автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение точности чистовой токарной обработки деталей из алюминиевых сплавов путём снижения температурных деформаций инструмента

На правах рукописи

ФЛОРОВ АЛЕКСЕЙ ВАДИМОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ЧИСТОВОЙ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПУТЁМ СНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ИНСТРУМЕНТА.

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16 МАЯ ¿013

005058884

Москва 2013г.

005058884

Работа выполнена в лаборатории №1 «Интегрированные автоматизированные машиностроительные системы» Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института конструкторско-технологической информатики Российской академии наук (ИКТИ РАН).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Михаил Юрьевич Куликов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Эдуард Максович Берлинер (ФГБОУ МГИУ, г. Москва)

кандидат технических наук, доцент Андрей Кириллович Кирилов (ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва)

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина» (ИГЭУ)

Защита состоится 20 мая 2013 г. в 14.00 в малом конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 217.042.02 в ОАО НПО "ЦНИИТМАШ" по адресу: 115088, г. Москва, Шарикоподшипниковская ул., д. 4, корп. 1А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО НПО "ЦНИИТМАШ".

Автореферат разослан «15» апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 217.042.02 кандидат технических наук _ —^

Клауч Д.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Одной из приоритетных задач развития нашей страны является отечественная космическая программа. При создании ракетно-космической техники нового поколения широко используют наземные аэрогазодинамические испытания. Наземные испытания проводят на уменьшенных масштабно-весовых копиях элементов ракетно-космической техники, которые встраиваются в информационно-измерительные комплексы (ИИК). Точность изготовления таких ИИК определяет точность результатов наземных испытаний. В настоящее время перед отечественным испытательным комплексом стоит цель - значительно повысить точность наземных испытаний. Для ее достижения необходимо наладить производство высокоточных ИИК, отдельные элементы которых должны быть изготовлены по 4-5 квалитету точности. Большинство этих элементов изготавливаются из алюминиевых, в т.ч. специальных, сплавов. В дальнейшем эти детали в составе ИИК проходят испытания в барокамере с глубоким вакуумом, что требует особого подхода при создании технологического процесса их изготовления. В первую очередь эта особенность заключается в невозможности использования смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС).

Это связано с насыщением поверхностного слоя деталей элементами СОТС и с последующим выделением их в виде газа в барокамере, что не дает возможности получения достоверных результатов. Возникает необходимость размерной обработки без СОТС, что влечет за собой увеличение теплового напряжения в зоне резания, вследствие чего температурные деформации (ТД) инструмента и заготовки вырастают до значений, превышающих указанные в конструкторской документации допуски.

Цель работы

Повышение точности чистовой токарной обработки путём снижения тепловых деформаций.

Методы исследования

Поставленные задачи решались путем проведения экспериментальных и теоретических исследований. Теоретические исследования выполнены с применением методов математической физики, а также метода непосредственного интегрирования дифференциального уравнения и метода итерации. Экспериментальные исследования выполнены на токарных станках с использованием универсальной современной измерительной аппаратуры. Использовались основные положения теплофизики резания. Расчет и статистическая обработка данных проводилась в табличном редакторе Excel.

Достоверность и обоснованность результатов исследования, научных выводов и рекомендаций подтверждается:

- применением точных аттестованных приборов;

хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных результатов;

- положительными результатами производственных испытаний.

Научная новизна

разработана математическая модель расчета температурных деформаций резца при чистовой токарной обработке;

- установлены закономерности образования температурных деформаций и факторы их влияния на точность чистовой токарной обработки заготовок из алюминиевых сплавов;

определены закономерности влияния основных характеристик установочных поверхностей твердосплавной пластины и державки на температурные деформации инструмента;

- разработан способ отвода тепла от режущего инструмента за счет применения теплопроводной пасты в конструкции резца (заявка на изобретение №2012151219 от 12.11.2012г).

Практическая значимость работы заключается в следующем

- создана удобная, для практического применения, математическая модель расчета температурных деформаций резца;

- разработаны рекомендации по снижению температурных деформаций инструмента;

- в ходе производственных испытаний на ОАО «НПО ИТ» установлено, что использование данного способа обеспечивает снижение температурных деформаций инструмента до трёх раз.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы были представлены в докладах: на Международной научной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии», «Технология 2011» и «Технология 2012» (Технологический институт им. Поликарпова ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» г. Орёл 2011 - 2012 г.); на 20-ом Международном научно-техническом семинаре «Высокие технологии: тенденции развития, нормативно-техническое регулирование» ИНТЕРПАРТНЕР-2012; на научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Янгелевские чтения 2011» (Федеральное Государственное Унитарное Предприятие «Центральный Научно-Исследовательский Институт машиностроения»); на III Международном семинаре «Техника и технологии трибологических исследований», г. Иваново, 2012 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них - 2 статьи в изданиях, аккредитованных ВАК.

Структура и объем работы

Диссертационная работа включает в себя: введение, пять глав и выводы. Содержит 121 страницу печатного текста, 25 рисунков, 17 графиков, 1 таблицу и библиографический список, включающий 81 наименование.

Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы; приведены основные положения, которые выносятся на защиту, показана научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе приведен анализ состояния вопроса и сформулированы задачи исследования.

