автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение работоспособности сменных твердосплавных пластин путем снятия внутренних напряжений

На правах рукописи

Чуйков Роман Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СМЕННЫХ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ПЛАСТИН ПУТЕМ СНЯТИЯ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Специальность 05.03.01 -технологии и оборудование механической и

физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Тюмень - 2004

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

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент

Артамонов Евгений Владимирович

Официальные оппоненты — доктор технических наук, профессор

Защита состоится « 20 » октября 2004 г. в 145 час. на заседании диссертационного совета К 212.273.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38, зал им. А.Н. Косухина.

Факс (3452) 25-08-52.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственного нефтегазового университета.

Шаламов Виктор Георгиевич;

кандидат технических наук, доцент

Некрасов Юрий Иннокентьевич

Ведущая организация

ОАО «Тюменский станкостроительный

завод»

Автореферат разослан

диссертационного совета

Ученый секретарь

ОБШДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время широкое применение при всех видах механической обработки резанием получили сборные инструменты со сменными многогранными пластинами (СМП) из инструментальных твердых сплавов (ИТС). Производственная статистика показывает, что на долю отказов инструментов с СМП в результате разрушения пластин приходится 70-75%. При анализе видов отказов режущих пластин в производственных условиях установлено, что характерными видами их разрушения являются выкрашивание, скалывание, поломка. Существует множество факторов, влияющих на работоспособность режущих инструментов из ИТС. В работе впервые поставлена проблема изучения влияния внутренних напряжений, возникающих в ИТС, как в материалах-композитах, при изменении температуры резания, и разработка технических решений, их снимающих, что позволит существенно повысить работоспособность сменных твердосплавных пластин. Поэтому исследование внутренних напряжений ИТС в зависимости от температурного воздействия с целью повышения работоспособности сменных твердосплавных пластин является актуальной проблемой.

Цель работы. Повышение работоспособности СМП сборных режущих инструментов путем снятия внутренних напряжений в ИТС посредством предварительного нагрева их до начала процесса резания.

Методы исследования. Экспериментальные исследования влияния температуры на внутренние напряжения в ИТС проводились с применением рентгенографического метода на автоматизированном дифрактометре ДРОН-УМ1 с высокотемпературной приставкой УВД-2000. Определение температуры в зоне резания проводилось с применением метода естественной термопары. Изучение работоспособности сменных твердосплавных пластин выполнялось в лабораторных и производственных условиях по стойкости и пути резания инструментов.

Достоверность результатов работы. Высокая точность определения

внутренних напряжений подтверждается хорошим совпадением результатов, полученных расчетом по математической модели и экспериментально рентгенографическим методом с точностью, приемлемой для инженерной практики. Повышение работоспособности СМП из ИТС путем снятия внутренних напряжений посредством предварительного их нагрева подтверждено разработкой новых технических решений, результатами практических испытаний и внедрением их в производство.

Научная новизна.

1. Установлено экспериментально, что в ИТС, как в материалах-композитах, имеются внутренние напряжения, которые при комнатной температуре (20 °С) могут достигать значений, близких к предельным а, и сниматься путем нагрева СМП до температуры 600 °С.

1. Разработана физическая модель, на основе которой создан метод снятия внутренних напряжений в ИТС путем предварительного нагрева СМП в сборном инструменте до начала процесса резания.

3. Установлено экспериментально, что снятие внутренних напряжений в СМП из ИТС практически исключает период приработки, а период нормального износа увеличивается и соответственно существенно повышается работоспособность сборного инструмента.

4. Подтверждена рентгенографическим методом математическая, модель для расчета внутренних напряжений в СМП из ИТС, разработанная научным руководителем.

Практическая ценность результатов исследования.

1. Разработана методика снятия внутренних напряжений в СМП из ИТС путем предварительного их нагрева,. позволяющая повысить работоспособность металлорежущих инструментов.

2. Разработана новая конструкция сборного металлорежущего инструмента с предварительным нагревом СМП, обеспечивающая снятие внутренних напряжений в пластинах (заявка №2004101575 от 19.01.2004 г. на патент на изобретение МПК 7 В23 В27/16)

3. Разработаны установки для регулируемого нагрева твердосплавных режущих пластин (патент на полезную модель № 38307) и для автоматического поддержания температуры максимальной работоспособности твердосплавной режущей пластины (полож. реш. о выдаче патента на полезную модель по заявке №2004123563 от 10.09.2004 г.), обеспечивающие повышение работоспособности СМП из ИТС.

Реализация полученных результатов.

1. Разработанные руководящие технические материалы «Повышение работоспособности сменных твердосплавных пластин путем предварительного нагрева» переданы для внедрения на ОАО «Тюменский станкостроительный завод» и ЗАО «Тюменские авиадвигателю).

2. Разработанная установка для регулируемого нагрева твердосплавных режущих пластин передана для внедрения на ОАО «ГРОМ» (г. Тюмень).

3. Разработанная конструкция металлорежущего инструмента с предварительным нагревом СМП из ИТС передана для внедрения на ООО «ИнОст» (г. Тюмень).

Ожидаемый совокупный экономический эффект составляет 668000 рублей.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертационной работы докладывались автором на международной научно-технической конференции, посвященной 90-летию со дня рождения В.И. Муравленко «Нефть и газ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки» - г. Тюмень (2002 г.); на международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию ТюмГНГУ «Нефть и газ Западной Сибири» - г. Тюмень (2003 г.); на двух региональных научно-практических конференциях молодых ученых «Новые технологии нефтегазовому региону» - г. Тюмень (2003 г. и 2004 г.); на XXIV Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 80-летию со дня рождения академика В.П. Макеева - г. Миасс (2004 г.).

