автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка комбинированных корпусов режущих инструментов из синтеграна с повышенными демпфирующими свойствами

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "СТАНКИН"

о ОД - 1 Дьн Ю93

На правах рукописи

РОГОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 621.9.06: 66.017(043.3)

РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННЫХ КОРПУСОВ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ ИЗ СИНТЕГРАНА С ПОВЫШЕННЫМИ ДЕМПФИРУЮЩИМИ СВОЙСТВАМИ

Специальности: 05.03.01 - процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

05.16.06- порошкопаи металлургия и композиционные материалы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-1998 г.

Работа выполнена в Московском государственном технологическом университете "Станкин".

Научный консультант: доктор технических наук, профессор ГРЕЧИШНИКОВ В.А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Малыгин В.И.

доктор технических наук, профессор Верещака A.C.

доктор технических наук, профессор Таратынов О.В.

Ведущая организация - Центральный научно-исследовательский технологический институт (ЦНИТИ)

Защита состоится " 22 " декабря 1998 года ъ// часов на заседании диссертационного совета Д 063.42.01 в Московском государственном технологическом университете "СТАНКИН" по адресу: 101472 Москва, Вадковский п., 3 а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технологического университета "Станкин".

Автореферат разослан " " ноября 1998 года.

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

В.И. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Анализ технологических методов обработки резанием показывает, что одной из доминирующих тенденций современного машиностроения является увеличение точности изделий. На качество обработки на станках оказывает влияние каждый элемент системы СИД. Поскольку требования качества постоянно повышаются, то растут требования и к отдельным элементам, участвующим в процессе резания.

Существуют операции обработки, когда инструмент работает в экстремальных условиях на пределе своих возможностей. В этих случаях резко снижается устойчивость процесса резания, режущая кромка инструмента совершает высокочастотные колебания относительно обрабатываемой поверхности, которые ведут к интенсивному износу инструмента и снижению качества обработки. В процессе работы инструмент нагревается, что ведет к образованию систематической погрешности, связанной с изменением его линейных размеров.

Анализ работ, посвященных динамике процесса резания, показывает, что инструмент является наиболее слабым звеном технологической системы; полностью избежать вибраций традиционными методами невозможно, проблема их снижения весьма сложна и требует больших материальных затрат.

Учитывая уникальность отдельных изделий современного машиностроения, зачастую выпускаемых малыми партиями, их высокую стоимость н сложность обработки следует отметить, что проблема обеспечения заданных параметров точности и производительности является весьма актуальной.

Одним из эффективных способов повышения эксплуатационных и , в частности, демпфирующих характеристик является использование новых материалов при изготовлении корпусов инструмента. В качестве таких материалов могут быть использованы композиционные материалы, которые в сочетании с металлами позволяют повышать возможности уже разработанных изделий и создавать новые конструкции и технологии.

Создание корпусов инструментов из композиционных материалов в сочетании с металлами направлено на повышение его качества и представляется научной проблемой, имеющей важное практическое значение.

Цель работы. Разработка комбинированных корпусов и технологии изготовления режущих инструментов с повышенными демпфирующими свойствами из композиционного материала (синтеграна) в сочетании с металлом.

Методы исследования. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования проведены на базе научных положений технологии машиностроения и

теории резания металлов с использованием методов механики, теории упругости, теории колебаний, математической статистики, численно-аналитических методов математики и др. Широко использованы методы физического и математического моделирования с обработкой задач оптимизационного проектирования на ПЭВМ. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных и цеховых условиях на промышленном оборудовании с использованием современных программно-аппаратных средств с целью проверки и идентификации результатов теоретических исследований, а также решения частных задач конструирования инструментов с комбинированными корпусами.

Научная новизна работы заключается в:

В определении тепловых, силовых, точностных и демпфирующих характеристик комбинированных инструментов с армирующими элементами, ориентированными по направлению сил, возникающих в корпусе в процессе работы;

В определении оценки демпфирующей способности комбинированных корпусов, инструментов на физических моделях на основе метода фотоупругости;

И разработке технологических процессов приготовления синтеграна и формирования корпуса инструмента путем отливки базовой детали.

Практическая значимость результатов, полученных в диссертации, заключается в:

методиках, алгоритмах и программах, реализующих задачи механики, динамики, решение которых обеспечивает качество механической обработки инструментами с комбинированными корпусами;

- программно-аппаратных комплексах, позволяющих имитировать эксплуатационные характеристики проектируемого инструмента с комбинированными корпусами;

- определении целесообразной области использования реальных конструкций режущих инструментов с элементами из композиционного материала.

Реализация в промышленности.

Разработанные методики расчета и проектирования, а также конкретные конструкции инструментов с комбинированными корпусами, детали машин и станков, защищенные авторскими свидетельствами и патентами, используются ЭНИМСом, Липецким заводом шлифовальных станков, Московским трубным заводом, а также другими государственными и коммерческими организациями.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе в Российском Университете дружбы народов при подготовке специалистов по направлению "Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств".

Апробация работы. Основные научные результаты работы докладывались в 1983-1998 г.г. на Международных и Всесоюзных научно-

технических конференциях и конгрессах, Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава РУДН.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 105 научных работ, в том числе получено 77 авторских свидетельств СССР и патентов России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и заключения, изложенных на 390 страницах

машинописного текста, содержит 140 рисунков, 27 таблиц, список литературы, включающий 122 наименования, 7 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Одной из достаточно сложных и до настоящего времени практически неизученных, является проблема использования композиционных материалов в конструкциях режущих инструментов и оснастки.

Классические работы по проектированию режущего инструмента и изучению процессов резания на основе соответствующих достижений пауки и техники ведутся в течение многих десятков лет. Большой вклад в этом направлении внесен российскими учеными Баранниковым В.И., Барминым Б.Г1., Безъязычным В.Ф., Городецким Ю.И., Грановским Г.И.Дондратовым A.C., Корсаковым B.C., Кудиновым В.А., Левиным

A.И., Магалипым A.A., Пановым H.H., Подураевым В.Н., Покровским

B.П., Прониковым A.C., Пуш В.Э., Пуш A.B., Решетовым Д.Н., Силиным

C.С., Старковым В.К., Шатериным М.А. и др.

Выпускаемые в настоящее время инструменты имеют сравнительно низкие демпфирующие характеристики, в частности, резцы имеют корпуса, выполненные из закаленной стали, обладающей высокой твердостью и жесткостью. В процессе реза1шя такие корпуса не только не гасят вибрации, генерируемые в зоне резания, но и поддерживают их, являясь по существу аккумуляторами колебаний, а также передают вибрации подвижных органов станка на обрабатываемую заготовку. Это ведет к преждевременному износу инструмента, снижению качества и эффективности обработки, что особенно заметно при работе инструмента с большими вылетами (растачивание глубоких отверстий, протачивание шеек коленвалов и др.).

Постоянное повышение технико-экономических и эксплуатационных характеристик современного оборудования, инструментов и оснастки, требований к точности и качеству обработки привело к необходимости поиска новых конструкционных материалов, способных по своим параметрам заменять традиционно используемые стали и чугуны.

Одним из таких материалов является высоконаполненный композиционный материал на полимерной основе - синтегран (синтетический гранит). Материал разработан в ЭНИМСе под руководством к.х.н. Саниной Г.С.

