автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Расчет скоростей резания сталей и сплавов при зенкеровании на основе исследования термомеханических явлений

Введение

Глава I. Анализ состояния теоретических и экспериментальных исследований процесса зенкерования.

1.1 ♦ Основные параметры обрабатываемости. Обзор методов определения режимов обработки.

1.2. Скорость резания при зенкеровании.

1.3# Износ и стойкость инструмента при зенкеровании . 1,4. Шероховатость обработанной зенкерованием поверхности.• •••

1.5« Глубина и степень наклепа поверхностного слоя при зенкеровании.

1.6* Осевая: сила и крутящий момент при зенкеровании

1.7. Степень деформации металла снимаемого припуска .•*.•.•.

1.8. Температура резания: при зенкеровании

Выводы по главе I

Задачи исследования

Глава II • Расчет скоростей резания при зенкеровании на основе теоретического исследования термомеханических явлений «.

2.1, Расчет геометрических параметров сечения среза и контактных площадок зуба при зенкеровании ••••••

2.2. Расчет трехмерных температурных полей цри зенкеровании на контактных поверхностях инструмзнта и в условной плоскости сдвига.

2.2Д. Расчет температурного поля на задней контактной площадке

2.2.2. Расчет температурного поля на передней контактной площадке. 64.

2,2.3. Расчет температурного поля в условной плоскости сдвига

2.2.4« Расчет суммарных температурных полей в зоне резания

2.2.5. Подогрев зоны резания впереди идущими зубьями зенкера.

2.2.6. Расчет температуры резания цри зенкеровании

2.3. Расчет баланса тепла при зенкеровании.

2.3.1. Определение количества те плоты, уходящей в деталь

2.3.2. Определение количества теплоты,уходящей в стружку

2.3.3. Определение количества теплоты,уходящей в зуб зенкера.

2.3.4. Баланс механической и тепловой энергий при. зенкеровании.

2.4. Вывод уравнения обрабатываемости.

2.5. Вывод теоретических формул для определения составляющих силы резания . И

2.6. Расчетное определение угла сдвига.

2.7. Износ инструмента цри зенкеровании.

2.8. Основные показатели качества поверхности,обработанной зенкерованием.

2.8.1. Теоретическое определение высоты неровностей

2.8.2. Определение глубины наклепанного слоя и степени наклепа.

2.9. Определение экономической скорости резания .••• 123 Выводы по главе II

Глава III. Экспериментальное исследование процесса зенкерования сталей и сплавов.»•.••»•.

3 J. Дели и задачи экспериментальных исследований

3.2. Оборудование »научная аппаратура,материалы, методы измерения при проведении исследований ••••

3.3. Сопоставление экспериментальных и расчетных значений температуры.

3.4. Сопоставление экспериментальных и расчетных значений составляющих силы резания

3.5. Сопоставление экспериментальных и расчетных значений усадки отружки

3.6. Сопоставление экспериментальных и расчетных значений относительного линейного износа инструмента.

3.7. Сопоставление экспериментальных и расчетных значений высоты неровностей,глубины наклепанного слоя и степени наклепа •••.•••.»»•».»»•

3.8. Сравнение опытных и расчетных критериальных зависимостей вида Ре = f /А/.

Выводы по главе III .».

Глава ГУ. Практическое использование результатов исследований .».

4.1. Алгоритм назначения режимов резания при зенкерованпи.

4.2. Производственное шедрение результатов работы

4.3. Расчет годового экономического эффекта от внедрения измененной геометрии заточки ножей зенкера.

Выводы по главе 17.

Важнейшими задачами промышленности являются более полное удовлетворение потребностей народного хозяйства в средствах производства, а населения - в товарах народного потребления, интенсификация производства, повышение качества продукции на основе всемерного использования достижений научно-технического прогресса-с особой яркостью было подчеркнуто на ХХУ1 съезде Коммунистической партии Советского Союза [65] . Успешное выполнение поставленных партией задач возможно лишь при условии надежной работы всех звеньев производственно-хозяйственного механизма, занятого в металлообработке.