По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том

числе: патент на полезную модель № 38307 «Установка для регулируемого подогрева твердосплавной режущей пластины»; полож. реш. по заявке на полезную модель № 2004123563, МПК7 В23 В 27/16 «Установка для автоматического поддержания оптимальной температуры твердосплавной режущей пластины» от 10.09.2004 г. Подана заявка на выдачу патента на изобретение № 2004101575, МПК7 В23 В27/16 «Металлорежущий инструмент» от 19.01.2004 г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 103 наименований, изложенных на 108 страницах машинописного текста, актов внедрения, включает 80 рисунков, 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований.

В первой главе приводится обзор причин разрушения режущей части инструмента из ИТС, влияния механических характеристик и температурно-силового воздействия на работоспособность режущего инструмента. Дается краткий анализ рассмотренных работ, сформулированы цель и задачи исследования.

Проблемой работоспособности режущего инструмента занимались ученые: B.C. Андреев, Б.С. Балакшин, В.Ф. Безъязычный, А.И. Бетанели, В.Ф. Бобров, С.А. Васин, А.С. Верещака, Г.И. Грановский, В.А Гречишников, Ю.Н. Жуков, Н.Н. Зорев, Ю.Г. Кабалдин, СВ. Кирсанов, B.C. Кушнер, Т.Н. Лоладзе, А. Д. Макаров, В.В. Мелихов, ИЛ. Мирнов, В.А. Остафьев, B.C. Мухин, СИ. Петрушин, В.Г. Подпоркин, В.Н. Подураев, М.Ф. Полети-ка, А.И. Промптов, Б.П. Прибылов, А.Н. Резников, A.M. Розенберг, Ю.А. Розенберг, В.Ф. Романов, Н.С Рыкунов, С.С Силин, В.К. Старков, Н.В. Талантов, И.П. Третьяков, Г.Л. Хает, Л.А. Хворостухин, В.Г. Шаламов и др. В этом направлении большую работу провел профессор, докт. техн. наук М.Х. Утешев со своими учениками.

На основании теории Шпета научным руководителем была сформули-

рована гипотеза о том, что внутренние напряжения (напряжения II рода), которые должны возникать в ИТС при изготовлении СМП, могут быть сняты путем предварительного нагрева режущих пластин до начала процесса резания, что должно обеспечить повышение их работоспособности. Однако до настоящего времени не были изучены влияние и механизм воздействия внутренних напряжений в ИТС на работоспособность СМП сборных инструментов.

На основании вышеизложенного были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать влияние температуры на внутренние напряжения в инструментальных твердых сплавах СМП.

2. Разработать научно-обоснованную методику температурного воздействия на СМП, обеспечивающую снятие внутренних напряжений в ИТС.

3. Разработать новые технические и технологические решения, обеспечивающие повышение работоспособности металлорежущего инструмента.

Во второй главе разработаны физическая модель и метод снятия внутренних напряжений в ИТС путем предварительного нагрева СМП. Известно в соответствии с эффектом Пельтье, что если через пограничную область между двумя соприкасающимися разл1гчными металлами (рис. 1), например пластинами из твердого сплава группы ВК ^^Оэ) и ти-

тана(Т1), пропустить электрический ток, то электроны, проходя через эту область, будут в зависимости от направления тока либо ускоряться контактным полем, либо тормозиться. В первом случае (рис. 1, а) в пограничном слое наблюдается выделение тепла, а во втором случае (рис. 1,6)- поглощение тепла.

Однако при нагреве твердосплавной режущей пластины на основе эф-

7

Рис. 1. Нагрев (а) и охлаждение (б) двух различных металлов

фекта Пельтье происходит интенсивный теплообмен с титановой пластиной. Чтобы повысить температуру нагрева СМП из ИТС и снизить теплоотвод в титановую пластину, дополнительно вводим между пластинами полупроводниковый слой, состоящий из дисульфида молибдена с жидким стеклом, который наряду с повышением эффективности нагрева режущей пластины позволяет снизить нагрев титановой пластины (рис. 2).

АУС-Со (Ср,)___

Полупроводниковый слой.

Рис. 2. Схема предварительного нагрева режущей пластины с полупроводниковым слоем

Опишем процесс нагрева СМП из ИТС на основе эффекта Пельтье с помощью физических моделей. Количество теплоты, выделявшееся в СМП из ИТС согласно эффекту Пельтье, определяется из выражения

где - количество теплоты в СМП; <р3) - разность потенциалов между пластинами; I- сила тока; т - время.

В свою очередь, количество теплоты, необходимое для нагрева пластины на величину определяется из выражения

А(Ц=АТтс, (2)

где ЛТ- температура; т - масса СМП; с - удельная теплоемкость.

Пренебрегая потерями теплоотвода в воздух, можем считать

Проведя математические преобразования с формулами (1), (2), (3), получим выражение физической модели температуры нагрева режущей пластины на величину АТ с изменением силы тока I:

В окончательном выражении сила тока / может быть определена из выражения

ЛТ-т-с

/ = -

(5)

\<р,-<рг)-т"

Таким образом, разработаны физическая модель и метод снятия внутренних напряжений в ИТС путем предварительного нагрева СМП в сборном инструменте до начала процесса резания.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований рентгенографическим методом влияния температуры на внутренние

напряжения в инструментальных твердых сплавах СМП.