Экспериментальные данные показывают, что применение синтеграна позволяет повысить стойкость инструментов, качество обработанной поверхности, снизить шум станков и достигнуть ряда других положительных характеристик. Применение синтеграна в конструкциях инструментов позволит решить ряд конструктивных и технологических проблем:

1. Снижение уровня колебаний инструмента при резании за счет самого материала, за счет возможности управления ориентацией осей жесткости, за счет создания предварительно напряженного состояния инструмента и возможности размещения в нем управляемых инертных масс.

2. Мониторинг сил резания, теплового удлинения инструмента и вибраций в процессе его работы на автоматизированном оборудовании за счет возможности размещения соответствующих датчиков внутри корпуса, что позволяет управлять точностый обработки.

3. Управление теплопотокамй в зоне резания и в корпусе инструмента путем формирования в нем трубопроводов или каналов для охлаждающей жидкости, позволяющей обеспечивать стабилизацию теплового удлинения резца, путем варьирования ' сечения структуры "сталь - синтегран", охлаждения режущей пластййы по опорным поверхностям.

На основании анализа существующих работ определены следующие задачи исследования:

- разработка технологии изготовления деталей,"'Инструментов и сборочных единиц с использованием синтеграна;1 '

- исследование прочностных 'й демпфирующих -характеристик синтеграна, а также стабильности этих свойств во времени;

- разработка математической модели прочностных и демпфирующих характеристик комбинированного инструмента, выполненного с использованием синтеграна;

разработка методики:' расчета технологической точности изготовления конструкций из синтеграна;

- определение конструктивных возможностей режущих инструментов с деталями из синтеграна. Разработка патентно-чистых конструкций инструментов и оснастки, в том числе и для решения специальных задач;

проведение экспериментальных исследований стойкости инструментов и качества обработанной поверхности при резании инструментом с комбинированными корпусами;

- исследование возможности обработки синтеграна абразивным и лезвийным инструментом и разработка математической модели зависимости качества обработки от параметров процесса резания;

- разработка технологии изготовления полых корпусов режущих инструментов с неокисленной внутренней поверхностью;

- определение экономической целесообразности использования синтеграна в конструкциях режущих инструментов и оснастки.

2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СИНТЕГРАНА

Представлены общие сведения о синтегране, который состоит из полимерного связующего и высокопрочных минеральных наполнителей и заполнителей. От вида связующего и его содержания зависят свойства композиционного материала. Экспериментальным путем определены основные физико-механические характеристики синтеграна в зависимости от его состава и содержания связующего, в сравнении с чугуном, гидробетоном и гранитом, представленные в табл. 1.

Таблица 1

Основные физико-механические характеристики синтеграна

Параметр Единица измерений Чугун Гранит Гидробетон Синтегран

Плотность г/см' 7,0...7,5 2,6...3,0 1,7...2,3 2,4...2,7

Прочность - сжатие - растяжен, - изгиб МПа 400...900 180...250 160...400 3,5...5,0 80... 120 180...200 15...20 32...36

Модуль упругости при изгибе Мпа х 10 4 10...12 1,5...2,5 1,8...2,1 4,5...5,5

Коэфф. Пуассона 0,26 - - 0,25...0,4

Теплопров одность Вт/м°К 75 0,8 - 0,5...0,9

Водопогло щение % за сутки - 0,02...0,1 4...8 0,02...0,05

Декремент колебаний 0,006... 0,008 0,02... 0,04 0,036... 0,048 0,06... 0,08

Разработаны составы синтегранов для изготовления корпусов резцов и других инструментов. Технологический процесс изготовления изделий из синтеграна включает в себя следующие основные этапы (рис. 1):

подготовка компонентов, дозировка и смешивание, подготовка литейных форм, заливка и выдержка изделий, механическая обработка. Определены параметры всех технологических операций, разработаны различные

конструкции литейных форм и требования, предъявляемые к ним.

Рис.

1.

Схема технологического процесса изготовления изделий из синтеграна

3. АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА РАБОЧИЕ ПАРАМЕТРЫ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СИНТЕГРАНА

Технология изготовлении комбинированных изделий с применением синтеграна позволяет использовать различные варианты, конструкций и

последовательности действий. На рабочие параметры готовых изделий существенное влияние оказывают точность их изготовления и тепловые деформации.

Для сравнения точности вариантов изготовления изделия из стали и из синтеграна путем отливки базовой детали использована технологическая размерная цепь, в виде последовательных операций. Для каждого технологического состояния суммарная погрешность включает в себя собственную, наследственную погрешности и погрешность контроля. Переход из предыдущего технологического состояния в последующее описывается передаточной функцией. Расчеты точности вариантов показывают, что размещение закладных деталей в литейной форме по базовым рабочим поверхностям теоретически позволяет ликвидировать предыдущую погрешность изготовления и получить в случае синтегранового изделия более высокую точность.

При работе изделий из синтеграна их точность может уменьшаться из-за нагрева, что должно учитываться на стадии проектирования. Конструктивно изделия из синтеграна могут иметь однослойную стенку; стенку с трубопроводом охлаждения; двух и многослойную стенку, состоящую из слоев синтеграна и металла; многослойный замкнутый контур и др. На основе законов теплопередачи разработаны методики определения теплового состояния различных вариантов конструкций.

Например, для многослойной стенки (рис. 2), состоящей из слоев синтеграна и металла, коэффициент теплопередачи имеет вид:

1 0)

а, /=1 сс 2

Рис. 2. Расчетная схема многослойной стенки где а, и аг - коэффициенты теплоотдачи сред;

Я - коэффициент теплопроводности слоев; д - толщины слоев.

Для трубопровода охлаждения, проложенного в стенке корпусного изделия или в державке инструмента коэффициент теплопередачи на 1 м длины:

= -Г~

1 1 , а0 1 (?)

-+--1п—— +--™

ахс1х 2 Я а1

где и - внутренний и наружный диаметры трубопровода.

На основании законов термодинамики разработана методика расчета стационарной теплопроводности комбинированных корпусов методом объемных конечных элементов. Корпус резца представлена в виде изотропного тела объема V, ограниченного замкнутой поверхностью Б. Поток тепла Ч, связанный с теплопроводностью в твердом теле, зависит только от распределения температур в теле и определяется по формуле:

^-Хо^асГГ (3)

— ОТ „ ОТ _ дТ _

ртаа! = — ое ч--ое ч--ое

где: & дх ду дъ - градиент поля температур

Т(Г);

Я - коэффициент теплопроводности (Дж/(см сек град)).

Дифференциальное уравнение стационарной теплопроводности державки резца:

ХоУ2Т + ЯУ =0,Г еУ (4)

„2гр д2Т д2Т а2Т

\7 1 ___»___1 _

где: дх2 ду2 дх2 ДекаРТ0В°й системе координат).

Уравнение (4) справедливо в объеме державки. На границе Б державки для поля температур Т = Т(х,у,г) записываются граничные условия:

1) заданное на части границы 5, державки поле температур Т0(г);

Т(г) = Т0(г),гб81 (5)

2) заданный на части границы поток тепла Ч0 (г) из державки:

Яоп = я0,или-?1°(^а(1Т°п)^0,г е82 (в)

3) заданный на части границы державки конвективный теплообмен с коэффициентом теплоотдачи ¡3 (Дж/(см сек град) и температурой окружающей среды Г:

Я°п = р°(Т-ТД или - Хо(ёгас1Топ) = ро(Т-Т<0),г е83 (7)

При расчетах задавался постоянный тепловой поток, который может быть приложен к точке (вершине режущей кромки резца), нескольким точкам или к полосе. Стационарный тепловой режим при разогреве точки до 450° С наступает через 500 секунд. Теплопроводность синтеграна в несколько раз ниже, чем у металла, поэтому подвод тепла к державке значительно меньше. При этом большая часть тепловой энергии из зоны резания за счет конвекции отдается окружающей атмосфере, или в случае работы с охлаждением, отводится жидкостью.