Тепловые процессы при резании оказывают большое влияние на точность изготовления деталей. Изучению влияния различных факторов на эти процессы посвящены работы: А.Н. Резникова, A.B. Темникова, Б.Ф. Трахтенберга, Н.В. Дилигенского, С.С. Силина, B.JI. Остафьева, Д.Г. Евсеева, A.B. Подзея, A.C. Верещаки, B.C. Кушнера, Н.В. Талантова, A.B. Якимова, В.А. Сипайлова. В работах этих авторов наиболее полно рассмотрен вопрос теплового баланса в зоне резания и влияния на него режимных факторов. На основании этих работ были сделаны обобщения по существу проблемы.

Одним из наиболее существенных факторов, влияющих на точность обработки в результате теплового воздействия, является ТД инструмента и заготовки. Исследованию ТД при резании посвящены работы А.П. Соколовского, B.C. Корсакова, J1.A. Резникова, Т.А. Макарова, Ю.Л. Серебряного, О.Г. Пановой. Анализ данных работ показал, что ТД инструмента и заготовки сложно определить экспериментально, их величину как правило устанавливают расчетным путем.

Большинство авторов предлагают вычислять ТД с помощью эмпирически выведенных формул, применение которых возможно только для приблизительной оценки. Более точные методы расчета ТД требуют применения сложного математического аппарата и специальных программ, что препятствует их промышленной реализации.

В результате изучения и анализа литературы были сформулированы следующие задачи исследования.

1. Установить закономерность влияния температурных деформаций инструмента и заготовки на точность чистовой токарной обработки деталей из алюминиевых сплавов.

2. Разработать математическую модель и алгоритм расчета температурных деформаций, позволяющие определить их влияние на точность обработки.

3. Провести расчеты температурных деформаций инструмента и вызванных ими погрешностей при чистовой обработке заготовок из алюминиевых сплавов.

4. Исследовать влияние теплофизических свойств резца с механическим креплением на температурные деформации и точность полученной детали.

5. Разработать рекомендации и способ снижения температурных деформаций при обработке заготовок из алюминиевых сплавов.

Во второй главе представлены экспериментальные методы исследования, используемые материалы и инструменты.

Исследовался процесс чистовой лезвийной обработки заготовок из алюминиевых сплавов марки Д16Т и САП-1. В процессе проведения исследований использовался инструмент со сменными неперетачиваемыми режущими пластинами из твердого сплава марки НЮ фирмы «БА^УНС» (аналог отечественного ВК10). Режущие пластины имели специальную оптимизированную геометрию АЬ для обработки алюминиевых сплавов с величиной переднего угла у=20° и у=25°. Также испытывали режущие пластины из поликристаллического алмаза со специальной оптимизированной геометрией Б под обработку алюминиевых сплавов, выпускаемые фирмой «БАМЭУПС».

Для экспериментального определения погрешностей вызванных ТД, использовались методики, описанные в работах Э.В. Рыжова, В.В. Семенова и К.В. Гришина. Эксперимент проводился на токарных станках двух разных марок 1К62Д и 250ТВФ1, что позволило при исследовании погрешностей от ТД инструмента и заготовки исключить погрешности, вызванные особенностью оборудования.

Тепловизионное исследование проводилось с помощью портативного компьютерного термографа марки ИРТИС-2000. Данный термограф внесен в Госреестр и является средством измерения с точностью 0,08 °С, он позволяет достичь высокой повторяемости геометрии последовательных кадров и равномерной чувствительности по всему полю кадра.

Проанализированы математические методы, расчета ТД. Приведена классификация методов, позволяющая выбрать наиболее оптимальный метод для решения конкретной задачи.

В заключении описаны используемые методы статистической обработки данных, приведены расчетные формулы.

Третья глава посвящена исследованию термомеханических явлений при токарной обработке и разработке математической модели расчета температурных деформаций инструмента.

Почти вся энергия, затраченная на процесс стружкообразования, переходит в тепло. Для наглядного представления распространения этого тепла в зоне резания проведены тепловизионные исследования, представленные на рисунке 1.

zoo

181.7

163.4 145.1

126.8

108.5 ЭЛ. 2

л.з 5аб 35.3

1 17

Рис. 1. Кадр тепловизионной камеры с указанием температуры в °С. Условия обработки: заготовка - круг 080 мм материал - САП-1, резец со сменной режущей пластиной НЮ и геометрией AL, v = 502,4 м/мин, t = 0,3 мм, S = 0,075 мм/об, без применения СО ТС.

Анализ полученных снимков показал, что температура на поверхности инструмента вырастает до значений 150 °С, причем концентрация высоких температур находится в области режущей пластины. Температура поверхности заготовки изменяется крайне незначительно и величина этого изменения

1. Кадр тепловизионной камеры с указанием температуры в °С.

находится в пределах точности теиловизионной камеры, следовательно, это изменение меньше 0,08 °С. Учитывая столь небольшие изменения температуры в заготовки, по сравнению с инструментом, очевидно, что основной причиной погрешности формы заготовки является линейное удлинение инструмента, а именно режущей пластины.

