автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Проектирование и эксплуатация торцовых фрез с корпусом, содержащим демпфирующее кольцо из композиционного материала

На правах рукописи

ВАСИН ДМИТРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

1—тс

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ТОРЦОВЫХ ФРЕЗ С КОРПУСОМ, СОДЕРЖАЩИМ ДЕМПФИРУЮЩЕЕ КОЛЬЦО ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.02.08.

05.03.01.

- Технология машиностроения

- Процессы механической и физико-технической обработки: станки и инструмент

Тула - 1996

Работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения1 Тульского государственного университета

Научный руководитель

Официальные оппоненты -

Ведущее предприятие

доктор технических наук, профессор А.С.Ямников

доктор технических наук, профессор В.А.Гречишников, кандидат технических наук В.Г.Ковалев

ГНПП "Сплав"

Защита диссертации состоится " 2.7 " июня 1995 г. в /4 часов в 9 учебном корпусе, ауд. 101 на заседании диссертационного совета К 063.47.01 Тульского государственного университета (300600, г. Тула, пр. Ленина, 92).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан_ 2.7 -мая 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

-¿¿а.

Е.И.

Федин

общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В современном машиностроении применяется высокоскоростное и высокопроизводи- -тельное оборудование, позволяющее интенсифицировать режимы резания.Это приводит к увеличению уровня вибраций в технологической системе. Как следствие, снижается качество обработанных поверх-' ностей. В условиях чистовой и получистовой обработки это заставляет снижать режимы резания, что экономически нецелесообразно.

Для того, чтобы максимально использовать возможности современного оборудования, применяют различные методы борьбы с вибрациями С в частности, повышают жесткость станков и станочных приспособлений, используют различные виды демпферов).

Но применение традиционных методов гашения вибраций не всегда возможно и экономически оправдано, особенно в условиях единичного и мелкосерийного производства, где широкая номенклатура выпускаемых деталей расширяет частотные и амплитудные диапазоны вибраций.

В этих условиях технологическая система должна обладать универсальностью с точки зрения снижения вибраций. Перспективным методом решения проблемы является применение виброустойчивого инструмента, улучшение динамических характеристик которого достигнуто за счет использования в конструкции корпуса композиционного материала, обладающего повышенной демпфирующей способностью.

В настоящей диссертации разработана сборная торцовая фреза, корпус которой содержит демпфирующее кольцо из композиционного материала, повышающее виброустойчивость инструмента.

Работа проведена в соответствии с планом научно-исследовательских работ по теме "Проектирование конструкций корпусов режущего инструмента с высокой демпфирующей способностью" (шифр проблемы 52.3Н.Р2).

Цель работы. Целью работы является улучшение качества обработки плоских поверхностей за счет снижения вибраций в системе "инструмент-заготовка" на основе применения разработанной виброустойчивой конструкции торцовой фрезы.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать состав и способ приготовления композиционного материала, обладающего высокими демпфирующими свойствами при достаточной прочности;

- оценить пригодность разработанного материала для использования в конструкциях корпусов режущего инструмента на основании экспериментальных исследований его свойств;

- теоретически и экспериментально обосновать виброустойчивую конструкцию торцовой фрезы с комбинированным корпусом;

- оценить степень влияния динамических характеристик разработанного инструмента на шероховатость обработанных поверхностей при различных условиях обработки;

- разработать технологию и оснастку для изготовления комбинированного корпуса торцовой фрезы.

Автор защищает:

1. Математическую модель для оценки прочности корпуса торцовой фрезы, содержащего демпфирующее кольцо из композиционного материала.

2. Результаты экспериментальных исследований свойств разработанного композиционного материала, применяемого для образования демпфирующего кольца в конструкции корпуса торцовой фрезы.

3. Результаты экспериментальных исследований влияния динамических свойств разработанной торцовой фрезы на шероховатость обработанных поверхностей.

4. Технологию изготовления комбинированного корпуса торцовой фрезы.

Общая методика исследования. В работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследований. Поставленные в работе теоретические задачи решались с применением методов механики деформируемого твердого тела, высшей математики. При решении задач, связанных с оценкой напряженно-деформированного состояния демпфирующего кольца,применены: быстро сходящийся итерационный алгоритм Шварца; метод граничных представлений, основывающийся на формулах комплексного представления Колосова-Мусхелишвили; метод суперпозиции полей. Прочностной расчет конструкции проведен на основании критерия прочности Г.А.Гениева, В.Н.Киссюка.