Для десяти вариантов комбинированных корпусов резцов выполнены расчеты тепловых деформаций, полей температур и температурных напряжений. Пример расчета одного из вариантов представлен в графическом виде на рис. 3.

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ И АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОРПУСОВ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

Распределение напряжений в корпусах резцов по поперечному сечению в процессе резания неравномерно. Существуют области, где напряжения малы или близки к нулю: на оси х материал не имеет

напряженного состояния, в точке С наблюдается чистый сдвиг, в угловых точках ВиЭ - линейные напряжения растяжения или сжатия (рис. 4).

На основании этого представления разработаны комбинированные конструкции корпусов, содержащие металлический каркас заполненный синтеграном, позволяющие сохранять достаточные прочность и жесткость. Металлический каркас представляет собой в поперечном сечении сложную фигуру, состоящую из нескольких простых (рис. 5). Каждый элемент фигуры воспринимает определенную нагрузку. Разработаны алгоритм и программа выбора оптимальной формы поперечного сечения корпуса из условия минимума напряжений при заданной нагрузке.

корпуса с сечением № 3

Рис. 5 Пример сечения комбинированного корпуса резца Моменты сопротивления и определяются по формулам:

• V Y

W - -Zc ■ W - - " /ОЧ

VVZc~ у ' nYc 7 ' (8)

•*max max

где: Ymax и Zmax - расстояния от осей Zc и Yc. соответственно, до наиболее удаленных от этих осей точек сечения.

Моменты инерции Yzc и Yyc определяются следующим образом:

- все сечения разбиваются на несколько фрагментов, для которых моменты инерции известны (простые фигуры - прямоугольники, треугольники и т.д.);

- вычисляются моменты инерции этих фрагментов относительно своих центральных осей по формулам:

п

4 = 1(4 + ^4-)

¡=1

Уг^^Уп + г'А) (9)

где: У'с и 7}с - расстояние от центральных осей этих фрагментов до центральных осей сечения; .

А, - площади этих фрагментов; Моменты сопротивления кручению - для замкнутых профилей:

Wk = 2Р*8яЛл (10)

где: 2Р*- удвоенная площадь, ограниченная средней линией контура;

^шт - минимальная толщина.

- для незамкнутых профилей:

шах

где: и 51, - соответственно толщина и длина 1-го фрагмента сечения;

Методика позволяет выбирать оптимальную форму поперечного сечения и толщину стенки металлического каркаса.

Разработана плоская модель корпуса резца, представленная в виде комбинации синтеграновых и металлических зерен, соединенных упругими связями. Расчетная схема представлена на рис. 6.

16

26

1 2 3 4

21

11

17

27

12

13

22

18

ж*т

19

23

28

29

10

14

шт

15

20

24 кто?

шш

Ш 25

30

31 32

35

Рис. 6. Расчетная схема комбинированного корпуса резца

Расчетная схема представляет собой статически неопределимую многозвенную стержневуго систему. Для решения задачи используется метод сил. Определяется степень статической неопределимости системы (в данном примере п = 45), отбрасываются упругие связи, которые заменяются силами х, ...х,„, величины которых определяются из условия равновесия основной системы. Строятся эпюры напряжений от единичных продольных, поперечных, вращательных сил и силы резания, а также

матрица податливости Л, матрица неизвестных сил X и матрица \ перемещений под действием внешней нагрузки, имеющие вид:

X, ^1,2 " <5,45 х\

А = ; х =

/-15.1 ^■15.2 ' Х45.

Элементы матрицы податливости рассчитывали по формуле

щ ) ЕЕ. Е1. 1 С Е.

'=1\о 11 о I I о I I У

где О) и МкМ - ординаты эпюр соответственно

единичных продольных и поперечных сил и моментов; к - номер строки матрицы; Е^ и в; - модули упругости на растяжение и сдвиг; ^ -площадь поперечного сечения упругой связи; I; - момент инерции сечения упругой связи.

Модель позволяет исследовать напряжения, податливость и демпфирующие способности комбинированных корпусов разной высоты при различных вылетах и разном числезерен, изменяя их число и нагрузку, имитирующую сцлу резания.

Разработана методика и программный комплекс расчета комбинированных корпусов резцов с использованием метода объемных конечных элементов, включающий базу данных, создание и отладку моделей, решение системы уравнений, графический модуль изображения результатов расчетов. Методика позволяет при имитации консольного закрепления корпуса резца с различными вылетами определять перемещения по оси приложения силы. Пример результатов расчета представлен_на_рис._ 7.

Рис. 7. Перемещения корпуса резца по оси приложения силы

(вариант сечения № 5) Для прогнозирования статических и динамических характеристик комбинированных корпусов разработана методика физического моделирования с анализом полей напряжений поляризационно-оптическим методом фотомеханики, позволяющим получить напряженное состояние в любой точке составной модели. Установлено, что наибольшая часть энергии деформации связана с изменением формы нагруженной

конструкции и для условия плоского напряженного состояния в методе фотомеханики определяется по формуле:

(14)

Здесь Е - модуль упругости материала, У - коэффициент Пуассона, с, и - компоненты главных нормальных напряжений.

Рис. 8. Фотограмма модели (чистый изгиб)

Рис. 9. Эпюра напряжений в сечении модели (чистый изгиб) Информация о напряжениях представляется в виде изолиний равных величин разности главных напряжений, т.е. сгх ~<т2 = 2 ттш. Примеры фотограммы нагружения физической модели и эпюры распределения напряжений представлены на рис. 8 и 9.

При различных типах взаимодействия каркаса (имитирующего металлические элементы корпуса резца) и заполнителя (имитирующего синтеграновые элементы корпуса резца) распределение напряжений свидетельствует о наличии в модели зон со ступенчатым изменением уровней деформации на границах элементов с различной жесткостью.

Можно предположить, что именно эти границы способствуют гашению и отражению полей деформаций при динамическом процессе. С увеличением податливости количество энергии деформации уменьшается, что способствует большим потерям на внутреннее трение при гистерезисе, предопределяющим, в свою очередь, процесс затухания колебаний при динамическом деформировании.

Разработанный способ оценки динамической характеристики по соотношениям энергии упругой деформации в статике дает возможность судить о поведении комбинированных конструкций в реальных динамических условиях работы. Установлено, что вид сопротивления при изгибе существенно влияет на соотношение энергетических показателей элементов, особенно это проявляется при большей разнице в величинах податливостёй.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ИНСТРУМЕНТОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИНТЕГРАНА

Для оценки достоверности теоретических разработок, математического и физического моделирования были проведены экспериментальные исследования эксплуатационных характеристик резцов и дана оценка качества обработки поверхностей. Исследовались различные конструкции расточных борштанг и проходных резцов. Работа включала два этапа: динамические исследования на вибростенде и испытания непосредственно на станке в процессе резания. Был разработан специальный стенд для определения динамических характеристик методом колебаний узла крепления резцов, представленный на рис.10. Методика определения логарифмического декремента колебаний исследуемых резцов основана на измерении коэффициента динамичности К я резцов при

резонансе и рассчете 0 по формуле:

(15)

где ¿у о - собственная частота колебаний динамической системы резца, в - логарифмический декремент колебаний. Пример результатов стендовых испытаний представлен на рис. 11.