Для расчета геометрических параметров тепловых источников и мощности тепловых потоков, направленных в инструмент, использовали методику расчета, разработанную А.Н. Резниковым. С помощью табличного редактора Excel расчет был автоматизирован. Использованная нами методика вычисления тепловых потоков определяется из условий обработки, поэтому в полученных результатах учтены как геометрия инструмента, так и режимы резания.

Согласно теории теплопроводности, приведённой в работе В.М. Фокина Г.П. Бойкова Ю.В. Видина, поток в материале распространяется в границах трубок тока тепла, вдоль которых нет обмена энергией, поэтому такие трубки можно назвать адиабатными. Каждая градиентная трубка имеет свою форму и кривизну. Они обусловлены «обжатием» всей системы трубок, внешней формой тела, но у каждой «кривой» трубки есть свой «прямой» теплофизический аналог рисунок 2. Его усеченный конус, имеющий площади оснований, а также высоту, равную площадям входа и выхода и длине средней линии реальной трубки соответственно.

В концепции движения тепла вдоль адиабатной трубки вводятся три аксиомы.

Усеченный конус-аналог адиабатной трубки имеет постоянный по высоте трубки телесный угол <р:

F

где, .Г- площадь основания конуса (см2); Я- высота конуса (см).

Для всех и каждой трубки «угловая теплонапряженность» (тепловая энергия на единицу телесного угла) всей системы трубок есть величина, равная:

к = Я.

<р

где, Q- тепловой поток (кал/сек).

Температура материала конуса с адиабатными стенками в стационарном процессе передачи тепла определяется формулой:

у ' ХсрЯ

(1)

где 0„ - температура материала конуса, при /?—>-»; I- коэффициент теплопроводности (кал/см-сек-°С).

В каждом теле, имеющем с одной стороны источник, а с другой стороны сток, можно провести прямую линию из центра площади источника до самой дальней точки на стоке. Эта прямая будет являться длинной центральной адиабатной трубки. Такая центральная трубка имеет усредненную по сечению температуру нашего резца, которая может быть определена уравнением (1). Уравнение линейного удлинения в дифференциальной форме имеет вид:

с/А = а0(пуи

(2)

где, а - коэффициент теплового линейного удлинения (м/°С);

0(я) - изменение температуры вдоль резца, определяемое формулой (1);

сИ - дифференциал длины участка, участвующего в тепловых деформациях (от

вершины резца до заделки в резцедержатели).

Решая уравнение (2) путем прямого интегрирования, получаем формулу для расчета удлинения резца:

V я к«>г)

гдеД - коэффициент теплопроводности (кал/см-сек-град)\

Rzop - расстояние от центра сферического поля до горячей торцевой поверхности адиабатного конуса (источника) (см)',

Язад - расстояние от вершины резца до крепления в резцедержателе (заделке) (см).

Представленная выше формула для расчета линейного теплового удлинения резца включает два параметра, определяемых в результате теплофизического анализа.

К - теплонапряженность в инструменте, неизвестный коэффициент, получаемый в итерации представленного ниже уравнения:

min(F \F^±K-Slj))2

где, Fzopl- суммарная площадь стока (см2);

Fxonij - это не суммарные, а ij-тые площади торцов (источников) адиабатных трубок (см2);

Qij - тепловые потоки в адиабатных трубках (кал/сек);

в0 - определяемое, в итерациях представленного ниже уравнения, из условия стационарного теплового процесса и граничных условий.

^{q^-QM

"0 \Гхол )

где,

Qcm=ßFxoßFJe0)

где, Qcm и Quem - тепловые потоки на источнике и на стоке (кал/сек); /?- коэффициент теплоотдачи (Вт/м2сек); Fxo.i - площадь стока (см2);

вг - температура поверхности стока (°С).

Четвертая глава посвящена теоретическому исследованию ТД инструмента и проверке адекватности математической модели.

На основе разработанной математической модели проведены расчеты тепловой деформации инструмента при токарном точении, представленные на рисунке 3.

Выполненный теплофизический анализ, при расчете теплового потока, позволил сформулировать выводы о влиянии особенностей обработки на ТД инструмента.

Значительное влияние на ТД инструмента оказывают его геометрические параметры. Это влияние возникает за счет изменения площади контактных поверхностей и режущих свойств. Причем, наибольшее влияние оказывает

Ю

вполне возможны. При этом необходимо назначать глубину резания на черновых проходах таким образом, чтобы глубина резания на последнем чистовом проходе была минимально возможной.

Особое влияние на ТД имеют теплофизические свойства инструмента и заготовки. Если рассматривать формулу теплового баланса, то чем меньше теплопроводность инструмента, тем меньше процент теплового потока, направленного в него. Но при этом уменьшение теплопроводности увеличивает температуру в инструменте, что тоже является негативным фактором для снижения ТД. Однако за счет комбинирования составных элементов резца можно создавать инструмент с наименьшей склонностью к ТД.

