автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Разработка и исследование способа прорезания узких пазов и разрезания заготовок охватывающими резцовыми головками

Принятые обозначения.

ВВЕДЕНИЕ .II

I. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ И КОНСТРУКЦИИ ИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ

РАЗРЕЗАНИЯ ЗАГОТОВОК И ПРОРЕЗАНИЯ ПАЗОВ.

1.1. Особенности процесса разрезания дисковыми фрезами

1.2. Обзор конструкций инструментов для разрезания и прорезания узких пазов

1.2.1. Стандартные дисковые фрезы

1.2.2. Специальные дисковые фрезы

1.2.3. Дисковые фрезы с напайными пластинками твердого сплава

1.2.4. Дисковые инструменты с механическим креплением пластин твердого сплава

1.2.5. Сборные резцовые головки

1.3. Анализ производительности процессов разрезания и прорезания узких пазов различными инструментами

1.3.1. Отрезание колец от труб

1.3.1.1. Отрезание колец на токарном станке

1.3.1.2. Отрезание труб дисковыми пилами

1.3.1.3. Отрезание труб охватывающим инструментом

1.3.1.4. Анализ производительности способов разрезания труб

1.3.2. Прорезание паза в кованых пальцах жаток

1.3.2.1. Прорезание паза дисковым инструментом

1.3.2.2. Прорезание паза охватывающим инструментом

1.3.2.3. Анализ производительности способов прорезания пазов.

1.3.3. Разрезание заготовок на секторы

1.3.3.1. Разрезание заготовки на секторы дисковой фрезой

1.3.3.2. Разрезание заготовки на секторы охватывающей резцовой головкой

2. ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ОХВАТЫВАЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ РАЗРЕЗАНИЯ И ПРО-. . . РЕЗАНИЯ ПАЗОВ.

2.1. Ширина режущего лезвия инструмента

2.2. Определение основных геометрических параметров сборных охватывающих резцовых головок

2.3. Конструкция взаимозаменяемых резцов

2.4. Обоснование геометрических параметров резцов

2.4.1. Опытная установка для проведения исследования

2.4.2. Проведение эксперимента

2.4.3. Эксперимент 2-го порядка (ЦКОП)

2.5. Экспериментальное определение составляющих силы резания.

2.6. Исследование перемещений режущей кромки резцов.

2.6.1. Исследование поперечных перемещений режущей кромки

2.6.2. Исследование продольных перемещений режущей кромки

2.6.3. Расчет деформации выступающей части резца с помощью метода конечного элемента

3. ВЫЯВЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ИНСТРУМЕНТА, РЕЖИМЫ РЕЗАНИЯ

3.1. Установление зависимости периода стойкости резцов от режимов резания

3.2. Оптимизация режима разрезания заготовки с помощью характеристической функции

3.3. Оптимизация режимов разрезания заготовок

3.3.1. Расчет режимов разрезания по критерию минимальной себестоимости

3.3.2. Оптимизация режимов разрезания по критерию наибольшей производительности

3.3.3. Оптимизация режимов разрезания по назначенной периодичности восстановления инструмента

4. ИНСТРУМЕНТ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНАСТКА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ РАЗРЕЗАНИЯ И ПРОРЕЗАНИЯ ПАЗОВ ОХВАТЫВАЮЩИМИ РЕЗЦОВЫМИ ГОЛОВКАМИ

4.1. Особенности эксплуатации охватывающего инструмента.

4.2. Оборудование и оснастка для отрезания части трубы.

4.3. Оборудование и оснастка для прорезания паза в кованых пальцах жаток

4.4. Инструмент, оборудование и оснастка для разрезания заготовок на секторы

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ РАЗРЕЗАНИЯ ЗАГОТОВОК НА.

СЕКТОРА

5.1. Параметры, характеризующие точность разрезания

5.2. Влияние геометрических погрешностей фрезерного станка на точность разрезания

5.3. Влияние геометрических погрешностей приспособления на точность разрезания заготовок.