1 S 3 4 5 6

Рис.10. Схема стенда

1 - резец; 2 - датчик ускорений; 3 - датчик ускорений; 4 - резцедержатель; 5 ■ цифровой частотометр Ф-5080; б - электромеханический вибратор; 7 генератор сигналов ГЗ-104; 8 - усилитель мощности ЬУ-102; 9

осциллограф С1-65.

зо к

too 500 1000 5000 /0000 50000

Рис. 11. Зависимость коэффициентов динамичности от частоты

Результаты эксперимента показывают, что применение синтеграна в конструкциях корпусов приводит к резкому уменьшению коэффициента динамичности и увеличению логарифмического декремента колебаний.

го

На втором этапе были осуществлены однофакторные эксперименты и реализован план эксперимента 23 с независимыми переменными: скорость резания, подача и глубина резания. В процессе резания измеряли амплитуду колебаний вершины резца, износ по задней грани на единицу пути резания и шероховатость обработанной поверхности. Построены уравнения регрессии, таблицы и графики зависимости шероховатости поверхности от режимов резания.

На [цкм]

.....| __L

'ч | I 1 L-i1

\ ^ : ' \ ' \ \ 1 . ! 2 1

V

[н/мин"!

1 f

К Î

j — ; % 4 —

60 US,S IBB, Б

1 - стандартный резец; 2 - резец с комбинированным корпусом.

Рис. 12. ШХ-15, HRC 58..62, вылет 30 мм, S=0,04 мм/об, t=0,3 мм

11В. в

lea, s

v

Рис. 13. ШХ-15, HRC 58..62, вылет 30 мм, S=0,06 мм/об, t=0,3 мм

Ra ГпниЗ

Ret [мкMl

Рис. 14. ШХ-15, HRC 58..62, вылет Рис. 15. ШХ-15, HRC 58..62, вылет 60 мм, S=0,04 мм/об, t=0,3 мм 60 мм, S=0,06 мм/об, t=0,3 мм

Экспериментальные исследования показали высокие эксплуатационные характеристики резцов с комбинированными корпусами. Наибольший эффект использования таких резцов имеет место при чистовом точении. Рекомендуемые режимы резания: глубина резания 0,5...1 мм, подача 0,06...0,08 мм/об, скорость резания - более 35 м/мин.

Расхождение теоретических расчетов и экспериментальных данных не превышает 12... 16%. Примеры зависимости шероховатости обработанной поверхности от режимов резания стандартным резцом и резцом с комбинированным корпусом представлены на рис. 12... 15.

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СИНТЕГРАНА

В работе выполнен комплекс исследований обрабатываемости синтеграна лезвийным и абразивным инструментом.

Исследование возможности обработки синтеграна лезвийным инструментом вкшочало в себя два этапа. На первом этапе в условиях продольного точения при одинаковых режимах резания осуществлялось измерение износа режущих пластин. Наиболее эффективным инструментальным материалом для обработки синтеграна оказался твердый сплав Т5К12. На втором этапе проведены однофакторньте эксперименты по определению зависимости износа режущей пластины от режимов резания и многофакторные эксперименты.составлено уравнение процесса:

У=0,4814-0,00155*У-0,1893*8+0,0746*1-0,0237*8*1+0,00206*УН-0,00127*У* Б'Ч (15)

Наибольшее влияние на износ режущей кромки резца оказывает подача. При обработке синтегранов, вследствие наличия неоднородных по составу и различных по размеру зерен минерала, наблюдаются вибрации, что ведет к достаточно быстрому износу резца, при этом критического износа не наблюдается и лезвийная обработка возможна. Стойкость инструмента снижается на 15...25% но сравнению с обработкой металлов (сталь 45).

При исследовании возможности обработки синтеграна абразивным инструментом на первом этапе определены зависимости шероховатости

поверхности от о тдельных факторов: содержания связующего, мпкротвердости заполнителя, зернистости абразивного круга, содержания связующего и среднего диаметра основной фракции. На втором э тапе проведены многофакторные эксперименты и построено уравнение регрессии:

У=2,531 -0,984X1+1,944X2-0,704Хз-0,741 Х1Х2-0,421 Х2Хз+0,73 1 Х| Хз+0,544X1 Ха Хз, (16)

где Х1 - средний диаметр основной фракции, Хг - зернистость круга, Хз - содержание связующего.

Эксперименты показали, что обработка синтеграна шлифованием позволяет получить высокое качество поверхности. На шероховатость поверхности наиболее существенное влияние оказывает зернистость шлифовального круга.

Разработана технология производства полых заготовок корпусов резцов совмещающая непрерывное литье и прессование. Технологический процесс позволяет непрерывно изготавливать заготовки широкого сортамента с быстрой переналадкой оборудования на выпуск новой продукции.

Исследованы конструктивные и технологические возможности инструментов, выполненных с использованием синтеграна, позволяющие обеспечивать за счет конструкции корпуса снижение вибраций при резании, создавать предварительно напряженное состояние корпуса резца, охлаждение как самой режущей пластины, так и корпуса, выполнять корпуса резцов с механизмами демпфирования, использовать механически закрепляемые перетачиваемые режущие пластины, устанавливать в корпусах режущего инструмента датчики, в том числе и на нейтральной линии и др. Разработаны патентно способные конструкции режущих инструментов и оснастки, выполненные с использованием синтеграна или других композиционных материалов. Определены области наиболее эффективного использования синтеграна в изделиях машиностроения и других областях. Выполнены экономические сравнения вариантов изготовления резцов из стали и с использованием синтеграна. Экономическая эффективность изготовления изделий из синтеграна возможна за счет снижения расхода металла, применения многоразовых многоместных форм, простоты технологического процесса и возможности его полной автоматизации, в том числе и сборки.

Выводы и основные результаты работы.

Данная работа является комплексным исследованием, содержащим новую концепцию проектирования режущего инструмента и оснастки с использованием композиционных материалов, а также технологические основы процессов изготовления деталей станков, инструментов, оснастки, приспособлений и других изделий машиностроения.

1. Разработанные составы синтегранов, имеют высокие физико-механические характеристики, что позволяет использовать их в качестве конструкционного материала для изготовления ответственных деталей машиностроения (корпусов и других элементов конструкции инструментов, корпусных изделий, поверочных плит и др). Применение синтеграна в конструкциях корпусов инструментов приводит к уменьшению коэффициента динамичности и увеличению логарифмического декремента колебаний.

2.Установлено, что разработанные комбинированные конструкции державок инструментов, содержащие металлический каркас, заполненный синтеграном, позволяют располагать армирующие элементы в соответствии с величиной и направлением действующих сил и напряжений. По своим прочностным характеристикам разработанные конструкции в большинстве случаев не уступают стандартным, а по эксплуатационным превосходят их. Появилась возможность широкого выбора форм и сечений изделий, наилучшим образом воспринимающих действующую нагрузку. При этом общая масса изделия из синтеграна не превышает массы аналогичной металлической конструкции при одинаковой динамической жесткости.