250 300 350 400 450 500

V (м/мин)

- Результат эксперимента. Режущая пластина ВК10, геометрия АЬ с передним уголом у=20

- Результат эксперимента. Режущая пластина ВК10, геометрия АЬ с передним уголом у=25

- Результат эксперимента. Режущая пластина поликристаллический алмаз с геометрией К

-Результатрасчета. Режущая пластина ВК10, геометриия АЬ с передним уголом у=20

- Результат расчета. Режущая пластина ВК10, геометрия АЬ с передним уголом у=25

- Результат расчета. Режущая пластина поликристаллический алмаз с геометрией К

Рис. 4. Результаты расчета погрешности диаметра в сравнении с экспериментально полученными данными, вызванными тепловыми деформациями инструмента в зависимости от скорости резания и режущей пластины. Обрабатываемый материал САП-1. Режимы резания: 1=0,1 мм, 8=0,075 мм/об.

Анализ сравнения экспериментальных и теоретических результатов не может однозначно показать абсолютную точность математической модели, но вполне достаточен для подтверждения её адекватности. На рисунке 4 показаны кривые, полученные как расчетным, так и эмпирическим методом.

уменьшить, применяя теплопроводный интерфейс (теплопроводная паста), смазывая тонким слоем контактные поверхности резцедержавки и режущей пластины.

Для обеспечения нормального отвода тепла весь воздух из зазоров (теплопроводность воздуха 0,03 Вт/(м*К)) должен быть вытеснен специальным теплопроводящим эластичным составом, имеющим гораздо более высокую теплопроводность. В наших исследованиях применялась кремнийорганическая теплопроводная паста АлСил-3 с теплопроводностью - 2 Вт/(м*К)). Результат действия пасты представлен на снимках, сделанных тепловизионной камерой рисунок 5.

а) б)

Рис 5. Кадры, сделанные тепловизионной камерой при работе резца, а) с применением теплопроводной пасты и б) без теплопроводной пасты. Условия обработки: заготовка - круг 080 мм, материал - САП-1, резец - НЮ, у = 502,4 м/мин, t = 0,3 мм, s = 0,075 мм/об.

На снимке видно, что при работе инструмента без применения теплопроводной пасты температура на поверхности твердосплавной пластины достигает значений 150 °С, а там, где работа инструмента осуществлялась с применением теплопроводной пасты, температура на твердосплавной пластины ниже температуры инструмента без пасты в полтора раза, а уходящий в тело резцедержавки слабый оттенок светло-фиолетового цвета свидетельствует о проникновении теплового потока в тело резцедержавки.

Полученные в исследовании расчетные и экспериментальные данные ТД инструмента с применением пасты на установочных поверхностях в сравнении с инструментом без использования пасты показаны на рисунке 6.

14

250 300 350 400 450 500

V (м/мин)

•Результатрасчета без пасты, инструмент ВК10, геометрией ЛЬ с передним уголом у=20

-Результатрасчета без пасты. Инструмент ВК10, геометрия АЬ с передним уголом у=25

-Результатрасчета вез пасты. Инструмент поликристаллический алмаз, геометрией К

-Результат эксперимента без пасты. Инструмент ВК10, геометрия АЬ с передним уголом у=20

-Результат эксперимента без пасты. Инструмент В К10, геометрия ЛЬ с передніш уголом у=25

• Результат эксперимента без пасты. Инструмент поликристаллический алмаз геометрия Е

- Результат эксперимента с пастой. Инструмент В К10, геометрия АЬ с передним уголом у=20

•Результат эксперимента с пастой. Инструмент ВК10, геометрия АЬ с передним уголом у—25

- Результат эксперимента с пастой. Инструмент поликристаллический алмаз геометрия К

- Результат расчета с пастой. Инструмент ВК10, геометрией АЬ с передним уголом у=20

-Результатрасчета с пастой. Инструмент ВК10, геометрия АЬ с передним уголом у=25

-Результатрасчета с пастой. Инструмент поликристаллический алмаз, геометрией К

Рис. 6. Влияние пасты АлСил-3 на величину погрешности диаметра, вызванную тепловыми деформациями инструмента. Обрабатываемый материал САП-1. Режимы резания: 1=0,1 мм, 5=0,075 мм/об.

15

Полученные результаты работы инструмента с пастой при увеличении скорости резания показали такую же динамику роста ТД, что отмечалось и ранее, но при этом наблюдался общий, почти равномерный спад величины ТД по всему диапазону скорости резания. Это следствие более глубокого распространения тепла по передней, не участвующей в ТД, части резцедержавки и увеличения площади стока тепла.

На основании проведенных исследований разработан способ отвода тепла от режущего инструмента, применение которого, (без подачи СОТС в зону резания) позволяет до трех раз снизить ТД инструмента при чистовой обработке алюминиевых сплавов.

Подана заявка на изобретение «Способа отвода тепла от режущего инструмента» (№ 2012151219 от 12.11.2012г).

На производственной базе Открытого акционерного общества «Научно-производственное объединение измерительной техники», г. Королев, были проведены производственные испытания разработанного способа снижения ТД инструмента. Данные испытания подтвердили снижение ТД инструмента при чистовой обработке алюминиевых сплавов до трех раз.