5.4. Влияние погрешности настройки и фиксации средника в процессе работы на точность разрезания

5.5. Влияние погрешности установки заготовки на точность разрезания.

5.6. Влияние погрешностей инструмента на точность обработки.

5.7. Определение суммарных погрешностей обработки

5.7.1. Расчет отклонения от параллельности оси отверстия заготовки плоскости симметрии паза.

5.7.2. Расчет погрешности обработки в произвольной точке М.

5.7.3. Расчет погрешности длины дуги сектора

5.7.4. Расчет погрешностей угла между гранями и ширины разреза

5.7.5. Исследование практической точности разрезания.

В отчетном докладе Центрального Комитета ХХУ1 съезду КПСС отмечено, что ". широко распахнуть двери для нового может прежде всего машиностроение. То передовое, что создает научная и инженерная мысль, машиностроение призвано без промедления осваивать, воплощать в высокоэффективные, надежные машины, приборы, технологические линии."

В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы ставится задача увеличить за пятилетие выпуск продукции машиностроения в 1,4 раза. Особое внимание уделить при этом разработке и внедрению малоотходной и безотходной технологии. [ I ] .

Выполняя решения ХХУ1 съезда КПСС ЦК КПСС и Совет Министров СССР в материалах ноябрьского (1982) и июньского (1983), а также постановление "О мерах по ускорению научно-технического прогресса в народном хозяйстве" [ 5 , б ] постоянно акцентрирует внимание на вопросах ". кардинального повышения производительности труда на основе широкого и ускоренного внедрения в практику достижений науки, техники и передового опыта".

Среди большого многообразия задач машиностроения особо следует выделить задачу усовершенствования процессов разрезания металлов и прорезания пазов. Эта задача, возникшая с самого начала развития технологии обработки металлов, и по сей день не потеряла своей актуальности. Широко применяемые в машиностроении и приборостроении различные методы разрезания существенно различаются по производительности и себестоимости, [II] что нетрудно объяснить специфическими условиями выполнения операции разрезания с одной стороны и различием в масштабах производства с другой.

При обработке заготовок имеется принципиальная возможность осуществлять прорезание пазов и разрезание лезвийным инструментом или абразивным кругом. Применение силового шлифования неприемлимо из-за больших энергетических затрат и малого периода стойкости абразивных кругов малой ширины. Минимальные удельные затраты определили наибольшее распространение разрезания металла дисковыми пилами из быстрорежущих сталей. Однако, стремление уменьшить ширину реза с целью экономии металла приводит к снижению жесткости инструмента, которое влечет за собой уменьшение режимов резания и, следовательно, производительности.

Дальнейшее усовершенствование этого процесса возможно за счет применения более совершенных инструментальных материалов, и, в частности, твердого сплава. Однако это направление наталкивается на ряд трудностей из-за низкой работоспособности дисковых инструментов с напайными пластинками твердого сплава, а при применении инструментов с механическим креплением неперетачиваемых пластин [42, 43, 44] значительно увеличивается ширина реза.

Целью данной работы является повышение производительности прорезания пазов и разрезания заготовок за счет применения сборных инструментов с резцами, оснащенными твердым сплавом.

Это возможно при переходе к принципиально новой конструкции инструментов в виде охватывающих резцовых головок [20, 36 ] .

В отличие от традиционной дисковой пилы здесь режущей является не наружная, а внутренняя окружность. Это открывает возможности:

- разместить на внутренней окружности значительно большее (в 3-4 раза) количество взаимозаменяемых резцов, чем на наруж-ней режущей окружности дисковой пилы того же диаметра;

- для повышения жесткости резцов и внутреннего пильного диска разместить в межрезцовых промежутках распорные клинья;

- осуществлять индивидуальную замену отказавших резцов в инструментальной головке.

Относительно сложная по сравнению со стандартными дисковыми пилами конструкция охватывающих резцовых головок и те неудобства, которые имеют место при их использовании для обычных отрезных работ ограничивают применение этого инструмента особыми случаями разрезания или образования глубоких и узких пазов.