3. Разработаный алгоритм тепловых расчетов изделий из синтеграна, позволяет прогнозировать тепловые состояния одно- и многослойных комбинированных стенок конструкций, принудительно охлаждаемых синтеграновых стенок, корпусов режущих инструментов и замкнутых корпусов редукторов привода вращения осевого режущего инструмента. Расчеты и эксперименты показывают, что при замене металла на синтегран для сохранения температурного состояния изделия площадь его поверхности должна быть увеличена на 15...20% , а также возможно использование принудительного охлаждения путем обдува или применения трубопроводов с охлаждающей жидкостью и др.

4. Установлено, что синтегран обладает высокой тепловой и временной стабильностью, что позволяет за счет соответствующей ориентации отдельных закладных элементов конструкции в процессе отливки базовой детали обеспечивать требуемую точность изделия без последующей механической обработки.

Это позволяет полностью автоматизировать процесс изготовления изделий, в том числе и сборки.

5. Разработан алгоритм расчета геометрических характеристик поперечного сечения комбинированного корпуса консольно закрепленного инструмента. Выполнены расчеты прогиба комбинированных корпусов режущих инструментов в зависимости от его вылета методом объемных конечных элементов, что позволяет по заданным условиям резания выбирать нужные конструкции корпусов, наилучшим образом работающие в конкретных условиях, а также определять соотношения размеров металлического каркаса и синтеграна.

Предлагаемая математическая модель слоистого корпуса резца с различным количеством слоев и содержанием синтеграна в виде многозвенной стержневой системы позволяет определить податливость консольно закрепленного инструмента при вылете меньшем высоты корпуса, ког да балочная теория сопромата не может быть использована.

6. На основе исследований динамических и эксплуатационных характеристик резцов с державками из синтеграна установлено, что применение синтеграна в конструкциях корпусов резцов приводит к увеличению логарифмического декремента колебаний и уменьшению

коэффициента динамичности. Так, стандартные резцы при вылете 50 мм имеют логарифмический декремент колебаний в 3,11 раза меньший, чем резцы с конструктивными элементами из синтеграна. Наибольший эффект демпфирования за счет применения синтеграна наблюдается при больших вылетах резцов. Борштанги со вставками из синтеграна имеют меньшие значения собственных частот колебаний по сравнению со стальными и имеют зоны лучшего демпфирования колебаний, что позволяет при чистовой обработке получать более высокое качество обработанной поверхности, чем при точении стандартными борштангами.

7. На основе исследований возможности механической обработки синтеграна с наполнителем из габро-диабаза и содержанием связующего 7...10 % лезвийным и абразивным инструментом установлено, что при обработке лезвийным инструментом износ резцов увеличивается всего на 15—20% по сравнению с обработкой металла (сталь 45), и, поэтому лезвийный инструмент может быть использован при необходимости черновой обработки. ■ ■ ■ :: •..

. При обработке абразивным инструментом достигаются высокое качество и точность обрабатываемой поверхности.

8. Установлено, что положительные конструктивные и технологические возможности инструмента, выполненного с использованием композиционного материала, позволяют расширить эксплуатационные характеристики: за счет конструкции корпуса снижать вибрации при резании, создавать предварительно напряженное состояние корпуса, обеспечивать охлаждение как самой режущей пластины, так и державки, выполнять державки и корпуса с механизмами демпфирования, устанавливать в корпусах режущего инструмента датчики, в том числе и на нейтральной линии и др., позволяющие в конечном счете повышать качество обработки. Появилась возможность придания комбинированным изделиям диэлектрических свойств.

9. Разработана математическая модель прогнозирования динамических характеристик комбинированных изделий по физическим моделям, имеющим статическое нагружение, с использованием методов фотомеханики. Методика позволяет за счет подбора фотоупругих материалов и комбинирования размеров элементов моделей имитировать различные конструкционные материалы. Физические модели позволяют копировать сложные комбинированные конструкции инструментов и оснастки с жестким соединением металла и синтеграна ( с обратной связью) и установленных с возможностью скольжения одних поверхностей относительно других (без обратной связи). Исследование моделей подтверждает высокие демпфирующие характеристики комбинированных изделий, выполненных с использованием синтеграна.

10. В результате проведенных исследований . установлены возможность и целесообразность использования синтеграна в конструкциях режущих инструментов и оснастки в комбинации с закладными деталями и металлическими каркасами. Разработаны

патентно способные технологии и конструкции инструментов, оснастки и других изделий машиностроения, выполненных с использованием

синтеграна и аналогичных композиционных материалов. Проведены лабораторные и цеховые испытания различных конструкций литейных форм, приспособлений и оснастки для изготовления изделий из синтеграна. который показал себя высокотехнологичным материалом. Возможна полная автоматизация изготовления изделий из него, в том числе и сборки, которая может осуществляться путем отливки базовой детали. Разработаны технологический процесс, необходимое оборудование и оснастка для изготовления различных изделий машиностроения, частично или полностью выполненных из синтеграна. Накоплен более чем десятилетний опыт серийного производства элементов режущих инструментов, станков, приспособлений и предметов народного потребления из синтеграна. Разработанные методики расчета и проектирования, а также конкретные конструкции инструментов с комбинированными корпусами используются Липецким заводом шлифовальных станков, Московским трубным заводом, ЭНИМСом, а также другими государственными и коммерческими организациями. Материалы работы используются в учебном процессе в Российском Университете дружбы народов и в других ВУЗах при подготовке специалистов по направлению "Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств".

11. Использование синтеграна в конструкциях режущих инструментов при его изготовлении позволяет снизить расход металла до 70%, улучшить демпфирующие способности инструмента, при этом повышается точность обработки на один квалитет и повышается стойкость инструмента на 15...20%. Достигается снижение трудоемкости механической обработки на 35-40%о, сборки на 50% и сокращение производственного цикла на 50%. Уменьшаются температурные деформации инструмента. Экономический расчет эффективности изготовления инструментов и оснастки с использованием синтеграна по сравнению с аналогичными цельнометаллическими конструкциями показал большие возможности экономии металла (до 80%), снижения себестоимости (до 15%), а также достижения качественного эффекта за счет снижения вибрации и шума при работе, повышения точностей и качества обработки, повышения стойкости режущих пластин, сокращения цикла изготовления изделий и др.

Эти результаты являются основанием для проведения дальнейших

испытаний соответствующих конструкций в промышленных условиях.

Содержание диссертации опубликовано в 105 работах, основнымииз которых являются:

1. Использование бетонов и полимербетонов в станкостроении. // Исследование технологии и конструкции деталей машин, оборудования и инструмента. М.: УДН, 1985 г., С.82-88.

2. Разработка полимербетона (синтеграна) для станкостроения и технологии изготовления из него деталей станков в условиях опытного производства. М.: ЭНИМС. Отчет по теме 12-84. ГР01.84.0015411,1985 г. -171 с. (Соавт. Барт В.Е., Санина Г.С., Шевчук С.А.).

3. Перспективы применения синтетических гранитов - синтегранов в машиностроении. Материалы 3-й Всесоюзной конференции "Композиционные материалы в народном хозяйстве". Ташкент, сентябрь 1986 г. (Соавт. Барт В.Е., Санина Г.С., Шевчук С.А.).

4. Узлы из высоконаполненного композиционного материала на полимерной основе (ПКМ) для металлорежущих станков.// Технология, оборудование, организация и экономика машиностроительного производства. М:, ВНИИТЭМР, № 1,1986 г. С. 14-17.