Рис. 3." Дифрактограммы для сплавов ВК8 (а), ВК10 (б), ВК15 (в) при разных температурах: 1 - при 74,8 7SJ 75,6 100°С,2-при 300°С,3-при 600 "С

Для проведения этих исследований образцами являлись стандартные СМП из твердых сплавов ВК8, ВК10 и ВК15. Рентгенографические исследования проводились при температурах от 20 до 700 °С. Качественный анализ дифрактограмм (рис. 3) показал, что с увеличением температуры нагре-

ва твердосплавного образца ширина дифракционной линии уменьшается для всех сплавов группы ВК, что свидетельствует о снижении внутренних напряжений. В результате расшифровки дифрактограмм построены графики зависимостей внутренних напряжений от температуры для разных твердых сплавов группы ВК (рис. 4).

В результате исследований влияния температуры на изменение внутренних напряжений в ИТС (рис. 4) было установлено, что при комнатной температуре (20 °С) внутренние напряжения могут достигать значений, близких к предельным аа, а при увеличении температуры путем предварительного нагрева СМП до 600 °С до начала процесса резания полностью сниматься. Рентгенографическим методом была подтверждена возможность применения математической модели, разработанной научным руководителем, для расчета внутренних напряжений в инструментальных твердых сплавах CMIL

СТМПа___

800

700 600 500 400 300 200 100

0 100 200 300 400 500 600 ©t

Рис. 4. Зависимость внутренних напряжений от температуры для разных сплавов ВК: 1 - ВК8, 2 - ВК10,3 - ВК15; 4 - по математической модели

В четвертой главе показана практическая реализация результатов работы. Разработана новая конструкция сборного металлорежущего инструмента с предварительным нагревом СМП (рис. 5) (заявка №2004101575 от 19.01.2004 г. на патент на изобретение МПК 7 В23 В27/16). На границе контакта СМП из ИТС и титановой пластины при пропускании постоянного

электрического тока через полупроводниковый слой, состоящий из смеси дисульфида молибдена с жидким стеклом, на основе эффекта Пельтье идет нагрев СМП до температуры 600 °С, что обеспечивает снятие в них внутренних напряжений и, соответственно, увеличивает стойкость сборного инструмента. При дальнейшем процессе механической обработки требуемый температурный диапазон поддерживается за счет тепловыделения при резании. При этом для нагрева режущей пластины достаточно тока не более 200 А (рис. 6).

Рис. 5. Электромеханическая схема специального металлорежущего инструмента с предварительным нагревом СМП из ИТС: 1 - корпус, 2 - винт, 3 -прихват, 4 - СМП, 5 - полупроводниковый слой, 6 - токоподводящая пластина, 7 — изолирующая прокладка, 8 - источник питания, 9 - нагревательная электрическая цепь

Испытания специального сборного инструмента показали, что регулирование температуры нагрева СМП из ИТС в процессе обработки заготовки резанием предотвращает хрупкое разрушение твердосплавной режущей пластины в виде выкрашивания и микросколов в период приработки, а период нормального износа увеличивается и соответственно повышается стойкость сборного инструмента на 40 - 50 % (рис. 7).

Разработана установка для регулируемого нагрева СМП из ИТС (рис. 8) до температуры, при которой происходит снятие внутренних напряжений в ИТС и повышение работоспособности СМП (патент на полезную модель № 38307 и полож. реш. о выдаче патента на полезную модель по заявке №2004123563 от 10.09.2004 г.). Благодаря предварительному нагреву режу-

щей пластины до температуры 600 °С перед началом процесса резания и поддержанию этой температуры в процессе резания за счет включения или выключения нагревательной электрической цепи снижается износ СМП из ИТС. Испытания разработанной установки показали, что работоспособность СМП из ИТС сборных инструментов повысилась на 40 - 50 % (рис. 9).

На основании проведенных исследований была разработана методика определения температур предварительного нагрева и максимальной работоспособности СМП из ИТС и реализована для пользователя в виде программы "Определение максимальной работоспособности инструментальных твердых сплавов" на ПЭВМ. Температура предварительного нагрева должна быть равной температуре снятия внутренних напряжений в ИТС, которая соответствует температуре перехода сплава из зоны хрупкого в зону хрупкопластического разрушения. Эта методика была положена в основу руководящих технических материалов по повышению работоспособности сменных твердосплавных пластин путем предварительного их нагрева.

LmsIO'm 10 9

7 6 5 4 3 2

8

О 50 100 150 200 V м/мин

О 300 600 900 1200 et

V

Рис. 8. Электромеханическая схема ус- Рис. 9. Зависимость пути резания

тановки для регулируемого нагрева от скорости и температуры реза-

СМП из ИТС: 1 -специальный метал- ния (сталь 40Х, ВК8, S=0,28

лорежущий инструмент, 2 - источник мм/об, t=l мм): 1 - без нагрева, 2

питания, 3 - кнопка "Пуск", 4 - пуска- - с предварительным нагревом

тель, 5 - контакты пускателя, 6 - тер- СМП мопара, 7 - цепь контроля и регулирования температуры, 8 - реле, 9 - контакт реле, 10 - кнопка "Стоп"

В заключении сформулированы выводы и результаты работы:

1. Установлено экспериментально, что в ИТС, как в материалах-композитах, имеются внутренние напряжения, которые при комнатной температуре (20 °С) могут достигать значений, близких к предельным и сниматься путем нагрева СМП до температуры 600 °С

2. Разработана физическая модель, на основе которой создан метод снятия внутренних напряжений в ИТС путем предварительного нагрева СМП в сборном инструменте до начала процесса резания.

3. Установлено экспериментально, что снятие внутренних напряжений в СМП из ИТС практически исключает период приработки, а период нормального износа увеличивается, и соответственно существенно повышается работоспособность сборного инструмента.

4. Подтверждена рентгенографическим методом математическая модель для расчета внутренних напряжений в СМП из ИТС, разработанная на-

учным руководителем.