Одним из главных преимуществ способа снижения ТД при использовании теплопроводного интерфейса в виде пасты является его незначительная цена и отсутствие необходимости применять сложную оснастку. Частой замены в процессе работы инструмента теплопроводный интерфейс не требует. Его достаточно нанести на весь срок службы режущей пластины однажды, а замену теплопроводного интерфейса производить при смене изношенной режущей пластины, при её демонтаже и переустановке на резцедержавку. При этом перед нанесением нового слоя теплопроводного интерфейса старую пасту необходимо удалить с использованием моющегося средства, поверхности обезжирить и насухо продуть воздухом. Эти действия не занимают большого времени. Поэтому, в условиях производства применять теплопроводную пасту в конструкции инструмента не составит большого труда.

Исходя из вышесказанного, сформулированы практические рекомендации для снижения ТД инструмента при чистовой токарной обработке заготовок из алюминиевого сплава.

1. Для снижения температурных деформаций токарного резца рекомендуется на установочных поверхностях резцедержавки и режущей пластины применять теплопроводную пасту марки АлСил-3. Наносить пасту следует тонким, равномерным по всей поверхности, слоем. Перед нанесением пасты установочные поверхности следует обезжирить и насухо просушить

воздухом. Замена пасты производится при каждой смене местоположения режущей пластины.

2. При наличии износостойкого покрытия на установочной поверхности режущей пластины покрытие целесообразно удалять. Удаление покрытия производить, выдерживая на установочной поверхности пластины шероховатость не более 11а 1,25.

3. Значительное влияние на температурные деформации оказывает радиус при вершине резца. Изменение его величины с 0,3 мм до 1,2 мм, приводит к увеличению температурных деформаций в два с половиной раза. Поэтому целесообразно использовать режущие пластины с минимальным радиусом при вершине, назначая величину подачи, которая обеспечивает при данном радиусе заданную конструкторской документацией шероховатость.

4. Уменьшение переднего угла с 20° до 25° приводит к снижению температурных деформаций на 17%. Поэтому рекомендуется применять режущие пластины с меньшим передним углом.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлена зависимость температурных деформаций инструмента и заготовки при чистовой токарной обработке заготовок из алюминиевых сплавов от параметров процесса резания. При этом основное влияние на точность оказывают температурные деформации инструмента.

2. Разработана математическая модель и алгоритм для расчета температурных деформаций инструмента, позволяющие оценить влияние температурных деформаций на точность обработки. Разработанная математическая модель, позволяет учитывать изменение температуры окружающей среды, теплофизические характеристики, изменение коэффициента теплоотдачи, изменение мощности резания и пр.

3. Путем расчетов и экспериментальных исследований определено влияние температурных деформаций инструмента на точность при чистовой токарной обработке заготовок из алюминиевого сплава. Установлено, что отклонения размеров детали из-за температурных деформаций инструмента соизмеримы с допусками на деталь, а иногда и превышают их.

4. Выявлено существенное влияние геометрических параметров режущей пластины на величину температурных деформаций инструмента. Наибольшее влияние оказывает радиус при вершине резца, его увеличение с 0.3 мм до 1.2 мм приводит к увеличению температурных деформаций в два раза, с увеличением переднего угла с 20° до 25° температурные деформации растут на

17

17%, изменения главного угла в плане с 90° до 45°снижают температурные деформации на 36%.

5. Выявлен характер влияния формы и шероховатости установочных поверхностей режущей пластины и державки на величину температурных деформаций. Установлено негативное влияние износостойкого покрытия, на установочной поверхности режущей пластины, на теплоотвод из зоны резания.

6. Разработан способ отвода тепла от режущего инструмента путем нанесения теплопроводной пасты на установочные поверхности режущей пластины и резцедержавки. Применение данного способа, при чистовой токарной обработке заготовок из алюминиевых сплавов, снижает температурные деформации инструмента до трёх раз.

7. Производственные испытания на ОАО «НПО ИТ», разработанного способа, показали возможность снижения температурных деформаций при чистовой токарной обработке алюминиевых сплавов до трёх раз.

8. Подана заявка на изобретение «Способ отвода тепла от режущего инструмента» (№2012151219 от 12.11.2012).

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в изданиях ВАК.

1. Флоров A.B. Исследование тепловых деформаций при чистовой лезвийной обработке алюминийсодержащих композиционных материалов. Научно-технический журнал «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии» Государственного университета - учебно-научно-производственного комплекса (ФГБУ ВПО «Госуниверситет - УНПК»). № 4/3 (288)2011 Орёл 2011 С. 121 -127.

2. Куликов М.Ю., Флоров A.B. Разработка методики расчета температурного поля в инструменте при резании. Научно-технический журнал «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии» Государственного университета - учебно-научно-производственного комплекса (ФГБУ ВПО «Госуниверситет - УНПК»), № 2-4(292)2012. Орёл 2012. С. 77-83.

Публикации в других изданиях

3. Куликов М.Ю., Иноземцев В.Е., Флоров A.B. Управление качеством деталей из металлопорошковых и композиционных материалов при финишной механической обработке. Материалы 3-ей научно образовательной конференции. Машиностроение - традиции и инновации (МТИ-2010). Секция «Машиностроительные технологии». Ноябрь-декабрь 2010 г. Москва. С. 130132.