5. Факторы, влияющие на точность изготовления узлов коробок скоростей станка из стали и полимербетона.// Технология, оборудование, организация и экономика машиностроительного производства. М., ВНИИТЭМР, № 2,1986 г., С. 10-14.(Соавт. Соловьев В.В. ).

6. Анализ результатов динамических испытаний стальных и полимербетонных узлов.// Технология, оборудование, организация и экономика машиностроительного производства. М:, ВНИИТЭМР, № 5, 1986 г. С. 6-11.(Соавт. Кудинов В.А., Барт В.Е., Гудименко H.H.).

7. Технология изготовления сборочных единиц для металлорежущих станков с использованием полимербетона.// Технология, оборудование, организация и экономика машиностроительного производства. М:, ВНИИТЭМР, № 3,1988 г. С. 10-12.( Соавт. Кудинов В.А., Барт В.Е.).

8. Исследования резцов с синтеграновыми вставками.// Станки и инструмент. М:, 1993 г., № 1. С. 29-31.

9. Динамические исследования полимербетонных узлов.// Совершенствование элементов систем обработки металла резанием. М:, УДН, 1987 г., С. 16-24. (Соавт. Кудинов В.А., Гудименко H.H.).

10. Токарные резцы с комбинированными державками// СТИН № 5. 1994,- С. 13-15.

11. Расчет державки резца, выполненной из композиционного материала// СТИН № 10. 1994,- С. 20-21.

12. Резцы с державками из новых композиционных материалов// СТИН № 5. 1996. - С. 20-23.

13. Математическая модель державки резца с вставкой из композиционного материала// СТИН№ 12. 1996. - с. 18-20. (Соавт. Позняк Г.Г.).

14. Опыт механической обработки деталей из синтеграна// Материалы XXXI научно-технической конференции , посвященной 35-летию РУДН. М., 1995 г.

15. Конструктивные возможности деталей машин, выполненных из композиционных материалов// Материалы ХХХП научно-технической конференции РУДН. М., 1996 г.

16. Конструктивные методы повышения прочности тяжелонагруженных дисковых пил// Надежность режущего инструмента и оптимизация технологических систем. ДГМА, Краматорск. 1997. - С. 138141. (Соавт. Соловьев В.В., Гузенко Р.В.).

17. Методы обработки типовых поверхностей. - М: Изд-во РУДН. -1997. - 168 с.

18. Теоретические основы технологии машиностроения. - М.: Изд-во РУДН. - 1997. •• 149 с.

19. Steel and toolholder dynamik and operation// Polymers in concrete. VII International congress on polymers in concrete. Moscow. - 1992. - p. 470476. ( Po/nyk G.G., Bart V.E.).

20. Квазидискретная математическая модель твердосплавного режущего клина.// СТИН № 5. - 1998. - с. (Соавт. Позняк Г.Г., Хамис Я.).

21. Резец. Патент России № 2078646, приоритет 19.12.94,опублик. 10.05.97, бюл. 13.

22. Упорный центр (варианты). Патент России № 2087265, приоритет 06.03.95, опублик. 20.08.97, бюл. 23. . '

23. Резец для чистовой обработки. Авторское свидетельство СССР № 1355362, опублик. 30.11.87, бтолл. № 44. (Соавт. Кудипов'В.А.,Барт В.Е., Санина Г.С.).

24. Упорный центр. Авторское свидетельство СССР № 1357144, опублик. 31.03.86, бтолл. № 45. (Соавт. кудинов в.А., Барт в.е., Санина Г.С.).

25. Резец для чистовой обработки. Авторское свидетельство СССР№ 1648640, опублик. 16.01.89, бюлл. № 18. (Соавт. Стрельцов В.М., Солодков И.Г.).

26. Резец для чистовой обработки. Авторское свидетельство СССР № 1708532, опублик. 30.01.92, бюлл. № 4. (Соавт. Позняк Г.Г., Солодков

И.Г.).

27. Фреза. Авторское свидетельство СССР № 1710221, опублик. 07.02.90, июш. № 5.

28. Резец для чистовой обработки. Авторское свидетельство СССР № 1726148, опублик. 15.04.92, бюлл. № 8. (Соавт. Рогова Н.П., Стрельцова Я.П.).

29. Упорный центр. Авторское свидетельство СССР № 1741972, опублик. 23.06.92, бюлл. № 23.(Соавт. Рогова Т.В., Солодков И.Г.).

30. Резец. Авторское свидетельство СССР № 1750850, опублик. 30.07.92, бюлл. №28.

31. Резец. Авторское свидетельство СССР № 1759567, опублик. 07.09.92, бюлл. № 33.

32. Напильник. Авторское свидетельство СССР № 1759572, опублик. 07.09.92, бюлл. № 33. (Соавт. Позняк Г.Г.).

33. Резец. Авторское свидетельство СССР № 1779466, опублик. 07.12.92, бюлл. № 45. (Соавт. Позняк Г.Г.).

34. Резец для чистовой обработки. Авторское свидетельство СССР № 1779468, опублик. 07.12.92, бюлл! № 45.

35. Резец для чистовой обработки. Авторское свидетельство СССР № 1796349, опублик. 23.02.93, бюлл. № 7. (Соавт. Позняк Г.Г.).

36. Отрезной резец. Авторское свидетельство СССР № 1813590, опублик. 07.05.93, бюлл. № 17.(Соавт. Федоров В.Л.).

37. Отрезной резец. Авторское свидетельство СССР № 1816538, опублик. 23.05.93, бюлл. № 19. (Соавт. Позняк Г.Г.).

38. Резец. Патент России №2008131, опублик. 28.02.94, бюлл. №4.

39. Способ производства полых заготовок с неокисленной внутренней поверхностью. Патент России № 2009003, опублик. 15.03.94, бюлл. № 5. (Соавт. Барт В.Е., Санина Г.С., Буркин С.П.).

40. Резец. Патент России № 2009768, опублик. 30.03.94, бюлл. № 6.

41. Резец. Патент России № 2009769, опублик. 30.03.94, бюлл. № 6.

42. Резец. Патент России № 2009771, опублик. 30.03.94, бюлл. № 6.

43. Литейная форма. Патент России № 2010666, опублик. 15.04.94, бюлл. № 7. (Соавт. Позняк Г.Г.).

44. Резец. Патент России № 2011478, опублик. 30.04.94, бюлл. № 8.

45. Резец для чистовой обработки. Патент России № 2012440, опублик. 15.05.94, бюлл. № 9.

46. Литейная форма. Патент России № 2015792, опублик. 15.07.94, бюлл. № 13.

47. Резец для станка-автомата. Патент России № 2016708, опублик. 30.07.94, бюлл. № 14. (Соавт. Позняк Г.Г.).

48. Пила. Патент России № 2034683, опублик. 10.05.95, бюлл. № 13.

49. Дисковая фреза. Патент России № 2035272, опублик. 20.05.95, бюлл. № 14. (Соавт. Рогова Т.В.).

50. Резец. Патент России № 2036749, опублик. 09.06.95, бюлл. № 16.

51. Пила. Патент России № 2045373, опублик. 10.10.95, бюлл. № 28.

52. Пила. Патент России № 2045374, опублик. 10.10.95, бюлл. № 28.

53. Пила. Патент России № 2045375, опублик. 10.10.95, бюлл. № 28. (Соавт. Шустиков А.Д., Позняк Г.Г.).