5. Разработана методика снятия внутренних напряжений в СМП из ИТС путем предварительного их нагрева, позволяющая повысить работоспособность металлорежущих инструментов.

6. Разработана новая конструкция сборного металлорежущего инструмента с предварительным нагревом СМП, обеспечивающая снятие внутренних напряжений в пластинах (заявка №2004101575 от 19.01.2004 г. на патент на изобретение МПК 7 В23 В27/16).

7. Разработаны установки для регулируемого нагрева твердосплавных режущих пластин (патент на полезную модель № 38307) и для автоматического поддержания температуры максимальной работоспособности твердосплавной режущей пластины (полож. реш. о выдаче патента на полезную модель по заявке №2004123563 от 10.09.2004 г.), обеспечивающие повышение работоспособности СМП из ИТС.

8. Новые технические и технологические решения, разработанные на основе проведенных в работе научных исследований, защищены свидетельством и положительным решением по заявке на полезные модели и поданной заявкой на патент на изобретение, переданы для внедрения на 4 предприятия, в том числе оборонной промышленности, с ожидаемым экономическим эффектом в 668000 рублей.

Научные результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Ефимович И.А., Артамонов Е.В., Чуйков Р.С. Метод исследования упругих постоянных твердых сплавов // Нефть и газ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки: Материалы научно-технической конференции, посвященной 90-летию со дня рождения В.И Муравленко. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2002. - С. 249-250.

2. Ефимович И.А., Артамонов Е.В., Чуйков Р.С. Интерферометриче-ский метод исследования модуля упругости и коэффициента Пуассона инструментальных материалов // Нефть и газ Западной Сибири: Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию

ТюмГНГУ. - Т.2. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. - С. 33-34.

3. Костив В.М., Трифонов В.Б., Чуйков Р.С. Устройство предварительного подогрева режущей части как способ повышения стойкости инструмента // Нефть и газ Западной Сибири: Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию ТюмГНГУ. - Т. 2. -Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. - С. 35-36.

4. Костив В.М., Артамонов Е.В., Чуйков Р.С. Ударная вязкость как критерий оценки температур максимальной работоспособности твердого сплава // Нефть и газ Западной Сибири: Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию ТюмГНГУ. - Т.2. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. - С. 37-38.

5. Чуйков Р.С. Интерферометрический метод исследования упругих постоянных инструментальных твердых сплавов // Новые технологии нефтегазовому региону: Материалы 2-й региональной научно-практической конференции молодых ученых. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. - С. 139-140.

6. Артамонов Е.В., Чуйков Р.С. Модели температурных микронапряжений в режущих твердосплавных пластинах // Труды XXIV Российской школы по проблемам науки и технологий, посвященной 80-летию со дня рождения академика В.П. Макеева: Сборник кратких сообщений. - Екатеринбург: УрО РАН, 2004. - С. 306-307.

7. Артамонов Е.В., Чуйков Р.С. Металлорежущий инструмент с предварительным подогревом сменных твердосплавных пластин // Труды XXIV Российской школы по проблемам науки и технологий, посвященной 80-летию со дня рождения академика В.П. Макеева: Сборник кратких сообщений. - Екатеринбург: УрО РАН, 2004. - С. 308-309.

8. Артамонов Е.В., Чуйков Р.С. Повышение работоспособности сменных твердосплавных пластин путем снятия температурных микронапряжений // Труды XXIV Российской школы по проблемам науки и технологий, посвященной 80-летию со дня рождения академика В.П. Макеева: Сборник кратких сообщений. - Екатеринбург: УрО РАН, 2004. - С. 475-477.

9. Патент на полезную модель 38307 РФ. МПК7 В23 В 27/18: Установка для регулируемого подогрева твердосплавной режущей пластины / Р.С. Чуйков, В.Н. Кусков, Е.В. Артамонов, В.Б. Трифонов, В.М. Костив; ТюмГН-ГУ.-Заявка 2004102879; Заяв. 04.02.2004.; Опубл. 10.06.04.; бюл. № 16.

Ю.Заявка на полезную модель 2004123563, МПК7 В23 В 27/16. Установка для автоматического поддержания оптимальной температуры твердосплавной режущей пластины / Р.С. Чуйков, Е.В. Артамонов, В.Б. Трифонов, В.Н. Кусков; ТюмГНГУ. - Заяв. 05.08.2004.; Полож. реш. 10.09.2004. - 7 с: 2 ил.

И.Чуйков Р.С, Артамонов Е.В. Экспериментальные исследования температурных микронапряжений инструментальных твердых сплавов // Новые технологии нефтегазовому региону: Материалы 3-й региональной научно-практической конференции молодых ученых. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2004.-С. 18-19.

12.Чуйков Р.С, Трифонов В.Б., Артамонов Е.В. Металлорежущий инструмент повышенной работоспособности // Новые технологии нефтегазовому региону: Материалы 3-й региональной научно-практической конференции молодых ученых. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2004. - С 20-21.

13.3аявка на изобретение 2004101575 РФ, МПК7 В23 В27/16. Металлорежущий инструмент / В.Н. Кусков, Е.В. Артамонов, Р.С. Чуйков, В.Б. Трифонов, В.М. Костив; ТюмГНГУ. - Заявл. 19.01.2004; отчет об информационном поиске от 23.08.2004. - 7 с: 3 ил.