Так, например, на предприятиях министерства машиностроения изготавливают детали - сектора, которые получают при разрезании цилиндрической заготовки. Операция разрезания является лимитирующей в технологическом процессе изготовления секторов. Применение охватывающей резцовой головки позволит "расшить" это узкое место.

Серьезные затруднения, связанные с эвакуацией стружки возникают также при разрезании толстостенных труб на токарных станках. Применение охватывающих резцовых головок для выполнения этой операции позволяет удовлетворительно решить и эту весьма важную производственную задачу.

Охватывающие резцовые головки также, как и дисковые пилы могут быть использованы и для обработки глубоких пазов. Одним из таких объектов является заготовка кованого пальца жатвенных агрегатов, где обработка глубоких пазов при многомиллионной программе встречает весьма серьезные затруднения.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке и исследованию процесса разрезания и образования глубоких пазов охватывающими резцовыми головками применительно к указанным трем объектам: сектора, трубы, пальца.

В процессе выполнения работы решались задачи:

1) анализа производительности способов обработки и выбора рационального типа инструмента;

2) разработки конструкции твердосплавных инструментов для обработки пазов и прорезей малой ширины;

3) исследования жесткости инструмента;

4) исследования периода стойкости инструмента и установления рациональных режимов его работы;

5) разработки опытных установок и оснастки для обработки заготовок предлагаемым инструментом;

6) исследования точности разрезания заготовок.

I. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ И КОНСТРУКЦИЙ ИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ РАЗРЕЗАНИЯ ЗАГОТОВОК И ПРОРЕЗАНИЯ ПАЗОВ

I.I. Особенности процесса разрезания дисковыми фрезами

Процессы разрезания заготовок имеют много общего с процессами обработки глубоких пазов. И в том, и в другом случае затруднения связаны с низкой жесткостью инструмента. Так, например, при изготовлении цилиндровых деталей чулочных автоматов на их переферии приходится нарезать множество пазов шириной 0,3 - 0,4 мм и менее при глубине, превосходящей ширину в 10 и более раз. Имея исключительно низкую жесткость, дисковые фрезы для обработки таких пазов оказываются работоспособными лишь при условии самонаправления их стенками обрабатываемого паза.

При равных условиях, т.е. при одинаковых ширинах и глубинах, осуществить операцию прорезания пазов в соответствии с требованиями точности по ширине, глубине и прямолинейности стенок всегда труднее, чем разрезание. К точности разрезания обычно не предъявляются высокие требования, однако вполне естественным является стремление в целях экономии металла обеспечить минимальную ширину реза.

На рис.1.1 показана схема расположения инструмента - дисковой фрезы или пилы в обрабатываемом пазе. Для того, чтобы исключить контакт торцовых поверхностей инструмента со стенками паза,необходимо предусмотреть хотя бы небольшой вспомогательный угол в плане Ф [48, 49] , несмотря на то, что это неизбежно приведет к ослаблению тела инструмента. При наличии торцевого биения фрезы ширина пропила (паза) получается несколько большей, чем толщина фрезы, но добиться надлежащей точности при этом, естественно, не удается вследствие неопределенности величины торцевого биения инструмента.

Однако в некоторых случаях для улучшения условий резания биения фрез создают преднамеренно за счет косых шайб (рис.1.2).

Разрезание дисковыми пилами и фрезами обычно производится при радиальном движении подачи, т.е. по принципу наикратчайшего пути резания. При обработке пазов работа с радиальным движением подачи возможна лишь в случае, если допускается очертание поверхности резания по радиусу. В противном случае приходится работать с продольным движением подачи. Сравнивая схемы резания при работе с указанными движениями подачи (рис.1.3 и 1.4), нетрудно заметить, что они отличаются формой срезаемых слоев. В первом случае толщина срезаемого слоя, снимаемого каждым зубом, изменяется в относительно небольших пределах, во втором - толщина срезаемого слоя за время контакта зуба изменяется от нуля до определенного максимума. Нулевая толщина срезаемого слоя затрудняет процесс резания и способствует интенсивному отказу инструмента. Следовательно, с точки зрения повышения производительности и работоспособности инструмента целесообразно процессы разрезания и образования пазов осуществлять с радиальным движением подачи. Однако при этом необходимо иметь инструменты большого диаметра.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В диссертации решена актуальная для машиностроения задача повышения производительности труда прорезания узких глубоких пазов и разрезания заготовок.