54. Напильник. Патент России № 2045376, опублик. 10.10.95, бюлл. №

28.

55. Отрезной резец. Патент России № 2056218, опублик. 20.03.96, . бюлл. № 8.

56. Резец. Патент России № 2056220, опублик. 20.03.96, бюлл. № 8.

57. Датчик силы. Патент России № 2065589, опублик. 20.08.96, бюлл. № 23. (Соавт. Позняк Г.Г., Шустиков А.Д.).

58. Упорный центр. Патент России № 2087265, опублик. 20.08.97, бюлл. № 23.

59. Резец. Патент России № 2087266, опублик. 20.08.97, бюлл. № 23.

60. Резец. Патент России № 2078646, опублик. 10.05.97, бюлл. № 13.

сб. И оЪ. оК/<//с?г

-.о /хы

/ ^ '

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "СТАНКИН"

.......------- У ...... ..

.«■„.„ дг На правах рукописи

Кандидат технических наук, доцент

УДК 621. 9. 06: 66. 017 (043. 3)

РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННЫХ КОРПУСОВ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ ИЗ СИНТЕГРАНА С ПОВЫШЕННЫМИ ДЕМПФИРУЮЩИМИ СВОЙСТВАМИ

Специальности 05. 03. 01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструменты

05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант-доктор технических наук, профессор ГРЕЧИШНИКОВ В.А.

Москва - 1998 г

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

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

Глава 1. ПРОБЛЕМЫ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА В КОНСТРУКЦИЯХ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА И ОСНАСТКИ

1.1. Определение объекта, области и границ исследования ... 12

1.2. Конкретизация задачи исследования и выбор путей решения............................................................................. 19

Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СИНТЕГРАНА

2.1. Общие сведения о композиционном материале (синтегране)....................................................................... 24

2.2. Разработка и исследование составов синтегранов для изготовления комбинированных державок инструмента.. 32

2.3. Свойства и составы синтегранов........................................ 45

2.4. Технология изготовления инструмента и оснастки из синтеграна........................................................................... 48

2.4.1. Изготовление дисперсно-упрочненных

материалов................................................................................................................................49

2.4.2. Подготовка литейных форм..........................................................................51

2.4.3. Заливка и выдержка изделий........................................................................51

2.4.4. Механическая обработка изделий из синтеграна .... 53

2.5. Конструкции литейных форм..........................................................................................56

2.5.1. Деревянные формы........................................................................................................56

2.5.2. Металлические формы..............................................................................................57

2.5.3. Форма из полимерного материала........................................................62

2.5.4. Форма из нормализованных элементов........................................63

2.5.5. Форма с формообразующим наполнителем..........................64

2.5.6. Литейная форма с функциональными закладными элементами..................................................................................................................................67

Глава 3. АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА РАБОЧИЕ

ПАРАМЕТРЫ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СИНТЕГРАНА....................... 73

3.1. Исследование вариантов изготовления изделий сложной формы путем отливки базовой детали............................... 73

3.2. Факторы, влияющие на проектирование и рабочие режимы изделий из синтеграна........................................... 86

3.2.1. Расчет теплопроводности плоской стенки................ 87

3.2.2. Передача теплоты через синтеграновую державку

резца............................................................................. 95

3.2.3. Тепловой расчет конструкции из синтеграна, снабженной трубопроводом принудительного охлаждения................................................................. 99

3.2.4. Теплоотдача замкнутого контура из синтеграна..... 102

3.2.5. Методика расчета стационарной теплопроводности комбинированной державки резца............................ 107

Глава 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ И АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ДЕРЖАВОК РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА................................................ 140

4.1. Математическая модель державки резца, выполненной

со вставкой из композиционного материала..................... 141

4.2. Алгоритм выбора оптимальной формы поперечного сечения державки резца....................................................... 149

4.3. Разработка математической модели державки резца

со вставкой из синтеграна.................................................. 170

4.4. Методика расчета комбинированных державок резцов

с использованием метода конечных элементов................ 179

4.5. Исследование методом фотомеханики напряженного состояния комбинированных державок резцов............... 223

4.5.1. Постановка задачи исследования..........................................................223

4.5.2. Методика и техника исследований....................................................226

4.5.3. Анализ напряженного состояния комбинированной модели и оценка энергии деформациий........................................238

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ИНСТРУМЕНТА, ВЫПОЛНЕННОГО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИНТЕГРАНА

5.1. Исследование возможности обработки отверстий борштангами со вставками из синтеграна.......................... 247

5.2. Описание конструкций борштанг.........................................252

5.3. Расчет собственных частот исследуемых борштанг............ 255

5.4. Исследование шероховатости обработанной поверхности при растачивании экспериментальными борштангами..... 264

5.5. Исследования динамических и эксплуатационных характеристик резцов с конструктивными элементами

из синтеграна........................................................................ 270

Глава 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ СИНТЕГРАНА................................................... 300

6.1. Исследование возможности обработки синтеграна лезвийным инструментом................................................... 300

6.2. Исследование возможности обработки синтеграна абразивным инструментом................................................ 310

6.3. Технология производства полых заготовок державок режущего инструмента с неокисленной внутренней поверхностью...................................................................... 326

6.4. Конструктивные и технологические возможности инструмента, выполненного с использованием композиционного материала............................................. 333

6.5. Сравнение себестоимости изготовления резцов................ 347

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.......................... 349

ЛИТЕРАТУРА......................................................................................... 355

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................... 3 66

ВВЕДЕНИЕ

Развитие человеческого общества неразрывно связано с развитием науки и техники, причем ключевую роль в этом играет машиностроение.

Современное автоматизированное производство характеризуется одновременным повышением точности обработки и интенсификацией режимов резания. Увеличиваются мощности и диапазоны регулирования приводов, действующие нагрузки и скорости перемещения подвижных органов станков. Эти обстоятельства приводят к существенному росту вибраций и тепловыделения, которые отрицательно воздействуют на точность обработки. Возрастающие колебания исполнительных органов станков передаются через приспособления, оснастку и инструмент, на заготовку, в результате чего качество обработки значительно снижается, как по точности, так и по шероховатости поверхности.

Во многих случаях требуемая точность не может быть достигнута из-за тепловых деформаций элементов системы СИД, которые возникают вследствие их нагрева от избыточной температуры, имеющей место в зоне резания. В результате в течение рабочей смены тепловые деформации отдельных частей станков неравномерны и ведут к появлению геометрических погрешностей обработки. Используемые в настоящее время методы компенсации температурных деформаций весьма дороги и не всегда эффективны.

Теоретические и практические исследования показывают, что наиболее существенное влияние на качество обработанных поверхностей оказывают именно колебания режущего инструмента, который в общей системе СИД является наиболее слабым звеном. Существуют такие операции механической обработки, при которых

необходим большой вылет инструмента (проточка шеек коленвалов, проточка глубоких канавок, расточка отверстий и т.д.). В этих случаях резко снижается устойчивость резания, режущая кромка резца совершает высокочастотные колебания относительно обрабатываемой поверхности, что значительно увеличивает путь резания. При этом износ инструмента увеличивается на 15...25%, а качество обработки значительно снижается. При высокоточной обработке, даже при малом вылете и балыиой жесткости инструмента зачастую не удается получить заданное качество обработанной поверхности, поскольку вибрации станка через резцедержатель и инструмент передаются в зону резания. Кроме того, в процессе работы инструмент постепенно нагревается, что ведет к его линейному удлинению. В результате образуется систематическая погрешность обработки, которая при современных высоких требованиях к точности и качеству обработки является весьма существенной.