Подписало к печати 14 09 04

Заказ №477 Уч. изд. л. 0,70

Тираж 100 экз. Усл. печ. л. 0,70

Тюменский государственный нефтегазовый университет Отдел оперативной полиграфии, 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Понятие работоспособности режущего инструмента

1.2. Работоспособность режущих элементов из твердых сплавов

1.3. Основные сведения об инструментальных твердых сплавах (ИТС) и их разрушении

1.4. Анализ проведенных работ. Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

ПО ПОВЫШЕНИЮ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СМП

ПУТЕМ СНЯТИЯ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ИТС

2.1. Методика проведения экспериментальных исследований

2.2. Исследования физико-механических характеристик ИТС в зависимости от температуры

2.3. Математическая модель внутренних напряжений в ИТС

2.4. Способ определения внутренних напряжений методом аппроксимации

2.5. Существующие методы предварительного нагрева

2.6. Физическая модель предварительного нагрева режущей пластины на основе эффекта Пельтье

2.7. Выводы

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ ИТС

3.1. Определение внутренних напряжений по математической модели

3.2. Рентгенографическое определение внутренних напряжений

3.3. Снижение внутренних напряжений в ИТС путем предварительного нагрева СМП

3.4. Выводы

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1. Определение температур предварительного нагрева и максимальной работоспособности СМП из ИТС

4.2. Металлорежущий инструмент для снятия внутренних напряжений

4.3. Установка для регулируемого нагрева СМП из ИТС

4.4. Установка для автоматического поддержания температуры максимальной работоспособности СМП из ИТС

4.5. Практическая реализация результатов исследования

В настоящее время широкое применение при всех видах механической обработки резанием получили сборные инструменты со сменными многогранными пластинами (СМП) из инструментальных твердых сплавов (ИТС).

По данным ВНИИ инструмента опыт внедрения резцов с СМП показал преимущества по сравнению с напайным инструментом - это повышение стойкости пластин на 25-30%, уменьшение расхода инструментального твердого сплава в 2 раза, повышение производительности труда на 20-25%. Расход СМП при изготовлении деталей из труднообрабатываемых материалов резанием чрезвычайно велик. Производственная статистика показывает, что на долю отказов инструментов с СМП в результате разрушения пластин приходится 70-75%. При анализе видов отказов режущих пластин в производственных условиях установлено, что характерными видами разрушений являются выкрашивание, скалывание, поломка. Работоспособность режущего инструмента можно определить как способность выполнять обработку резанием с целью получения заданных форм, размеров и качества обработанных поверхностей с требуемой производительностью. Одним из критериев работоспособности является наработка на отказ, а применительно к инструменту -период стойкости. Факторами, влияющими на период стойкости являются: поломки, выкрашивание, скалывание и собственно износ.

Существует множество факторов, влияющих на работоспособность режущих инструментов из ИТС. В работе впервые поставлена проблема изучения влияния внутренних напряжений (напряжений II рода), возникающих в ИТС, как в материалах-композитах, при изменении температуры и разработка технических решений, их снимающих, что позволит существенно повысить работоспособность сменных твердосплавных пластин. Поэтому исследование внутренних напряжений ИТС в зависимости от температурного воздействия с целью повышения работоспособности сменных твердосплавных пластин является актуальной проблемой.

Автор выражает благодарность за помощь в формировании научных взглядов научному руководителю, доктору технических наук, профессору Артамонову Евгению Владимировичу и коллективу кафедры «Станки и инструменты» Тюменского государственного нефтегазового университета.

4.6. Выводы

1. Разработана методика снятия внутренних напряжений в ИТС путем предварительного их нагрева, позволяющая повысить работоспособность металлорежущих инструментов.

2. Разработана новая конструкция сборного металлорежущего инструмента с предварительным нагревом СМП, обеспечивающая снятие внутренних напряжений в пластинах (заявка №2004101575 от 19.01.2004 г. на патент на изобретение МПК 7 В23 В27/16).

3. Разработаны установки для регулируемого нагрева твердосплавных режущих пластин (патент на полезную модель № 38307) и для автоматического поддержания температуры максимальной работоспособности твердосплавной режущей пластины (полож. реш. о выдаче патента на полезную модель по заявке №2004123563 от 10.09.2004 г.), обеспечивающие повышение работоспособности СМП из ИТС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе проведены исследования, направленные на повышение работоспособности СМП из ИТС путем снижения внутренних напряжений.

1. Установлено экспериментально, что в ИТС, как в материалах-композитах, имеются внутренние напряжения, которые при комнатной температуре (20 °С) могут достигать значений, близких к предельным а„, и сниматься путем нагрева СМП до температуры 600 °С.

2. Разработана физическая модель, на основе которой создан метод снятия внутренних напряжений в ИТС путем предварительного нагрева СМП в сборном инструменте до начала процесса резания.

3. Установлено экспериментально, что снятие внутренних напряжений в СМП из ИТС практически исключает период приработки, а период нормального износа увеличивается, и соответственно существенно повышается работоспособность сборного инструмента.

4. Подтверждена рентгенографическим методом математическая модель для расчета внутренних напряжений в СМП из ИТС, разработанная научным руководителем.

5. Разработана методика снятия внутренних напряжений в СМП из ИТС путем предварительного их нагрева, позволяющая повысить работоспособность металлорежущих инструментов.

6. Разработана новая конструкция сборного металлорежущего инструмента с предварительным нагревом СМП, обеспечивающая снятие внутренних напряжений в пластинах (заявка №2004101575 от 19.01.2004 г. на патент на изобретение МПК 7 В23 В27/16).

7. Разработаны установки для регулируемого нагрева твердосплавных режущих пластин (патент на полезную модель № 38307) и для автоматического поддержания температуры максимальной работоспособности твердосплавной режущей пластины (полож. реш. о выдаче патента на полезную модель по заявке №2004123563 от 10.09.2004 г.), обеспечивающие повышение работоспособности СМП из ИТС.

