисунке 17.

/—'-

( Начало

э

I

Исходные параметры па чертежу Зетали: обрабатываемый материи, количество отверстий. Зиаметр и глубина атберапия, качества и сложность обработки и тЛ.

Выбор биЗа сберла

_1_

Выбираемые параметры инструмента: марка ИТС. конструктивные параметры инструмента ГОД геометрические пирометры рехущей части (<р.у.а.ш1

РэЗание коэффициента запаса прочности п

Выбор формы, типа и схем; ^базирования и крепления:,' : ?^сменны* режущих у///) ^элементов сборных сберп^

X

Определение сил резания при сберлении Рос. Рг и крутящего момента Мкр

Г^ >'> ы >• Г Л>

у ОпреОепение уЭельных ^нагрузок на режущих % 'уУУмтш сберла^^ ^ДРос М, ДМкц м. ДРг

_1_

ВбоЗ механических характеристик ИТС (Е, р, о.|

.--- , ... , I , . и ...

Построение конечна-элементной [%трехмерной ноЗели 1Т-НехЕ^ -I

'асчет напряжений 1МКЭ)?

-¿ОпреЗеление траекторий; % разрушения сменных^ Уу режущих элемениоб/% сборных сберл^Ум

С-—-

Расчет коэффициента запаса прочности К

Создание чертежа нобогоинструмента и тех. Зокцментпции

Ч^нёй)

Г Выбор рехимоб резания (V. 5) | спрабачные Зонные УУуУ/УУ//7^- применяется результаты, полученные автором

Рисунок 17 - Блок-схема алгоритма методики выбора, расчета и проектирования сменных режущих твердосплавных элементов и сборных сверл повышенной работоспособности

Разработаны новые формы сменных режущих пластин и сменных режущих

головок из инструментальных твердых сплавов повышенной прочности, представленные на рисунках 18. 19. 20, и созданы сборные сверла с разработанными

сменными режущими элементами.

Рисунок 18 - Сменная режущая пластина повышенной прочности (Пат. №2531336)

Рисунок 19-Сборное сверло с СРП повышенной прочности (Пат. №2539255)

Рисунок 20 - Сборное сверло со сменной режущей головкой повышенной прочности (Заявка на пэт. №2014132270 от 05.08.2014)

На рисунке 21 представлены результаты производственных испытаний на ОАО «Газтурбосервис» сборных сверл с разработанными сменными режущими твердосплавными элементами при сверлении деталей из стали 12Х18Н10Т на рекомендуемых режимах резания, которые показали повышение работоспособности сборных сверл со сменными режущими головками (1-Н) в 2.4 раза, с СРП (Ш-1У) в 1,7 раза. Производственные испытания сборного сверла со сменной режущей головкой повышенной прочности на ООО «Тюменьстальмост» при сверлении стального проката из стали 10ХСНДА подтвердили полученные результаты. Работоспособность сверла увеличилась в 2 раза

апбгрстю 120. _

9060 30 -

I / ¡1° Ш IV Рисунок 21 - Результаты производственных испытаний сборных сверл: а) со сменной режущей головкой (У=65 м/мин; 5=02 мм/об; б) со сменными режущими пластинами при У=150 м/мин; 5=0,04 мм/об) В заключении сформулированы выводы и результаты работы: 1. В диссертации решена научно-техническая задача, заключающаяся в повышении работоспособности сборных сверл путем снижения значений опасных напряжений

/- сверло со сменной режущей головкой разработанной формы: /-сверло со сменной режущей золовкой фирмы Mitsubishi: № • сверло со сменными режущими пластинами разработанной формы: IV - сверло со сменными режущими пластинами фирмы Walter.

растяжения в режущих лезвиях, на основе исследования напряженного состояния и прочности режущих твердосплавных элементов.

2. Разработан метод численного исследования напряженного состояния и прочности сменных режущих твердосплавных элементов, с применением МКЭ, для обеспечения максимальной работоспособности сборных сверл путем снижения величины опасных напряжений растяжения Ст] в режущих лезвиях и соответственно увеличения их прочности.

3. Получены картины изолиний опасных напряжений растяжения Я|, по которым были определены границы предельных поверхностей разрушения режущих твердосплавных элементах сборных сверл, что позволило оптимизировать конструктивные параметры сменных режущих пластин и сменных режущих головок с целью повышения их прочности, для обеспечения повышения работоспособности сборных сверл.

4. Установлено, что в сменных режущих твердосплавных пластинах сборных сверл увеличение угла при вершине е и схема базирования и крепления пластины в угловой паз корпуса инструмента по двум боковым поверхностям пластан так, чтобы одна из них приходилась на вспомогательную режущую кромку, обеспечивает снижение опасных напряжений растяжения а\ и соответственно повышение прочности.

5. Установлено, что конструкция сменной твердосплавной режущей головки с главной режущей кромкой, формируемой из трех и более участков прямых, с различными углами в плане ср на каждом участке, которые уменьшаются от центра к периферии, позволяет снизить величины опасных напряжений растяжения 01 на периферийной части режущих лезвий сменной режущей головки.

6. Разработана новая сменная режущая пластана повышенной прочности, форма которой выполнена на основе равностороннего многогранника, при этом главная режущая кромка выполнена в виде прямой, а вспомогательная в виде дуги, которая вписана в четверть длины стороны многогранника, при этом радиус дуги равен половине длины стороны многогранника (Пат. № 2531336).

