автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка методов проектирования и изготовления спиральных твердосплавных сверл алмазным шлифованием

РЕСПУБЛИКА ГРУЗИЯ ' ГРУЗИНСКИЙ Т2ХНЯЧЕСКШ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЦЗЗН ЧЮН

УДК 621.95.025:669.018,25

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Я ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЖРАЛЬЙЫХ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ СВЕРЛ АЛМАЗНЬМ ШЛИФОВАНИЕМ

Сп^цгаашНйохъ 05.03.01 - процессы механической и

фззико-техничвской обработки, станки и инструмент

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тбаяисн-1992

*: 0 '

7 - , -

-1

Работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения" Грузинского технического университета.

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки и техники

Республики Грузия, доктор технических наук, профессор ВОКУЧАВА Г.В.

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

ТУРМАНИДЗЕ P.C.

Официальные оппоненты - Заслуженный деятель науки и техники Республики Грузия, доктор технических наук, профессор БЕТАНЕЖ А.И.

кандидат технических наук, доцент ТКЕМШДЗЕ Г.Н.

Ведущее предприятие - научно-производственное объединение "Орби'Чг.Тбилиси.

на заседании специализированного совета Д.057.01.01 при Грузинском техническом университете по адресу:

380075, г.Тбилиси-75, ул.Костава 77.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан "Х^" Г992 года.

Просим принять участие в заседании Совета н прислать отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенаый печатью.

Ученый секретарь специализированного совета

к.т.н., доцент

ОЗЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ TBS. В настоящее время характерной особенностью розюгптя мяшшгастровязя, приборостроения, КОСМИЧВСКОЙ я других трослой прот.^пзлолносгл является широкое прждшошге радаозлектрон-нх устройств, в которах в основной используется печатной электро-онтак.

В производства печатных плат до 60% трудозатрат приходите»: на еханическуа обработку. Наиболее слозиий и трудоегямй процесс в вханической обработка печатных плат - это сверление отверстий.

Отверстия в печатных платах в основном сверлятся твердосплавный спиральными сверлами. которые должна обладать высокой прочно-тыо и надежностью.

В последнее время наблюдается тенденция уменьшения диаметра тшретий с 0.8 до 0.2 мм. Чем меньше диаметр отверстий, тем слож-ев проектирование и нзготовлиплб еппрпльнит сверл.

Практически все операции, связанные с изготовлением мелкораз-юрних твердосплавных сверл, вшолнявтея алмазными абразивными ин-трументамя.

Характерными особенностями процесса алмазного шлифования вврднх сплавов является внеокие тепловые нагрузки, оказывающие ущественнов влияние на качество обработанной поверхности, произ-юдительность съема обрабатываемого материала, интенсивность и ха-1актер износа ал?4азного инструмента и другие показатели процесса [ляфования. В связи с этим, исследование тепловых явлений при из-отовлашш спиральных сверл имеет важное теоретическое и практи-еское значение.

Из-за малого размера сверла и сложного напряженно-деформиро-¡энного состояния во время его работы, основными недостатками ука-;анных микросвэрш являются их низкая жесткость и прочность. Это

проблема стоит еще более; остро при обработке отверстий малого дш метра в деталях из труднообрабатываемых сталей и сплавов, примвш емых в изделиях приборостроительной, авиационной и космичвскс техники.

Таким образом, повышение прочности мелкоразмернах сверл пут! оптимизации их конструктивно-геометрических параметров, разрабоп технологии алмязного шлифования при выполнении основных операций определение рациональных условий их промышленной эксплуатац] подставляет собой актуальную задачу.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка и реализация принципов оптимизац конструктивно - геометрических параметров прецизионных михросве на основе учета их рэкущих свйств и прочностных характеристик, также установление рациональных режимов алмазного шлифования : основе результатов исследовании тепловых явлений при изготовлен спиральных сверл.

0СЛ0В1Щ ЗАДАЧИ.

I. Разработать математическую модель оптимизации конструкти но-геометрических параметров спирального сверла, обеспечиваю«; высокую точность расчета с целью повышения прочности, жесткости стойкости сверла.

Я. Разработать способ определения профиля абразивного даек вого инструмента для получения оптимальных стружечных канавок.

3. Изучить влияние геометрических размеров и параметров уст новки дискового абразивного инструмента на профиль канавок спир льного сверла.

4. Исследовать напряженно-дефэрмированное состояние в те сверла при его работе и определить влияние основных геометричео.ь параметров спирального сверла на ого прочностные характеристики.

5. Исследовать тепловые явления при изготовлении твердосплг

I спиральных сверл алмазным шлифованием и определить томлератур-з поло в детали.

МЕТОДЫ КССДКДОВАНШ. Работа выполнена на основе комплексного цхода к вопросу проектирования и изготовления малоразмерных врдосплавных спиральных сверл.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Разработана математическая модель взяимосвя-мезду основными геометрическими параметрами сверла, ого прочно-нши характеристиками, профилем дискового абразивного инструмен-для получения стругечных канавок и параметрами настройки стан. нозволящая оптимизировать конструктивно-геометрические паря-тры сверла, обеспечить максимальную прочность инструмента в дан-х условиях эксплуатации и доставь высокой точности расчета при зных вариантах решения задачи.

методика опродс.^^пя рргЛиля дисковых инструментов для ойра-тка винтовых канавок дополнена и развита для любой заданной фор-режущих кромок.

Использование метода конечных элементов дает более точно ,8нить напряженно-деформированное состояние в теле спирального врла.