8. Новые технические и технологические решения, разработанные на основе проведенных в работе научных исследований, защищены свидетельством и положительным решением по заявке на полезные модели и поданной заявкой на патент на изобретение, переданы для внедрения на 4 предприятия, в том числе оборонной промышленности, с ожидаемым экономическим эффектом в 668000 рублей.

1. А. с. 1247173 СССР, МКИ4 В 23 В 27/16. Резец для обработки труднообрабатываемых материалов. - Опубл. 1986. -Бюл. № 28.

2. А. с. 78767 СССР, Кл. В 23 В 1/00. Способ обработки металлов с подогревом в зоне резания электрическим током.

3. A.c. СССР № 1553260, МКИ5 В 23 В 27/16. Режущий инструмент Девяткина С.П. Опубл. 1990. - Бюл. № 12.

4. Аваков A.A. Физические основы теорий стойкости режущих инструментов. -М.: Машгиз, 1960.

5. Александров А.Я., Ахметзянов М.Х. Поляризационно-оптические методы механики деформируемого тела. М.: Наука, 1973. - 576 с.

6. Алифанов А.Я. Комбинированный инструмент для обработки труднообрабатываемых материалов // Технологическое обеспечение надежности и долговечности деталей машин: Сб. науч. тр. Ярославль: ЯПИ. 1987. - 108 с.

7. Андреев Г.С. Методика определения контактных поверхностей инструмента при периодическом прерывистом резании // Станки и инструменты. №11.1974.

8. Артамонов Е.В. Прочность и работоспособность сменных твердосплавных пластин сборных режущих инструментов. Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. - 192 с.

9. Артамонов Е.В., Ефимович И.А., Смолин Н.И., Утешев М.Х. Напряженно-деформированное состояние и прочность режущих элементов инструментов. -М.: Недра, 2001.- 199 с.

10. П.Артамонов Е.В., Костив В.М. Инструментальные твердые сплавы и их влияние на работоспособность металлорежущих инструментов: Учебное пособие. -Тюмень: ТюмГНГУ, 1998. 136 с.

11. Артамонов Е.В., Смолин Н.И. Расчет оптимального положения многогранныхнеперетачиваемых твердосплавных пластин в корпусе режущего инструмента // Информ. листок № 59-82. Тюменский ЦНТИ, 1982.

12. Бетанели А.И. Прочность и надежность режущего инструмента. Тбилиси: Сабчота сакартвело, 1973. - 304 е.: ил.

13. Бетанели А.И. Хрупкая прочность режущей части инструмента. Тбилиси: Грузинский политехнический ин-т, 1969. - 319 с.

14. Васильев Д.М. // ЖТФ. 1958. - Т. 28. - №1. - С. 25.

15. Верещака A.C. и др. Исследование теплового состояния режущих инструментов с помощью многопозиционных термоиндикаторов // Вестник машиностроения. 1986. - № 1. - С. 45-49.

16. Верещака A.C. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. -М.: Машиностроение, 1993.

17. Воронов Ф.Ф., Балашов Д.Б. // ФММ. 1960. - Т. 9. - №4. - 616 с.

18. Геворкян Р.Г. Курс физики. М.: Высшая школа, 1979. - 656 с.

19. Горбачева Т.Б. Рентгенография твердых сплавов. М.: Металлургия, 1985. -103 с.

20. ЗО.Зорев H.H., Креймер Г.С. Высокопроизводительная обработка стали твердосплавными резцами при прерывистом резании. М.: Машгиз, 1961. - 227 с.31.3орев H.H., Фетисова З.М. Обработка резанием тугоплавких сплавов. -М. ¡Машиностроение, 1976.

21. Избранные методы исследования в металловедении. / Пер. с нем. Под ред. Г.И. Хунгера. М.: Металлургия, 1985. - 416 с.

22. Кабалдин Ю.Г. Исследование разрушения режущей части твердосплавного инструмента при фрезеровании // Вестник машиностроения. 1981. - № 8. -С. 52-54.

23. Кабалдин Ю.Г. Трение и износ инструмента при резании // Вестник машиностроения. 1995, №1. - С. 26-31.

24. Кабалдин Ю.Г. Хрупкое разрушение режущей части инструмента // Вестник машиностроения. 1981. - № 7. - С. 41-42.

25. Кабалдин Ю.Г., Мокрицкий Б.Я., Семашко H.A., Тараев С.П. Современные методы конструирования, контроля качества и прогнозирования работоспособности режущего инструмента. Владивосток: Дальневосточный университет, 1990. - 122 с.

26. Киффер Р., Березовский, Твердые сплавы. -М.: Металлургия, 1971.

27. Ковальский А.Е. и др. // В сб. материалов по материаловедению и технологии изготовления металлокерамических твердых сплавов, тугоплавких металлов и соединений на их основе. Ч. II, ЦИИН ЦМ, 1963.

28. Креймер Г.С. Прочность твёрдых сплавов.- М.: Металлургия, 1966. 200 с.

29. Креймер Г.С., Сафонова О.С., Баранов А.И. // ЖТФ. 1955. - Т. XXV. Вып. I. -117 с.

30. Куклин Л.Г. Сагалов В.И., Серебровский В.Б., Шабашов С.П. Повышение прочности и износостойкости твердосплавного инструмента. М.: Машиностроение, 1968. - 140 с.

31. Лоладзе Т.Н. Износ режущего инструмента. М.: ГНТИМП, 1958. - С. 356.

32. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1982. - 320 с.