Предложена методика расчета параметров сборных охватывающих инструментов, разработаны конструкции охватывающих резцовых головок увеличенной жесткости, выявлен и математически описан механизм образования доминирующих погрешностей ширины разреза и теоретически обоснованы пути их уменьшения.

При обработке секторов, пальцев жаток, труб необходимо разрезать заготовки или обрабатывать пазы шириной 4-7 мм при отношении глубины паза к ширине свыше 10.

1. Применение сборных охватывающих резцовых головок с резцами, армированными твердым сплавом, обеспечивает повышение производительности обработки за счет размещения большего количества режущих кромок на диаметре режущей окружности по сравнению с инструментами внешнего касания.

2. Увеличения жесткости инструмента позволяет достигнуть применение межрезцовых пластин-клиньев.

3. Ширина режущего лезвия резцов должна быть минимальной с учетом условий припаивания пластин твердого сплава.

4. Наибольшее влияние на износ резцов оказывает задний угол, который должен быть не более 20°. Для улучшения условий работы резцов в пазе необходимо накладывать на режущую кромку фаски шириной I - 1,2 мм под углом 45°.

5. Охватывающая резцовая головка имеет высокую жесткость в направлении действия главной составляющей силы резания Pz « Жесткость инструмента в направлении радиальной составляющей силы Ру определяется конструктивными параметрами резцов и действием пластин-клиньев, предотвращающих появление вибраций.

6. Разрезание заготовок из сталей при скорости главного движения резания 140-150 м/мин и подаче 0,04 мм/зуб обеспечивает период стойкости инструмента 70 минут.

7. При обработке опытной партии подтверждены теоретические расчеты погрешности разрезания заготовки на сектора, которые не вышли за пределы 0,11 мм.

8. Разработаны и изготовлены опытные установки для обработки типовых деталей: труб, кованых пальцев.

Разработанный комплекс, состоящий из модернизированного станка 6Р83Г, специального делительного приспособления, работающих в автоматическом цикле инструмента (охватывающей резцовой головки), и приспособлений для изготовления и перетачивания резцов, позволил осуществить высокопроизводительное разрезание заготовок на сектора.

Внедрение предлагаемого процесса в отрасль позволит получить экономический эффект в размере 58 тысяч рублей.

Выражаю благодарность доценту, кандидату технических наук Шейнину Г.М. за научные консультации в постановке задач исследований при выполнении диссертационной работы.

1. Материалы ХХУ1 съезда КПСС.- М.: Политиздат, 1981 223 с.

2. Материалы ноябрьского 1982 г. Пленума ЦК КПСС.- М.: Политиздат, 1982,- 16 с.

3. Об усилении работы по экономии и рациональному использованию сырьевых, топливно-энергетических и других материальных ресурсов: Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР.-ЭГ, 198I, № 28, с.3-4.

4. Материалы ноябрьского 1983 г. Пленума ЦК КПСС М., Политиздат, 1983, 16 с.

5. О мерах по ускорению научно-технического прогресса в народном хозяйстве. Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР.- Правда, 1983, 28 августа.

6. О дальнейшем развитии машиностроения в 1978-1980 годах: Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР.- Правда, 1980, 7 августа.

7. Аксёнов В.П. К вопросу об эффективности охватывающего фрезерования.- В кн.: Исследования в области технологии механической обработки и сборки машин. Тула, 1977, с.67.