Здесь довольно часто сдерживающим фактором использования современного высокопроизводительного оборудования является недостаточная стойкость металлорежущего инструмента. Это связано с тем, что используемые в настоящее время методы определения обрабатываемости материалов резанием не могут дать нормативов, которые в полной мере отвечали бы требованиям автоматизированного производства. Кроме того, они весьма трудоемки и требуют значительного расхода обрабатываемого и инструментального материалов.

Применение рациональных технологических параметров процесса обработки, полученных на основе оптимизационных расчетов могут значительно увеличить производительность труда и обеспечить эффективность применения высокопроизводительного оборудования. Большой вклад в решение этих задач внесли теоретические и экспериментальные работы, выполненные отечественными и зарубежными учеными.

Однако , в связи с высокими темпами развития металлообрабатывающей промышленности, перед наукой о резании металлов встают задачи по оптимизации всех применяющихся методов обработки с целью дальнейшего повышения производительности труда, улучшения качества выпускаемой продукции и экономии дорогостоящего инструментального материала, в частности остродефицитного вольфрама.

Одним из широко распространенных методов обработки является зенкерование. Это предварительный или окончательный метод обработки просверленных, штампованных или отлитых отверстий. Возрастающая тенденция совершенствования технологии литья и штамповки, ведущая к уменьшению припусков для механической обработки, делает операцию зенкерования еще более ответственной.

Исходя из этого, вопрос определения обрабатываемости сталей и сплавов зенкерованием на основе достижений науки о резании металлов становится весьма актуальным. В его основу должен быть положен научно-обоснованный теоретический метод, дающий универсальные зависимости. Эксперименты же должны выполнять роль критерия при проверке установленных теоретических выражений. Как один из этапов в создании теории по данному вопросу можно рассматривать данную работу.

В работе анализируется имеющийся в литературе богатый экспериментальный материал; выявляются факторы, интенсифицирующие износ инструмента. Проведены теоретические исследования трехмерных температурных полей, развивающихся на контактных поверхностях зуба зенкера и в условной плоскости сдвига; установлено влияние многолезвийности инструмента на температуру в зоне резания. Из теоретического уравнения баланса тепловой и механической энергией выведено уравнение обрабатываемости сталей и сплавов зенкерованием. Представлены теоретические формулы для определения составляющих силы резания, действующей на зуб зенкера, а также зависи' мости для расчета характеристик качества поверхностного слоя обработанных отверстий. Приведены результаты экспериментальных исследований по проверке теоретических зависимостей.

Диссертация состоит из четырех глав.

В первой главе выполнен анализ состояния вопроса определения обрабатываемости сталей и сплавов зенкерованием и других параметров процесса.

Вторая глава посвящена разработке расчетного метода определения скоростей резания при зенкеровании на основе теоретического исследования термо-механичееких явлений.

В третьей главе решаются задачи экспериментального исследования процесса зенкерования.

Четвертая глава посвящена практическому использованию резуль< татов исследований.

В приложении приведены алгоритмы программ вычислений, акт внедрения результатов диссертационной работы в производство.

ОБЩЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Детальное исследование температурных полей на контактных площадках зуба зенкера и в условной плоскости сдвига показало,что пространственное (трехмерное) их рассмотрение может существенно сказываться на результатах расчетов. Особенно это проявляется при резании труднообрабатываемых материалов, для которых почти всегда РеВ <20.

2. Экспериментально полученная картина распределения температурного поля на задней контактной площадке зуба зенкера надежно подтверждает теоретические вьюоды.

3. Теплота, генерируемая в зоне резания, в немалой степени определяется ее подогревом от теплового воздействия впереди идущих зубьев. Особенно заметно это проявляется при работе зенкерами малого диаметра, имеющими фаску износа по задней поверхности.

4. Исследование сил резания при зенкеровании показало, что при их расчете необходимо учитывать силы трения, возникающие на ленточках, величина которых может составлять 10-15% от значения рассматриваемой силы, а также возрастание силы резания с ростом фаски износа на задней поверхности зуба.