33. Лоладзе Т.Н., Ткемиладзе Г.Н., Тотчиев Ф.Г. Исследование напряжений в режущей части инструмента при переходных процессах методом фотоупругости // Сообщ. А.Н. Грузинской ССР. 1975. - №3.

34. Лошак М.Г. Прочность и долговечность твердых сплавов. Киев: Наукова думка, 1984-327 с.

35. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1976.-278 с.

36. Малкин А.Я. Исследование процесса резания металлов при обработке сталей высоких механических качеств: Дисс. ,. докт. техн. наук. Москва, 1949.

37. Металлорежущие инструменты. / Г.Н. Сахаров, О.Б. Арбузов, Ю.Л. Боровой и др.: Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 1989. - 329 с.

38. Надежность машиностроительной продукции. Практическое руководство по нормированию, подтверждению и обеспечению. М.: Издательство стандартов, 1990.-328 с.

39. Полетика М.Ф. Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента. М.: Машиностроение, 1969. - 148 с.:ил.

40. Полетика М.Ф. Контактные условия как управляющий фактор при элементном стружкообразовании // Прогрессивные технологические процессы в машиностроении: Сборник научных трудов. Томск: Изд-во ТПУ, 1997. - С. 6-13.

41. Полетика М.Ф. Теория резания. Часть I. Механика процесса резания: Учебное пособие. - Томск: Изд. ТПУ, 2001- 202 с.

42. Полетика М.Ф., Козлов В.Н. Контактные нагрузки и температуры на изношенном инструменте // Прогрессивные технологические процессы в машиностроении: Сборник научных трудов. Томск: Изд-во ТГТУ, 1997. - С. 18-21.

43. Полетика М.Ф., Красильников В.А, Напряжения и температура на передней поверхности резца при высоких скоростях резания // Вестник машиностроения. 1973. -№ 10. - С. 76-80.

44. Полетика М.Ф., Мелихов В.В. Контактные нагрузки на задней поверхности инструмента // Вестник машиностроения. 1967. - № 9. — С. 78-81.

45. Полетика М.Ф., Утешев М.Х. Исследование процесса резания поляризацион-но-оптическим методом // Известия Томского политехнического института. — Томск, 1964. -№. 114.-С. 114-118.

46. Полетика М.Ф., Утешев М.Х. К расчету режущей части инструмента на прочность. // Известия Томского ордена Трудового Красного знамени политехнического ин-та С.М. Кирова. Т. 133. - 1975.

47. Прибылов Б.П. Основы расчета режущего инструмента на прочность. М.: ВНИИ, 1966.

48. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. / Горелик С.С., Ска-ков Ю.А., Расторгуев JI.H.: Учебное пособие для вузов. 4е изд., доп и пере-раб. - М.: МИСиС, 2002. - 360 с.

49. Розенберг A.M., Еремин А.Н. Элементы теории процесса резания металлов. — М.: Машгиз, 1956. 319 с.

50. Розенберг Ю.А. Создание нормативов по определению сил резания с использованием теоретических зависимостей процесса резания // Вестник машиностроения. 2000. - № 9. - С. 35-40.

51. Розенберг Ю.А., Тахман С.И. Силы резания и методы их определения. Ч. I. Общие положения: Учебное пособие. - Курган: КМИ, 1995.

52. Розенберг Ю.А., Тахман С.И. Силы резания и методы их определения. Ч. II. Общие положения: Учебное пособие. - Курган: КМИ, 1995.

53. Рыкунов А.Н. Аналитический метод оптимизации процессов точения с учетом износостойких покрытий // Сб. трудов «Оптимизация операций механической обработки» / Под ред. Силина С.С. Ярославль: ЯПИ, 1986.

54. Силин Р.И., Мясищев A.A., Ковальчук С.С. Анализ процесса снятия стружки металла режущим клином // Известия вузов Машиностроение, 1989. - №2.1. С. 145-148.

55. Силин С. С. Метод подобия при резании металлов. М.: Машиностроение, 1979.-152 с.

56. Силин С.С., Баранов A.B. Расчет оптимальной скорости резания при зенкеро-вании сталей и сплавов // Станки и инструменты. 1989. - № 6. - С. 34.

57. Справочник по машиностроительным материалам. В 4 т. Т.2. Цветные металлы и их сплавы. / Под ред. Г.И. Погодина-Алексеева. - М.: Машиностроение, 1959.-640 с.

58. Талантов Н.В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента. -М.: Машиностроение, 1992.

59. Третьяков В.И. Металлокерамические сплавы. Металлургиздат, 1962.

60. Третьяков И.П., Киселев Н.Ф., Яцук Н.В. Исследование прочности режущих кромок инструмента при ударно-циклических нагрузках. // Известия вузов -М.: Машиностроение, 1970. -№10.

61. Третьяков В.И., Чапорова И.Н. Твердые сплавы: Сб. трудов ВНИИТС. -№1. -Металлургиздат, 1959. 191 с.

62. Туманов В.И. и др. // Изв. АН СССР. Серия "Металлургия и горное дело". -1964.-№1.- 170 с.

63. Уманский Я.С. Рентгенография металлов и полупроводников. М.: Металлургия, 1969. - 496 с.

64. Фрохт М. Фотоупругость. Т. II. / Пер. с англ. -М.: Л.ГОНТИ, 1950.

65. Хает Г.Л. Прочность режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1975. -168 с.

66. Чапорова И.Н., Чернявский К.С. Структура спечённых твёрдых сплавов. М.: Металлургия, 1975.-248 с.

67. Чуйков P.C., Трифонов В.Б., Артамонов Е.В. Металлорежущий инструмент повышенной работоспособности // Новые технологии нефтегазовому региону: Материалы 3-й региональной научно-практической конференции молодых ученых. Тюмень: ТюмГНГУ, 2004. - С. 20-21.