4. Флоров A.B. Особенности чистовой лезвийной обработки металлопластмассовых композиций. Сборник научных трудов «Международная научно-техническая конференция Бенардосовские чтения». Состояние и перспективы развития электротехнологии, г. Иваново 1-3 июня 2011 г. С. 280281.

5. Флоров A.B. Исследования тепловых деформаций при чистовой механической обработке композиционных материалов. Труды Научно-практической конференции неделя науки-2011 «Наука МИИТа - транспорту», г. Москва 2011.С. 168.

6. Флоров A.B. Исследование тепловых деформаций при прецизионной лезвийной обработке алюминийсодержащих композиционных материалов. Сборник научных трудов «Физика, химия и механика трибосистемы» выпуск 10. Иваново 2011. С. 97-101.

7. Флоров A.B. Разработка методического подхода к расчету температурного поля в инструменте при резании. Сборник тезисов докладов 15 международной научно-технической конференции «Технология-2012». Орел. 2012 г. С. 262-264.

8. Флоров A.B. Математическое моделирование температурного поля в материале при резании. Международный научно-технический сборник «Харьковского Политехнического Института» Харьков 2012. С. 296-297.

9. Флоров A.B., Куликов М.Ю., Нечаев Д.А., Сан Маунг. Математическое моделирование — основа трибологических исследований: тезисы докладов Ш Международного семинара «Техника и технологии трибологических исследований», Иваново, 18 —19 октября 2012 г. — Иваново : Иван. гос. ун-т, 2012 г. С. 22-23.

Подписано к печати 05.04.2013. Тираж 75 экз.

Отпечатано в типографии ЦНИИмаш

141070, г. Королёв, Московская область, ул. Пионерская, д. 4, ЦНИИмаш.

Институт конструкторско-технологической информатики РАН (ИКТИ РАН)

На правах рукописи

04201356945

Флоров Алексей Вадимович

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ЧИСТОВОЙ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ИНСТРУМЕНТА

Специальность 05.02.08-Технология машиностроения

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Куликов М.Ю.

Москва 2013г.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЦЕЛЕЙ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ...............................................................................8

1.1 Степень влияния температурных деформаций инструмента и заготовки на точность лезвийной обработки.............................................................8

1.2 Природа появления температурных деформаций инструмента и заготовок.......................................................................................14

1.3 Анализ работ, посвященный решению задачи теплового баланса в зоне резания..................................................................................................................17

1.4 Анализ работ, посвященный температурным деформациям инструмента и

заготовки.......................................................................................20

1.5. Цель и задачи исследования...........................................................29

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ..................................30

2.1 Исследуемые материалы, методы обработки и оборудование.....................30

2.2 Используемые методы измерения температурных деформаций инструмента и заготовки.............................................................................................................32

2.3 Методы расчета температурного поля и температурных деформаций........37

2.4 Методы статистической обработки данных........................................43

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ И ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ИНСТРУМЕНТА.............................................................................45

3.1 Исследование влияния температурных деформаций инструмента и заготовки на точность обработки..........................................................45

3.2 Анализ распределения тепловых потоков возникающих при токарной обработке.......................................................................................48

3.3 Математическое моделирование температурного поля и температурных деформации инструмента...................................................................................56

3.4 Выводы.....................................................................................70

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ОБРАБОТКИ НА ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ ИНСТРУМЕНТА, ПРОВЕРКА

АДЕКВАТНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ...............................71

4.1 Влияние геометрических параметров инструмента на температурные деформации....................................................................................72

4.1.1. Влияние радиуса при вершине резца на температурные деформации инструмента..............................................................................................................72

4.1.2. Влияние переднего угла на температурные деформации инструмента ...75 4.1.3 Влияние главного угла в плане на температурные деформации инструмента...................................................................................76

4.1.4. Влияние заднего и вспомогательного углов на температурные деформации инструмента...................................................................76

4.1.5. Влияние вылета и площади поперечного сечения резца на температурные деформации инструмента....................................................................77

4.2. Влияние режимов резания на температурные деформации инструмента ...77

4.2.1. Влияние скорости резания на температурные деформации инструмента...................................................................................77

4.2.2. Влияние подачи на температурные деформации инструмента..............80

4.2.3 Влияние глубины резания на температурные деформации инструмента ..82

4.3. Влияние окружающей среды на температурные деформации инструмента...................................................................................85

4.4. Влияние теплофизических свойств и коэффициента линейного удлинения на температурные деформации инструмента...........................................86

4.5. Расчет температурных деформаций инструмент..................................87

4.6. Проверка адекватности математической модели.................................89

4.7. Выводы....................................................................................91

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА СПОСОБА СНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ

ДЕФОРМАЦИЙ ИНСТРУМЕНТА.......................................................94

5.1 Моделирование теплофизических свойств резца..................................94

5.2 Применение теплопроводной пасты в конструкции резца.......................96

5.3 Анализ снижения температурных деформаций за счет применения в

конструкции резца теплопроводной пасты.............................................103

5.4. Выводы....................................................................................110

6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.......................................111