7. Созданы конструкции сборных сверл со сменными режущими пластинами повышенной прочности (Пат. №2539255) и со сменной режущей головкой с главной режущей кромкой, формируемой из трех и более участков прямых, с различными углами в плане <р на каждом участке, которые уменьшаются от центра к периферии (Подана заявка на патент на изобретение № 2014132270 от 05.08.2014).

8. Результаты работы в виде методики выбора, расчета и проектирования сменных режущих твердосплавных элементов и сборных сверл разных видов, а также в

ввде новых конструкций сборных сверл с разработанными режущими элементами повышенной прочности переданы для внедрения в производство.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в рецензируемых изданиях рекомендованных ВАК:

1. Артамонов, Е.В. Повышение работоспособности сменных режущих пластин сборных инструментов / Е.В. Артамонов, М.О. Чернышов, Т.Е. Помигалова, ДБ. Васильев//СТИН-2014.-№7 - С 19-21.

2. Артамонов, ЕВ. Модель разрушения и прочности режущих твердосплавных элементов сборных сверл / ЕВ. Артамонов, М.О. Чернышов // Омский научный вестник. Серия приборы, машины и технологии.-2014.-№1 (127) - С 44-46.

3. Артамонов, Е.В. Повышение эффективности обработки корпуса шиберной заглушки путем применения разработанной конструкции сборного сверла / ЕВ. Артамонов, М.О. Чернышов // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. -2014.-№4-С86-91.

SCOPUS:

4. Artamonov, E.V. Extending the Life of Replaceable Cutting Plates in Composite Tools / E.V. Artamonov, M.O. Chemishov, Т.Е. Pomigalova, D.V. Vasil'ev // Russian Engineering Research. - 2015 - Vol. 35,No. 1 - pp. 61-63.

Патенты на изобретения:

5. Пат. № 2531336 Российская федерация, МПК В23В 27/16. Режущая пластина для черновой и чистовой обработки / ЕВ. Артамонов, Д.В. Васильев, В.В. Киреев, М.О. Чернышов; заявитель и патентообладатель Тюменский государственный нефтегазовый университет (RU). - №2013129883; заявл. 28.062013; опубл. 20.102014; Бюл. №29.

6. Пат. № 2539255 Российская федерация, МПК В23В 51ДЮ. Сборное сверло с режущими пластинами / ЕВ. Артамонов, М.С. Остапенко, М.О. Чернышов; заявитель и патентообладатель Тюменский государственный нефтегазовый университет (RU).-№2013155436; заявл. 12.122013; опубл. 20.012015 ;Бюд.№ 2.

В других научных изданиях:

7.Чернышов, М.О. Основные критерии повышения производительности и эффективности процесса свершения на предприятиях нефтегазового региона. / М.О. Чернышов, Р.Н. Ога // Новые технологии - нефтегазовому региону: материалы Все-

российской научно-практической конференции. Т1. - Тюмень: ТюмГНГУ , 2012. -С227-229.

8. Чернышев, М.О. Алгоритм расчета, проектирования и эксплуатации сборных комбинированных инструментов для обработки отверстий. / М.О. Чернышов, Е.С. Завьялов, АЛО. Фарафонова, ИА. Каюкова // Новые технологии - нефтегазовому региону: материалы Всероссийской научно-практической конференции. Т2. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2012. - С14-15.

9. Артамонов, ЕВ. Высокопроизводительные инструменты для обработки отверстий. /Е.В. Артамонов, AJO. Свирид, М.О. Чернышов // Новые материалы, нераз-рушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: материалы VI научно-технической интернет - конференции с международным участием / отв. ред. РЮ. Некрасов. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2012. - С 25-29.

10. Артамонов, Е.В. Проблемы прочности и работоспособности сборных сверл. / ЕВ. Артамонов, А.Ю. Свирид, М.О. Чернышов // Новые материалы, неразрушаю-щий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: материалы VI научно-технической интернет - конференции с международным участием / отв. ред. Р.Ю. Некрасов. -Тюмень:ТюмГНГУ,2012.-СЗ-7.

11. Чернышов, М.О. Прогрессивные технологии сверления сборными инструментами. / М.О. Чернышов, А.Ю. Свирид // Новые технологии - нефтегазовому: материалы Всероссийской научно-практической конференции. Т. 1. - Тюмень: ТюмГНГУ,2013.-С 155-157.

12. Артамонов, Е.В. Высокопроизводительные технологии обработки отверстий сборными инструментами. / ЕВ. Артамонов, М.О. Чернышов, СЛ. Турчин // Нефп» и газ Западной Сибири: материалы международной научно-технической конференции. 72. —Тюмень: ТюмГНГУ, 2013. - С 123-129.

13. Чернышов, М.О. Анализ основных видов разрушения режущих твердосплавных элементов сборных сверл. / М.О. Чернышов, СЛ. Турчин // Ресурсооффектив-ные системы в управлении и контроле: сборник научных трудов II Международной конференции «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее» в 4т. Т.1 - Томск: 111У, 2013.—С 236-239.

Подписано в печать 30.04.2015. Формат 60x90/16. Усл.печл. 1,0.

Тираж 120. Заказ 124.

625004, г.Тюмень, ул.Володарского, 45. Тел. (3452) 55-72-17,46-90-03.