68. Ballhausen С. Stahl und Eisen, 1952, Bd 72, S.489.

69. Bernard R. Jernkontorets Annaler, 1963, v. 147, №1, p. 22.

70. Bock H., Hoffman H., Blumenauer H. Mechanische Eigenschaften von Wolframkarbid Kobalt - Legierungen. - Technik, 1976, 31, N1, S. 47-51.

71. Brams S.H. Iron Age, 1945, v.156. №13, p.55.

72. Chermant J.L., Osterstock F. Fracture Toughness and Fracture of WC-Co Composites.-J. Mat. Sei., 1976, №11, p. 1939-1951.

73. Engle E.W. Pow.Metal.,edit. by Wulff,ASM.GIeveland, 1942, p.436.

74. Felgar R.P., Lubahn I.D. Proceed. ASTM. 1957, v.57. p.770.

75. French D.N. J. Amer. Ceram. Soc., 1969, v. 52, №5, p. 267.

76. Gurland J. Trans. ASM, 1958, v. 50, p. 1063.

77. Irwin G.R., In «Structural Mechanics: Proceedings of 1st Symposium on Naval Structural Mechaniks» (J.N. Goodier, N.J. Hoff, eds.), Pergamon, New York, 1960.

78. Kerper M.G. a.u. Res. Nat. Bur. Standarts. 1958. v.61. №3, p. 149.

79. Kieffer R., Benesovsky F. Hartmetalle. 1965, Wien-New-York.

80. Koster W., Rauscher W.Z. Metallkunde. 1948, Bd 39, S.l 11.

81. Lardner E., Mc Gregor N.J. Inst, of Metals, 1951, v.80, p.369.

82. Nishimatsu C., Gruland J. Transact. ASM. 1960, v.52. p.469.

83. Pfau H., Rix W. Über den Gitterzustand und die Festigkeit des Wolframkarbid -Körnes im Hartmetallgefüge. Z. Metallkunde, 1952, Bd 43, №13, S. 440-443.

84. Riviere R., Bernard R.J. Phys. et Radium, 1958, v. 19, №12, p. 819.

85. Späht W. Einige Betrachtungen zum Festigkeitsverhalten von Hartmetallen. -Metall, 1958, Bd 12, №10, S. 925-929.

86. РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ Открытое Акционерное Общество

87. ТЮМЕНСКИЙ СТАНКОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ЗАВОД»

88. Повысить эффективность использования и уменьшить число отказов сборного режущего инструмента с СМП в 2-3 раза.

89. Повысить работоспособность сборного режущего инструмента с СМП из инструментальных твердых сплавов на 40-50 %.

90. Экономический эффект в расчете на год составляет 140 тыс. рублей.

91. От вуза: Прорек и поел Тюм!работе ованию сорвенский

92. Научный руввввдигель, д.т.н., профессор1. Е.В. Артамонов

93. От предприятия: Исполнитедьдьш директор ОАОстаця кзавод»1. Коротких1. Глав ОАОстанкостроительный завод»кии1. Т.В. Пашук1. Аспирант .1. P.C. Чуйков1. О 5"

94. Закрытое акционерное общество1. Тюменские авиадвигатели"п1. АКТо внедрении результатов научно-исследовательской работы

95. Повысить эффективность использования и уменьшить число отказов сборного режущего инструмента с СМП в 2-3 раза.

96. Повысить работоспособность сборного режущего инструмента с СМП из инструментальных твердых сплавов на 50-60 %.

97. Экономический эффект в расчете на год составляет 250 тыс. рублей.1. Аспирант1. P.C. ЧуйковfO 4

98. E-mail: grom@tmn.ru к/с 30101810900000000797, БИК 047102797, OKOHX 14183на №от1. АКТо внедрении результатов научно-исследовательской работы

99. Исполнители: сотрудники ТюмГНГУ Артамонов Е.В., Чуйков P.C.1. Внедрение позволило:

100. Повысить эффективность использования и уменьшить число отказов сборного режущего инструмента с СМП в 2-3 раза.

101. Повысить работоспособность сборного режущего инструмента с СМП из инструментальных твердых сплавов на 50-60 %.

102. Экономический эффект в расчете на год составляет 98 тыс. рублей.1. От вуза:

103. Проректор по научной работе и послев^овскрму^ образованию профессор1. М. Ковенскийель,1. Е.В. Артамонов1. P.C. Чуйков

104. От предприятия: Генеральный директор ОАО «ГРОМ»1. А.П. Федин

105. Главный инженер ОАО «ГРОМ»i4kob

106. ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ1. ИНН 7203140310

107. Р/с 407Ö281090004Ö100845 ТФ ЗАО «СНГБ»625014, т. Тюмень пл. Хуторянского, ! т/ф ( 3452) 21-25-79о внедрении результатов научно-исследовательской работы

108. Исполнители: сотрудники ТюмГНГУ Артамонов Е.В., Чуйков P.C. Внедрение позволило:

109. Уменьшить число отказов сборного режущего инструмента с СМП в результате разрушения пластин в 2-3 раза.

110. Повысить работоспособность сборного режущего инструмента с СМП из инструментальных твердых сплавов на 50-60 %.

111. Экономический эффект в расчете на год составляет 180 тыс. рублей.чной работеобразованию профессор1. М. Ковенский

112. Научный руководитель, д.т.н,,/|рйфессор1. Аспирант1. Е.В. Артамонов1. P.C. Чуйков

113. От предприятия: Директор ООО «ИнОст»1. В.В. Моисеев

114. Главный инженер ООСК « И н Ост»1. СЛ. Кичатов