Определение мгновенно-упругих характеристик разработанного материала проводилось посредством волновых экспериментов с использованием цифрового запоминающего осциллографа типа 4084

фирмы " GOULD " и комплекта аппаратуры (пьезоэлектрические акселерометры типа 4374, усилители заряда типа 2626, ударный молоток типа 8202 со встроенным датчиком силы типа 8200) фирмы "Брюль и Къер".

Оценка демпфирующих свойств разработанной торцовой фрезы и образцов из композиционного материала проводилась по методу логарифмического декремента колебаний при помощи анализатора сигналов типа 2032 фирмы "Брюль и Къер".

Для проведения оценки степени влияния динамических характеристик разработанного инструмента на шероховатость обработанных поверхностей была собрана экспериментальная установка на базе универсального горизонтально-фрезерного станка модели 6Н83. Измерение шероховатости проводилось с помощью профилографа-профи-лометра модели 201 завода "Калибр".

Построение эпюр и полей напряжений, оценивающих напряженно-деформируемое состояние корпуса торцовой фрезы с демпфирующим кольцом, а также расчет коэффициентов запаса прочности корпуса инструмента, производились с применением ПЭВМ типа IBM PC/AT

PENTIUM .

Научная новизна заключается в разработке, теоретическом и экспериментальном обосновании виброустойчивой конструкции торцовой фрезы с корпусом, содержащим демпфирующее кольцо из композиционного материала, технологии ее изготовления и эксплуатации.

Практическая ценность. Разработана и реализована виброустойчивая конструкция торцовой фрезы с демпфирующим кольцом из композиционного материала. Экспериментально установлено, что применение разработанного инструмента при чистовом и получистовом торцовом фрезеровании позволяет на 16...38 % снизить шероховатость обработанных поверхностей.

Внедрение виброустойчивой торцовой фрезы при чистовой и получистовой обработке заготовок из стали 45 позволяет повысить производительность фрезерования без ухудшения шероховатости обработанных поверхностей за счет увеличения подачи до двух раз по сравнению со стандартной фрезой.

Разработанная математическая модель может быть использована для оценки прочности конструкций режущего инструмента типа фрез, содержащего демпфирующую вставку из композиционного материала.

Разработан и исследован композиционный материал, который мо-

жет быть использован не только в конструкциях державок и корпусов режущего инструмента, но и в качестве наполнителя в ряде других конструкций.

Реализация работы. Отдельные положения работы приняты к промышленному внедрению на ГНПП "Сплав".

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на двух ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (1995 - 1996 г.г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 4 статьи.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов, заключения, списка использованных источников. Работа содержит 79 страниц машинописного текста, 44 рисунка, список использованных источников из 118 наименований.При выполнении работы автор пользовался консультациями д.т.н.,проф.Васина С.А.,Пенькова В, ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность работы, ее практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации рассмотрены основные пути снижения вибраций при фрезеровании, приводятся наиболее распространенные методы повышения виброустойчивости технологической системы. Обзор сделан на основе отечественной и зарубежной литературы, авторских свидетельств и патентов.

На основе аналитического обзора сделан вывод о перспективности применения инструмента с повышенными демпфирующими свойствами для снижения вибраций в технологической системе.

Одним из наиболее эффективных путей повышения демпфирующей способности инструмента является использование в конструкции его корпуса композиционных материалов на основе мелкозернистого бетона.

Проведенная оценка возможности использования известных дисперсно-армированных материалов на основе шлаковых связующих в конструкциях корпусов торцовых фрез показала, что наиболее перспективным для этой цели является композит на основе шлакомагне-зиального связующего, применяемый для изготовления державок токарных резцов. Однако, требования, предъявляемые конструктивными

I

t

особенностями корпусов торцовых фрез, ставят задачу усовершенствования состава и способа приготовления этого материала.

В первой главе формулируются цель и задачи исследования.

Во второй главе приводятся методика и результаты исследований по разработке композиционного материала на основе шлакомагнезиального связующего и определению его характеристик.

Исследования физико-механических свойств и технологических параметров показали, что предлагаемый композит обладает рядом преимуществ по сравнению с прототипом:

- более высокой прочностью на изгиб;

- более высокой подвижностью формуемой смеси;

- требуется значительно меньшее количество времени на вибрирование при формовании;

- значительно сокращаются сроки схватывания.

Для проектирования инструмента с комбинированным корпусом, изготовленным из стали 40Х и композиционного материала, необходимо определить мгновенно-упругие характеристики композита.

Искомые характеристики определялись из волновых экспериментов.

В экспериментах использовались современные измерительные приборы: цифровой запоминающий осциллограф фирмы " GOULD \ комплект аппаратуры фирмы "Брюль и Къер".