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................ИЗ

ПРИЛОЖЕНИЕ.............................................................................120

ВВЕДЕНИЕ

Одной из приоритетных задач развития нашей страны является отечественная космическая программа. При создании ракетно-космической техники нового поколения широко применяют наземные аэрогазодинамические испытания. Наземные испытания проводят на уменьшенных масштабно-весовых копиях элементов ракетно-космической техники, которые встраиваются в информационно-измерительные комплексы (ИИК), используемые при этом. Точность изготовления таких ИИК определяет точность результатов наземных испытаний. В настоящее время перед отечественным испытательным комплексом стоит цель - резко повысить точность наземных испытаний. Для достижения этой цели необходимо наладить производство высокоточных ИИК, отдельные элементы которых должны быть изготовлены по 4-5 квалитету точности. Большинство этих элементов изготавливаются из алюминиевых, в том числе специальных сплавов. В дальнейшем эти детали в составе ИИК проходят испытания в барокамере с глубоким вакуумом, что требует особого подхода при создании технологического процесса их изготовления. Особенностью данного технологического процесса, в первую очередь, является невозможность использования смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС).

Это связано с насыщением поверхностного слоя деталей элементами СОТС и с последующим выделением их в виде газа в барокамере, что не дает возможности получения достоверного эксперимента. Возникает необходимость размерной обработки без СОТС, что влечет за собой увеличение теплового напряжения в зоне резания. Вследствие чего, температурные деформации (ТД) инструмента и заготовки вырастают до значений превышающих указанные в конструкторской документации допуски.

Актуальность данной работы основывается также на тенденциях экологически чистого резания. По данным профсоюзов Германии 70% тяжелых хронических заболеваний дыхательных путей у рабочих следствие применения СОТС. Поэтому, отказ от СОТС является одной из главных задач в будущем.

Целью данной работы является повышение точности чистовой токарной обработки путём снижения температурных деформаций.

Работа выполнена в Институт конструкторско-технологической информатики РАН (ИКТИ РАН). На защиту выносятся:

1. Установленные причины появления температурных деформаций в заготовке;

2. Математическая модель для расчета температурных деформаций

резца;

3. Результаты теоретического и экспериментального исследования температурных деформаций инструмента и вызванных ими погрешностей при обработке заготовок из алюминиевых сплавов;

4. Установленные закономерности влияния установочной контактной поверхности твердосплавной пластины на температурные деформации инструмента;

5. Практические рекомендации и способ снижения температурных деформаций при обработке заготовок из алюминиевых сплавов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель расчета температурных деформаций резца при чистовой токарной обработке;

- установлены закономерности образования температурных деформаций и факторы их влияния на точность чистовой токарной обработки заготовок из алюминиевых сплавов;

- определены закономерности влияния основных характеристик установочных поверхностей твердосплавной пластины и державки на температурные деформации инструмента;

- разработан способ отвода тепла от режущего инструмента за счет применения теплопроводной пасты в конструкции резца (заявка на изобретение №2012151219 от 12.11.2012г).

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- создана удобная, для практического применения, математическая модель расчета температурных деформаций резца;

- разработаны рекомендации по снижению температурных деформаций инструмента;

- в ходе производственных испытаний на ОАО «НПО ИТ» установлено, что использование данного способа обеспечивает снижение температурных деформаций инструмента до трёх раз.

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 2 статьи в изданиях, аккредитованных ВАК. Основные положения диссертации доложены на международных и всероссийских конференциях.

Глава 1. Состояние вопроса и постановка целей и задач исследования.

Технологические процессы, реализующиеся в области максимальных возможностей, использование потенциала электронной вычислительной техники - это неотъемлемые элементы современного конкурентно-способного производства. За последние два десятка лет вычислительная техника настолько интегрировалась в машиностроение, что стала инструментом современного инженера для создания гибкого автоматизированного производства на всех этапах, от проектирования до контроля качества. Моделирование технологической подготовки производства на этапе проектирования изделия дает наглядную картину технологичности и экономической эффективности, предотвращая лишние временные и финансовые затраты. Современное компьютеризованное прецизионное оборудование с высокоточной сенсорикой и быстродействующей механикой позволяет во много раз лучше и быстрее реализовывать технологический процесс, по сравнению с универсальным оборудованием вручную на основе практического опыта. Но, несмотря на последние достижения в машиностроении проблема повышения точности остается одной из главных задач, тем более, сегодня, когда каждое изделие, поставляемое на рынок, в условиях жесткой конкуренции, должно отвечать высоким требованиям функциональных, экологических и эстетических свойств, что отраженно в международных стандартах серии ISO-9000.

1.1. Степень влияния температурных деформаций инструмента и заготовки на точность лезвийной обработки.

Большое количество работ отечественных и зарубежных ученых таких как: А.П. Соколовский, A.M. Сулима, А.И. Исаев, Ю.М. Соломенцев, А.Б. Яхин, B.C. Корсаков, К.С. Колев, Y. Yoshida, К.Р. Monoronjak, К. Okushima и многих других, легли в основу создания учения о точности механической обработки деталей, из которого следует, что общую погрешность

механообработки можно выразить функцией от ряда не зависящих друг от друга величин:

где £Дф- суммарная погрешность формы изделия, вызванная несовершенством технологического оборудования и состоящая из элементарных погрешностей вызываемых:

-геометрическими неточностями оборудования, Доб; -деформациями заготовки под влиянием сил закрепления, Ьзаж\ -неравномерностью упругих отжатий в технологической системе под влиянием возникающих в ней сил, Анер.