Полностью избежать вибраций при изготовлении инструмента традиционными методами невозможно. Проблема их снижения весьма сложна и требует больших материальных затрат. Применение же композиционных материалов при изготовлении отдельных деталей инструмента или целых узлов позволяет значительно демпфировать колебания и снижать деформации при малых материальных затратах.

В настоящее время с развитием станкостроения, космонавтики, авиации, ракетостроения, производства автомобилей повысились, а в ряде случаев изменились требования к отдельным деталям и узлам по их точности, удельному весу, прочности и другим физико-механическим характеристикам. Традиционно используемые в течение столетий стали и чугуны не всегда удовлетворяют современным требованиям. Это также усугубляется истощением природных запасов металлов, в результате чего проблема их экономии имеет государственное значение. Поэтому

разработка новых конструкционных материалов является весьма перспективным направлением развития машиностроения.

Все большее значение эти материалы оказывают на станкостроение и инструментальную промышленность, где использование вспененных материалов, керамики, композиционных материалов, комбинированных металлов позволяет не только изменить габариты и массу элементов системы СИД, но и повысить их точность и эксплуатационные характеристики.

Композиционные материалы имеют неограниченные возможности. Их свойства зависят от составляющих их компонентов и могут быть заранее известны. Быстро и с малыми затратами могут быть изготовлены композиционные материалы, обладающие необходимыми свойствами (стойкие к агрессивным средам, с высокими демпфирующими способностями, малой плотностью,

звуконепроницаемые, обладающие диэлектрическими свойствами и т.д.). С развитием химической промышленности диапазон характеристик композиционных материалов будет постоянно расширяться.

При использовании самих композиционных материалов, а также в совокупности с металлами открываются широкие возможности усовершенствования уже разработанных изделий и создания новых конструкций и технологий.

Для успешной реализации потенциальных возможностей, которые заложены в композиционных материалах необходим подъем в промышленности и информированность инженеров, проектирующих новые изделия, о свойствах этих материалов.

Композиционные материалы привлекают к себе внимание конструкторов во всем мире комплексом уникальных свойств:

- высокими демпфирующими способностями;

- малой плотностью;

- высокой шумопоглощающей способностью;

- возможностью изготавливать из него изделия при нормальной (150 С) температуре путем отливки базовой детали без применения сборочных операций;

- стойкостью к агрессивным средам;

- высокими временной и тепловой стабильностями;

- диэлектрическими свойствами и др.

Анализ литературных данных и экспонатов международных выставок по металлообработке и станкостроению показывает, что композиционные материалы целенаправленно внедряются в промышленность во многих странах. Наибольших успехов в этом добились Германия, Франция, Япония, Швейцария, США. С 1983 года в нашей стране также ведутся серьезные исследования в этом направлении: разрабатываются новые составы на основе отечественных материалов, проектируются литейные формы, изготавливаются опытные и серийные образцы инструмента, деталей и узлов станков, сантехнические изделия, предметы декоративного и мемориального назначения, бильярдные столы, акустические колонки и др. Ведутся работы по исследованию возможности лезвийной и абразивной обработки изделий из композиционного материала.

Настоящая работа построена на основе теоретических и практических исследований, проводимых автором с 1983 года в ЭНИМСе и на кафедре "Технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов" Российского Университета дружбы народов.

Целью работы является разработка комбинированных корпусов и технологии изготовления режущих инструментов с повышенными демпфирующими свойствами из композиционного материала в сочетании с металлом.

Исследования в этом направлении в течение ряда лет проводятся Российским Университетом дружбы народов, ЭНИМСом, Московским трубным заводом , Липецким заводом шлифовальных станков, Научно-

производственной фирмой "БАСАН" и другими институтами и проектными организациями. Настоящая работа является составной частью общего комплекса исследований и направлена на повышение эффективности использования композиционных материалов в различных областях промышленности за счет оптимизации конструкций изделий на стадиях проектирования и изготовления, а также на расширение области использования композиционных материалов в качестве заменителей металлов и натуральных минералов.

Для реализации поставленной цели произведен анализ факторов, влияющих на физико-механические характериатики композиционных материалов, разработаны принципы проектирования технологий и оснастки, разработаны конструкции инструмента, корпусных и функциональных изделий с использованием композиционных материалов, разработаны модели и методики их расчета и оптимизации, проведены лабораторные и производственные испытания отдельных инструментов, сборочных единиц и деталей, предложены направления, в которых при использовании новых материалов ожидается наибольший эффект.

На основе результатов исследования разработаны конструкции режущего инструмента, деталей машин и станков, предметов народного потребления, испытательные стенды, предложены составы и технологии изготовления композиционных материалов, защищенные авторскими свидетельствами и патентами, используемые ЭНИМСом, Российским Университетом дружбы народов, Московским трубным заводом, Липецким заводом шлифовальных станков, малым предприятием "Автобокс", НПФ "БАСАН" и другими организациями.

Суммарный годовой экономический эффект от внедрения результатов работы составил несколько десятков миллионов рублей.

Методики расчета и конструирования изделий с использованием композиционного материала используются в учебном процессе РУДН и других ВУЗов.

Отдельные разделы работы и вся работа вцелом докладывались на УИ Международном Конгрессе по полимерным бетонам, г. Москва, 1992 г.; на 3-ей Всесоюзной конференции "Композиционные материалы в народном хозяйстве", г. Ташкент, 1986 г.; на XXII, ХХУ, ХХУН, ХХУШ, XXIX, XXX, XXXI и XXXII НТК инженерного факультета РУДН, на заседаниях кафедры "Технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов" РУДН, а также НТК других организаций.

Основные результаты исследования опубликованы в 105 печатных работах.

На защиту выносятся:

- технология изготовления деталей, корпусов инструментов и сборочных единиц с использованием композиционного материала;

- математическая модель и методика теплового расчета изделий из композиционных материалов;

- математическая модель и методика точностных расчетов изделий сложной формы полученных путем отливки базовой детали;

- математическая модель и методика прочностного расчета инструмента, имеющего комбинированный корпус, выполненный с использованием композиционного материала;

- методика исследований комбинированных моделей корпусов режущего инструмента методами фотоупругости;

- результаты лабораторных и цеховых испытаний режущего инструмента;

- результаты лабораторных исследований возможности обработки синтегранов лезвийным и абразивным инструментом;

- разработанные конструкции режущего инструмента, деталей и изделий с использованием композиционных материалов.

Глава 1

ПРОБЛЕМЫ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА В КОНСТРУКЦИЯХ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА И ОСНАСТКИ

1.1 Определение объекта, области и границ исследования

Постоянное повышение технико-экономических и эксплуатационных характеристик оборудования ведет к необходимости поиска новых конструкционных материалов, способных по своим характеристикам заменять традиционно используемые стали и чугуны. Эта тенденция усугубляется еще и тем, что запасы железных руд в мире в последние десятилетия значительно сократились, добыча во многих рудниках стала экономически невыгодна из-за истощения пластов. Кроме того, многие страны, имеющие развитую промышленность, вообще не имеют залежей железной руды.

Поэтому в настоящее время в промышленности все большее применение находят дисперсно-упрочненные и вол