Измерения по определению мгновенно-упругих модулей разработанного материала проводились в диапазоне от 28 дней, прошедших с момента отливки образцов, до 80 дней (при определении модуля сдвига) и 130 дней (при определении модуля Юнга).

Мгновенный коэффициент Пуассона по прошествии 32-х дней с момента отливки,рассчитанный по формуле:

составил 0,31. Он определялся по результатам испытаний на продольное воздействие балки и кубика, отлитых в одно и то же время:

Езг_= 43,8-10 9Па; G3Z = 16,7.Ю9Па.

Для оценки демпфирующей способности разработанного материала были проведены сравнительные эксперименты, целью которых являлось определение логарифмических декрементов колебаний балочных образцов. Опытные образцы были изготовлены из композиционного материала на основе шлакомагнезиального связующего и стали 40Х (традиционно применяемой для изготовления корпусов сборных торцовых фрез).

Искомая характеристика определялась по осциллограммам свободных затухающих колебаний образцов с использованием выражения:

/") - номер пика на выбранном участке осциллограммы;

До,Ап ~ амплитуды колебаний, соответствующие этим пикам.

Для получения временных характеристик колебаний балочных образцов был использован комплект аппаратуры фирмы "Брюль и Къер" (анализатор сигналов, пьезоэлектрический акселерометр, ударный молоток со встроенным датчиком силы, усилители заряда).

В результате проведенных исследований установлено, что композиционный материал на основе шлакомагнезиального связующего обладает высокой демпфирующей способностью при достаточной прочности и может быть использован в конструкции корпуса торцовой фрезы.

В третьей главе представлена виброустойчивая конструкция сборной торцовой фрезы с демпфирующим кольцом из композиционного материала (рис.1).

Для расчета прочности комбинированного корпуса фрезы создана математическая модель, позволяющая оценить напряженно-деформированное состояние демпфирующего кольца из композиционного материала.

В исходном приближении конструкция фрезы рассматривалась как симметричная (рис.2): режущие элементы расположены вдоль жесткого (стального) пояса 3, охватывающего демпфирующий слой 2, примыкающий к валу I, задающему вращение инструмента с частотой С0о •

Обеспечение прочности состоит в обоснованном выборе высоты /] и радиусов , демпфирующего слоя 2, выполняющего однов-

ременно функцию несущей конструкции.

Существенное различие в модулях упругости стального пояса и демпфирующего слоя_позволило выдвинуть следующую гипотезу: сосредоточенная сила р посредством жесткого пояса воздействует на демпфирующий слой как распределенная нагрузка.

Совокупное напряженно-деформированное состояние в теле демпфирующего кольца складывается под действием следующих факторов:

I) сил инерции во вращательном движении материала, заключенного между валом и жестким поясом;

где

логарифмический декремент колебаний;

■1-.5

Рис. I. Торцовая фреза с корпусом, содержащим демпфирующее кольцо из композиционного материала: I - демпфирующее кольцо; 2 - внешнее стальное кольцо; 3 - штифт; 4 - ступица; 5 - державка; 6 - режущая пластина; 7 - болт; 8 - гайка; 9 - стержень; 10 - шайба.

Рис. 2. Схема конструкции фрезы: I - вал; 2 - демпфирующий слой; 3 - жесткое (стальное) кольцо

2) плоского напряженного состояния, вызванного распределенной по внешнему контуру кольца системой сил, статически эквивалентных сосредоточенному воздействию на режущий зуб фрезы, с одной стороны, и условиям защемления на жестком валу - с другой стороны.

В силу линейности упругой задачи была проведена ее декомпозиция на последовательность более простых с заключающей суперпозицией частных полей. Эти задачи таковы:

1) построение поля, вызванного силами инерции материала, заключенного в кольце между жесткими обоймами;

2) построение поля от скручивающих диск равномерных касательных напряжений;

3) смешанная задача с закреплением по внутреннему и одноосным нагружением по внешнему обводу кольца.

Полную картину напряженного состояния кольца можно получить, составляя суперпозицию полей;

бе \Тгв;

б, Тге

+

7

бе ТЬв

+

/ Мм 6г

ба

Тте

где бг ~ РаДиальные напряжения;

- окружные напряжения;

Цв - касательные напряжения.

Разработанная математическая модель позволяет построить поля напряжений, анализ которых дает основание судить о запасах прочности корпуса фрезы.

Четвертая глава посвящена исследованиям эксплуатационных характеристик торцовой фрезы с демпфирующим кольцом и разработке технологии изготовления комбинированного корпуса инструмента.