Ду- погрешность, представляющая собой технологическую наследственность и обусловленная нестабильностью, возникающих в технологической системе сил вследствие имеющихся на заготовке отклонений;

е- погрешность установки заготовки, состоящая из погрешности базирования £б, закрепления £з и приспособления £Пр;

Аи- погрешность, обусловленная размерным износом инструмента; Дн- погрешность размерной настройки оборудования;

Дт-погрешность, обусловленная температурными деформациями (ТД) технологической системы.

Причем, ТД технологической системы занимают от 15% до 70% от общего количества погрешностей [5, 8], а также высокая насыщенность современного оборудования тепловыделяющими элементами и большой процент машинного времени способствуют повышению погрешности от ТД технологической системы.

Рассматривая другие факторы, влияющие на точность обработки можно сказать, что за последние годы с повышением жесткости и точности технологической системы станков погрешности значительно снизились. Из чего следует, что в общей совокупности погрешностей огромное влияние на

точность обработки оказывает деформация элементов технологической системы, вызванная тепловым фактором.

Известно, что источниками нагрева являются: тепло выделяющееся в узлах станка, из-за потерь на трение, тепло от внешних источников, а также тепло образующееся в зоне резания. Нагрев станины и корпусных деталей, в основном, происходит в результате потерь на трение в механизмах, гидроприводах и электрических устройствах. Тепло от перечисленных источников в большинстве случаев не равномерно распределено по узлам станка. Разность температур отдельных элементов может достигать 10° [27], что достаточно для потери правильной формы и взаимного расположения на ней основных узлов и элементов. Относительно сильный нагрев шпиндельной бабки влечет за собой изменение положения оси шпинделя. Например, шпиндель передней бабки токарного станка может сместиться по вертикали и в горизонтальной плоскости на несколько сотых долей миллиметра [27]. Большое влияние на точность обработки оказывает влияние винтов подачи. В неудачных конструкциях, где длина рабочего участка винта велика, погрешность может достигать 0,03-0,05 мм [27].

При проектировании современного оборудования стараются защитить станок от неравномерного нагрева со стороны источников интенсивного тепловыделения (встроенных электродвигателей, гидроприводов, резервуаров для масла). Это достигается выделением этих узлов из общей компоновки станка, применением охлаждающих ребер на наиболее нагретых узлах и деталях, использованием токов воздуха от электродвигателей и пневматических устройств, для обдува наиболее нагретых элементов. Уменьшение ТД технологической системы возможно за счет подбора материалов с малыми, или весьма близкими для сопряженных деталей коэффициентами линейного расширения. В отдельных случаях можно влиять на передачу теплового потока преднамеренным изменением теплопроводности отдельных деталей узла. Это достигается выбором соответствующих материалов, или конструктивным оформлением комплектующих (подбором величины поперечных сечений,

изменением длины проводящих тепло участков, введением теплоизоляции) [27].

Особого внимания заслуживает установка станков в термоконстантных помещениях. Это дает хорошие результаты по устранению теплового влияния окружающей среды, и является необходимым мероприятием для прецизионной обработки деталей [27].

Также, к теплоте создаваемой элементами самого станка добавляется теплота, создаваемая преобразованием энергии затрачиваемой на резание, которая практически вся преобразуется в теплоту, и только малая часть механической энергии (примерно от 0,5% до 3%) расходуется на внутрикристаллические преобразования [43]. Тепловая энергия оказывает значительное влияние на температуры инструмента и заготовки, порождая дополнительные пространственные относительные перемещения, и как следствие, добавочные слагаемые погрешности. Причем, ТД инструмента и заготовки труднее всего уменьшить, или компенсировать по сравнению с другими видами деформации [26,53,58,16]. Снизить тепловыделение при резании и соответственно уменьшить ТД можно в основном только за счет уменьшения режимов обработки, что неминуемо приводит к снижению производительности. Это в настоящих условиях промышленности не допустимо [16]. Применение в металлообработке смазочно-охлаждающей технологической среды (СОТС) снижает ТД инструмента и заготовки [27]. Также, надо отметить, что это снижение не однозначно и зависит от вида механической обработки инструментального и обрабатываемого материалов. Если рассматривать процесс токарного точения, то при обильном поливе СОТС ТД снижаются до не значительных величин. При этом появляется погрешность в сумме общего количества факторов, влияющих на точность, а в случаях, когда деталь высокой точности, учет и компенсация ТД инструмента и заготовки просто необходимы даже с применением СОТС.

Рассматривая тенденции современного производства сегодня прогрессивны те разработки, которые стремятся экологические идеи воплотить

в технические решения. Это в особой мере относится к рабочим процессам высоких технологий, т.к. они - высокие технологии - должны быть предельно экологически ориентированы [10]. Создание целых производств, отвечающих требованиям окружающей среды, является насущной проблемой, которую человечеству предстоит эффективно разрешить уже в ближайшее десятилетие [10]. Такие рабочие процессы обработки материалов, которые в ходе их подготовки, реализации и последстви