8. Балакшин Б.С. Основы технологии машиностроения.- М.: Машиностроение, 1969.- 358 с.

9. Безухов Н.И., Лужин О.В. Приложение методов теории упругости и пластичности к решению инженерных задач.- М.: Высшая школа, 1974.- 200 с.

10. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов.- М.: Машиностроение, 1975.- 344 с.

11. Веселовский С.И. Разрезка материалов.- М.: Машиностроение, 1973.- 358 с.

12. Востряков А.И. Планетарное фрезерование лопастей,- В кн.: Вопросы технологии машиностроения. Горький, 1974, с.76-78.

13. Вторая всемирная выставка металлообрабатывающего оборудования в Ганновере: Информация НИИмаш С-6-3. Технология металлообрабатывающего производства.- М.: НИИмаш, 1980.24 с.

14. Гидравлическое оборудование: Каталог-справочник. Ч.2.- М.: НИИТМАШ, 1867.- 436 с.

15. Дунаев В.Ф. Размерные цепи.- М.: Гос.науч.техн.изд-во ма-шиностр. лит., 1953.- 306 с.

16. Душинский В.В., Пуховский Е.С., Радченко С.Г. Оптимизация технологических процессов.- Киев: Техника, 1977.- 176 с.

17. Жедь В.П., Сосон А.И., Башков В.М. Метод расчета режимов резания.- Вестник машиностроения, 1979, № 9, с.43.

18. Качер В.А. Материалы режущих инструментов.- Харьков: Прапор, 1970.- 126 с.

19. Кацев П.Г. Статистические методы исследования режущего инструмента,- М.: Машиностроение, 1974,- 230 с.

20. Коганов И.А., Шейнин Г.М., Трошин В.А. Высокопроизводительный инструмент для прорезания пазов и резания деталей. Инф. листок.- Тула: Приокское ЦНТИ, 1977, № 473.

21. Коганов И.А., Шейнин Г.М., Трошин В.А. Резцовая головка для фрезерования пазов.- Машиностроитель, 1975, №5, с.14.

22. Колкер Я.Д. Математический анализ точности механической обработки деталей.- Киев: Техника, 1976.- 186 с.

23. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров.- М.: Наука, 1970.- 176 с.

24. Лившиц В.М., Литвин Б.Ф. Приближенные вычисления и программирование на ЭВМ "НАИРИ-2".- Л.: Машиностроение, 1977.240 с.

25. Макаров Р.А. Тензометрирование в машиностроении.- М.: Машиностроение, 1975.- 290 с.

26. Обработка коленчатых валов средних размеров. Э-И Технология и оборудование механосборочного производства, 1976,31, с.12.

27. Общемашиностроительные нормативы времени на обслуживание рабочего места, подготовительно-заключительного для технического нормирования станочных работ.- М.: Машиностроение, 1964.-200 с.

28. Общемашиностроительные нормативы режимов резания для технического нормирования работ на металлорежущих станках. ч.2.- М.: Машиностроение, 1974.- 200 с.

29. Повышение производительности отрезных станков благодаря загрузочным устройствам.- Э-И. Автоматические линии и металлорежущие станки, 1983, № 13, с.13.

30. Подъёмщикова Е.К. Скоростное фрезерование пазов дисковыми фрезами.- М.: Оборонгиз, 1955.- 140 с.

31. Режимы резания труднообрабатываемых материалов: Справочник.-М.: Машиностроение, 1976.- 170 с.

32. Расчет экономической эффективности новой техники: Справочник/ Под ред.Великанова К.М.- М.: Машиностроение, 1975.432 с.

33. Сотова Б.И. К вопросу о выборе черновых баз при изготовлении деталей типа "сектор" из некруглой штампованной заготовки.- В кн.: Исследование в области технологии механической обработки и сборки. Тула, 1977, с.75-77.

34. Тверской М.М., Нагуло А.Н. Фрезерование глубоких пазов настанке с автоматической подачей,- Вестник машиностроения, 1972, № II, 31 с.