Для определения степени влияния демпфирующего кольца на дис-сипативные свойства инструмента были проведены сравнительные эксперименты по определению логарифмических декрементов колебаний двух торцовых фрез одного типоразмера (с корпусом из стали 40Х и с комбинированным корпусом). Исследования проводились с использованием комплекта измерительной аппаратуры фирмы "Брюль и Къер".

Типичные осциллограммы свободных затухающих колебаний торцо-

Рис. 3. Осциллограмма свободных затухающих колебаний фрезы а) с корпусом из стали 40Х

Рис. 3,6 (продолжение). Осциллограмма свободных

затухающих колебаний фрезы с комбинированным корпусом, содержащим демпфирующее кольцо из композиционного материала

вых фрез с различной конструкцией корпусов представлены на рис.3.

Проведенные сравнительные испытания показывают, что применение композиционного материала на основе шлакомагнезиального связующего в качестве демпфирующего слоя в корпусе торцовой фрезы способствует повышению еёдиссипативных свойств.

С целью исследования влияния демпфирующих свойств кольца из композиционного материала на шероховатость обработанных поверхностей при различных режимах резания проведен ряд сравнительных экспериментов.

Эксперименты проводились на универсальном горизонтально-фрезерном станке модели 6Н83 с использованием двух торцовых фрез диаметра 200 мм (с корпусом из стали 40Х и с комбинированным корпусом) .

В качестве заготовок использовались бруски из стали 45. Фрезерование производилось при глубине резания 0,25; 0,5; I; 1,5 мм с подачами 25; 50; 100; 160 мм/мин. Скорость резания составляла 200 м/мин.

В результате испытаний установлено, что при чистовой и получистовой обработке торцовой фрезой с демпфирующим кольцом шероховатость поверхности в среднем на 16...38 % ниже, чем при обработке стандартной фрезой.

В диссертации разработана технология сборки комбинированного корцуса торцовой фрезы методом литья с кратковременным вибрированием.

общие вывода

1. В диссертации, на основе экспериментальных исследований, обоснована целесообразность применения разработанного композиционного материала в конструкциях корпусов торцовых фрез с целью повышения их виброустойчивости.

2. Разработана математическая модель для оценки прочности корпуса торцовой фрезы, содержащего демпфирующее кольцо из композиционного материала. Построенные по полученным соотношениям для конкретного набора параметров поля распределения напряжений показывают, что наибольшие растягивающие и сжимающие напряжения развиваются у внутреннего обвода демпфирующего кольца.

3. Проведенная экспериментальная оценка демпфирующих свойств сборных торцовых фрез показала, что логарифмический декремент колебаний фрезы с корпусом, содержащим кольцо из композиционного

материала, в пять раз выше, чем стандартной фрезы.

4. Исследована степень влияния динамических свойств торцовой фрезы на шероховатость обработанных поверхностей. Экспериментально установлено, что при чистовом и получистовом фрезеровании плоских поверхностей торцовой фрезой с демпфирующим кольцом шероховатость снижается в среднем на 16...38 % по сравнению со стандартной фрезой, корпус которой целиком изготовлен из стали 40Х.

5. Результаты исследований приняты к промышленному внедрению на ГНПП "Сплав".

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Васин Д.Л., Городничев С.В. Виброустойчивая конструкция торцовой фрезы//Технология механической обработки и сборки: Сб. науч.тр. - Тула: ТулПИ, 1992. - с. 81 - 83.

2. Васин Д.А. Применение композиционных материалов для изготовления корпусов торцовых фрез//Режущие инструменты и метрологические аспекты их производства: Сб.науч.тр. - Тула: ТулГУ, 1995 - с. 74 - 76.

3. Васин С.А., Васин Д.А., Суманеева E.H. Повышение дисси-пативных свойств сборной торцовой фрезы за счет использования в ее корпусе демпфирующего кольца из композиционного материала// ТУл.гос.ун-т. - Тула, 1996. - 4 е.: ил. - Библиогр.: 2 назв. -Рус. - Деп. в ВИНИТИ 14.05.96. № I5I8-B96.

4. Васин С.А., Мишунина Г.Е., Васин Д.А. Оценка демпфирующей способности дисперсно-армированного композиционного материала на основе шлакомагнезиального связующего, применяемого в конструкциях корпусов торцовых фрез//Тул.гос.ун-т. - Тула, 1996. -4 с. - Библиогр.:2 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 14.05.96. -

- № 1519 - В96.

Соискатель

Д.А.Васин