5. Теоретическое изучение температурных полей в зоне резания, применение теории подобия и экспериментальные исследования износа твердосплавных зубьев зенкера позволили получить зависимости для расчеяа скорости резания, соответствующей миницуцу интенсивности износа 1Л и экономической скорости резания 1£ , соответствующей минимуму себестоимости обработки. Расчеты показывают, что при зенкеровании труднообрабатываемых материалов скорости резания 1£и 1/э весьма близки.

6. При зенкеровании с оптимальными скоростями относительный линейный износ инструмента минимален, тангенциальная составляющая силы резания принимает минимальное или минимально-стабилизированное значение, формируются наиболее благоприятные показатели качества поверхностного слоя.

7. Высота микронеровностей, глубина наклепанного слоя и степень наклепа обработанной поверхности находятся в тесной взаимосвязи с термодинамическими условиями процесса зенкерова-ния и могут быть определены расчетным путем с помощью зависимостей, полученных теорет и ко-экспериментальным путем методами теории подобия.

8. Разработаны методики назначения и программа расчета на ЭВМ оптимальной и экономической скоростей резания при зенкерова-нии сталей и сплавов в зависимости от их механических и тепло-физических свойств, подачи и глубины резания, геометрии и стойкости инструмента.

9. Некоторые результаты исследований, полученные в работе, внедрены в промышленное производство с экономическим эффектом свыше II тысяч рублей в год.

1. Айзеншток И.Я. Основные вопросы механики процесса резания металлов. Киев - Москва; Машгиз, 1950. - 83 с.

2. Андреев Г.С. Исследование процессов зннкерования и развертывания аустенитной стали типа ЭИ-69. Дис.канд.техн.наук. - М., 1952. - 184 с.

3. Афанасьев В.Ф. Исследование процесса скоростного зенкерования серого чугуна. Дис.канд.техн.наук. - Киев, 1957. - 283 с.

4. Баранов A.B. Расчет оптимальных скоростей резания при зенкеро-вании. В сб.: Расчет режимов на основе общих закономерностей процессов резания. ВыпЮ. Ярославль, 1982, с.II0-117.

5. Безъязычный В.Ф. Назначение оптимальных режимов резания с учетом заданных параметров качества поверхностного слоя изделий.- В кн.: Обработка металлов резанием. М., Знание ЩНТП, 1977, с.86-89.

6. Безъязычный В.Ф. Назначение режимов резания по заданным параметрам качества поверхностного слоя. Учебное пособие. Ярославль, 1978, 87 с.

7. Бетанели А.И. Прочность и надежность режущего инструмента.- Тбилиси: Сабчота сакартвело, 1973, 172 с.

8. Борцов Л.С., Гринберг Р.Я. Режимы скоростного резания при сверлении, зенкеровании и развертывании. Вестник технической информации, 1950, № 9. с.II - 14

9. Ю. Виноградов A.A. Расчет усадки стружки и длины контакта ее срезцом на основании свойств обрабатываемого материала.- В сб.: Технология и автоматизация машиностроения. Киев, 1981, № 27 с.Ю-15.

10. Владимиров В.И. Физическая теория пластичности и прочности. Ч. II. Л.: Ленинградский политехи, ин-т, 1975. - 152 с.

11. Влияние средней температуры контакта при резании на основные характеристики качества поверхностного слоя. Авт.: А.Д.Макаров, В.В.Кривошеев, В.М.Коленченко и др. - В кн.: Теплофизика технологических процессов. - Куйбышев: Кн. изд-во, 1970, с.270-275.

12. Высокопроизводительные конструкции зенкеров и разверток и их рациональная эксплуатация. Коллектив авторов. - М.: Машгиз, 1960. - 167 с.

13. Грановский Г.И. Износостойкость твердых сплавов и закаленных инструментальных сталей. В кн.: Трение и износ при резании металлов. - М.: Машгиз, 1955, с.14-32.

14. Трудов П.П., Еремеева Н.М. Скоростное сверление, зенкерова-ние и развертывание. В сб. ВНИИ: Скоростное резание металлов и инструмент. - М.: Машгиз, 1951. С.59-67.

15. Данишевский С.К., Сведе Швец Н.И. Высокотемпературные термопары. - М.: Металлургия, 1977. - 231 с.

16. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. Пер. с английского. - М.: Наука, 1973. - 228 с.

17. Дьяченко П.Е., Якобсон М.О. Качество поверхности при обработке металлов резанием. М.: Машгиз, 1951. - 208 с.

18. Еремеева Н.М. Борьба с наростами на режущих кромках сверл, зенкеров, разверток при обработке серого сугуна. М.: Машгиз, 1958.- 149 с.

19. Еремеева Н.М. Обработка отверстий в деталях из серого чугуна. М.: Машгиз, 1961.- 127 с.

20. Еремин А.H. Физическая сущность явлений при резании стали.- М. Свердловск: Машгиз, 1951. - 226 с.

21. Ермаков Ю.Н. Современные тенденции в развитии лезвийной обработки. Обзор. - М.: НИИмаш, 1982. - 68 с.

22. Ерохин A.A. Исследование процесса зенкерования отверстий в закаленных сталях ЗОХГСА и ЗОХГСНА. Дис. канд.техн.наук. - М., 1956. - 340 с.

23. Жилин В.А. Субатомный механизм износа режущего инструмента.- Изд-во Ростовского университета, 1973. 168 с.

24. Загоров C.B. Методы оптимизации процессов сверления, зенкерования и развертывания алюминиевых сплавов на обрабатывающих центрах. Дис. кацц.техн.наук. - Киев, 1983. - 189 с.

25. Зорев H.H. Вопросы механики процесса резания металлов. М. : Машгиз, 1956. - 368 с.

26. Зорев H.H. Расчет проекций силы резания. М.: Машгиз, 1958.- 56 с.

27. Зорев H.H. Обработка резанием труднообрабатываемых материалов.- В кн.: Передовая технология и автоматизация управления процессами обработки деталей машин. Л.: Машиностроение, 1970, с.205-215.

28. Инденбом В.Л., Орлов А.Н. Формирование дислокационной структуры и механизм упрочнения чистых ОЦК металлов. "Металлофизика". Вып. 35. - Киев: "Наукова думка", 1971, с.3-Ю.

29. Интегралы и ряды. Элементарные функции. Авт. Прудников А.П., Брычков . . и др. - М.: Наука, 1981. - 798 с.

30. Исаев А.И. Процесс образования поверхностного слоя при обработке металлов резанием. М.: Машгиз, 1950. - 358 с.

31. Каминская Б.А. Исследование технологических факторов при скоростном зенкеровании стальных деталей. Дис. канд.техн.наук.- M., 1950. 198 с.

32. Капустин Н.М. Разработка технологических процессов обработки деталей с помощью ЭВМ. М.: Машиностроение, 1976. - 268 с.

33. Кацев П.Г. Статистические методы исследования режущего инструмента. М., Машиностроение, 1968. - 155 с.

34. Клушин М.И. Резание металлов. М.: Машгиз, 1958. - 453 с.

35. Кожина Т.Д. Расчет режимов резания при точении сталей и сплавов по заданному значению параметров шероховатости. В сб.: Расчет режимов на основе общих закономерностей процессов резания. Вып. Ю. - Ярославль, 1982, с.27-33.

36. Козлов В.А. Разработка расчетного метода определения техноло-. гических условий выполнения токарных операций для обеспечения заданного уровня глубины и степени наклепа. Дис. канд.техн. наук. - Рыбинск, 1979. - 155 с.

37. Козлов В.А. Связь между степенью и глубиной наклепа при обработке харопрочных сплавов и нержавеющих сталей. В сб.: Производительная обработка и технологическая надежность деталей машин. Вып.8. - Ярославль, 1979, с.113-116.

38. Колев К.С. Точность обработки и режимы резания. М.: Машиностроение, 1968. - 132 с.

39. Кононов 10.Е. Расчетный метод выбора рациональной марки твердого сплава при пулучистом точении сталей и сплавов. В сб.: Расчет режимов на основе общих закономерностей процессов резания. Вып.Ю. - Ярославль, 1982, с.64-70.

40. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. Киев: "Техника", 1970. - 396 с.43