35. Трошин В.А. Анализ производительности отрезания толстостенных труб.- В кн.: Исследования в области технологии механической обработки и сборки. Тула, 1977, 25 с.

36. Трошин В.А. Инструмент и технологическая оснастка для отрезки колец от толстостенных труб. В кн.: Исследования в области технологии механической обработки и сборки. Тула, 1977, с.82-83.

37. Трошин В.А., Азов Е.И. Исследование динамики процессаразрезания охватывающими резцовыми головками.- В кн.: Исследования в области технологии механической обработки и сборки. Тула, 1980, с.174-178.

38. Трошин В.А., Баженкова Е.Р. Специальное приспособление для разрезания деталей типа диска на горизонтально-фрезерном станке,- В кн.: Автоматические манипуляторы и металлообрабатывающее оборудование с программным управлением. Тула, 1979, с.62-63.

39. Трошин В.А., Шейнин Г.М. Применение сборной охватывающей головки для разрезания заготовок.- В кн.: Управление качеством в механосборочном производстве. Пермь, 1981, с.141.

40. Трошин В.А., Шейнин Г.М. Оптимизация режимов разрезания заготовок охватывающими резцовыми головками.- В кн: Исследования в области инструментального производства и обработки металлов резанием. Тула, 1982, с.80-85.

41. Финкель В.И., Михайлов Д.В., Цейсц И.Э. Справочник нормировщика. Выпуск 1У.- М.: Машиностроение, 1949, 150 с.

42. Фрезерование, точение.: Проспект фирмы "Хайн-лайн", 1975.

43. Фрезы K0P0MAHT : Проспект фирмы "Сандвик". Швеция, 1975.

44. Фреза Крематорского завода.- Машиностроитель, 1975, № II, с. 24.

45. Хартман К., Муний Э. и др. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов.- М.: Мир, 1977.176 с.

46. Химмельбау Д. Анализ процессов статистическими методами.-М.: Мир, 1973.- 250 с.

47. Этин А.О. Кинематический анализ методов обработки металлов резанием.- М.: Машиностроение, 1964.- 385 с.

48. ГОСТ 2299-76. Фрезы отрезные и прорезные. Требования к качеству аттестованной продукции.- Введ. 01.01.77.

49. ГОСТ 2679-73. Фрезы прорезные (шлицевые) и отрезные.- Введ. 01.01.75.

50. ГОСТ 2710-75. Обозначения буквенно-цифровые на электрических схемах.- Введ. 01.01.76.

51. ГОСТ 2755-74. Условные обозначения в графических схемах.-Введ. 01.01.76.

52. ГОСТ 16319-80. Цепи размерные. Основные положения, термины, обозначения и определения.- Введ. 01.07.81.

53. ГОСТ 17734-72. Станки фрезерные консольные. Нормы точности и жесткости.- Введ. 01.01.82.

54. ГОСТ 18884-73. Резцы токарные с пластинками твердого сплава.- Введ. 01.07.74.

55. ГОСТ 19265-73. Сталь инструментальная быстрорежущая.- Введ. 01.01.75.

56. ОСТ 2-И-65-1-70. Пилы круглые, сегментные, оснащенные пластинками твердого сплава.

57. РТМ 23-61. Методика расчета размерных цепей. Введ. 01.07.62.

58. РТМ 44-62. Методика статистической обработки эмпирических данных.: ВНИИТМАШ, 1962. Введ. 01.07.63.

59. Оптовые цены на инструмент и измерительные приборы. Прейскурант № 18-05. Часть I. Режущий инструмент.- М.: Прейскурантиздат, 1963.

60. Dirks Kurt. Besehickungaeinriclitungen an Sagemaschinen erhohen die D^rchsatimenge.-Maschinenmarkt,' 1982,88,.N 8, 111- 113.

61. Willmeit A. S nkrechte Kreigsagemaschine fur hartme -tallbestukte Sageblatter, Wer£stattstechni£,1978, 68, N 12, 743 - 748,