На основе исследования тепловых явлений получена формула для [счета среднеинтегральной температуры в зависимости от различных уторов процесса шлифования и разработан метод определения гемпэ-1Турного ноля при обработке винтовых канавок сверла алмазным шли-(вааиен.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. На основе предло-1ННОЙ математической шдэли оптимизации конструктивно-юметржческих параметров разрас5отан инженерный метод проектирова-ш спиральных сверл, обеспечиваний® требуекуи прочность сверл с ровремэнным учетом задашшх условий процесса сверления, а также

- б -

дыш практические рекомендации по реалмам алмазного шлифования. Результата исследований внедрены в процессах проектирования и производства малоразмерных твердосплавных сверл в лаборатории "Прецизионный микроинструмент" Грузинского технического университета.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам выполненных исследований опубликовано 4 печатных работа.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 90 страницах машинописного текста, содержат 5 таблиц, 27 рисунков, сшсок литературы из 93 наименований,-приложения на 25 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы диссертационной работа и краткую анотвции результатов.

В первой глрве проведен анализ современного состояния вопроса и дан краткий" обзор литературы по оптимизации конструктивно-геометрических параметров малоразмерных твердосплавных спиральных сверл.

На основании анализа конструктивных особенностей микросверл и особых требований к качеству изготовления сформулированы задачи исследования диссертационной работы.

Вторая глава посвящена разработке математической модели и принципов оптимизация основных геометрических параметров малоразмерных спиральных сверл с учетом прочностных характеристик сверла и профиля алмазного дискового инструмента для получения винтовой канавки спирального сверла.

Анализ показал, что «сданными требованиями к малоразмерным сверлам являются форма и местоположение рваущих кромок, которые,

зходя из разных условна, представлены пряшлидайнши, вогнутыми га серновндакмп.

Во время работы, чтобы сохранить необходимую прочность и )сткость сворла для снятия обрабатшаешго материала, сверло долго иметь спроделоннув шгацадь ишого свчепяя. Кроне снятия мвтв-1ала, сверло должно обладать достаточным объемом стругечкых канале для отвода и удаления стру-зш аз зоны розашя. Это особенно !зно при обработке» печатных плат, при обработке которых стружа »стоит аз отдельных коротан с.ттков с присутствием порозкообраз-к частиц, что требует увеличения объема стружечных канавок, щако, в этом случае дася шлоразизряого инстругэнта велика вэроя-гость потери прочности, характеризуемая напряженно- доформирован-а состоянием в теле сверла (исследования по этому вопросу пршю-1тся в третьей главе).

Такш образом, актуальной задачей является оптямязецпл ктигаэ-гэогатраческзх параметров с учете-;; указанных факторов.

Разработанная матеиатачвекая модель (рис.1) оптгаззацни осно-на на следущях освовзнх полоеэннях: резддао свойства сверло ределяэтея геоггвтрачэавага параметрит (плоскость А); прочность гесткость сверла опредэляптся осевш сочопзом- (плоскость Б); ятлннэйность рвгуцзх кромок (ала любая другая заданная форма), твкзэ яг гасгоголоЕЗНЕо относительно оси сверла опредзлявтея офиюм даскового абраззшгого инструмента а штодом установки пра о изготовления (плоскость В).

Кз представленного ржеунгга следует, что возможны три варззта явная поставленной задачи:

I. На основе эксперктанталызых л теоретических исследований редэляэтея оптимальные' геометрически» пора?этри сперла и фэркя ружэчвых канавок. С пошцью этих ) янних рвсчнтивдагся яавоэ се-

Рис.1 Математическая модель оптимизации.

чени8 сверла в плоскости, перпендикулярной оси, и определяется для заданного инструментального материала допускаемая жесткость и прочность. В случае, если эта параметра удовлетворяют требованиям, то следует расчет профиля дискового абразивного инструмента и метода его установки в сечении, пвраеадакулярном стружечной канавке.

2. Задана форма профиля и его установка относительно детали абразивного дискового инструмента в виде сочетания отдельных элементов контура или же в виде координат точек, и на основе атих данных производится поверочный расчет торцевого сечения и соответствующих им жесткости и прочности при заданных обрабатываемом и инструментальном материалах. Завершается расчет определением геометрических параметров, соответствующих заданному профилю ласково-

го инструмента.

3. На основании физико - механических характеристик обрабатываемого и инструментального материалов и условий резаяия, опреде-кявтся торцевое сечение, отвечающее условиям требуемой жесткости и 1рочдасти сверла, одновремвно и обладавшее максимально возможным »чешем канавки для отвода стружки. Затем определяется профиль (искового абразивного инструмента и основные геометрические пара-етры сверла.

Для решения этих вопросов бал составлен алгоритм (рис.2), по-даолянций определить максимальную прочность и жесткость сверла с »дновромэнным обеспечением достаточного объема стружечных канавок, I также сформировать профиль абразивного дискового инструмента, глорнтм обеспечивает высокую точность при различных вариатах ре-цзния задачи. Подробные описания ре!цвилш дсш в работе.

Реализация проведана на персональном ЭВМ "РС АТ".

Проведенная оптимизация показала, что любвя заданная форма еяущей 1фомки и ее местоположение требуют наличия у дискового ш-трумента определенного профиля, и наоборот, существующий профиль геометрические параметры инструмента, а такав параметры его стаговки. определяет форму и местоположение режущих кромок спира-ьного сверла.

Исследование указывает, что плоскость полного контакта сверла профилем дискового инструмента находится го в сечении, перпенда-улярном к углу наклона спиральной канавки, а в осевом сечении вврла. Использование разработанной модели в обратном варианте вет возмождасть расчитагь влияние размеров дискового абразивного руга и параметров его установки на профиль канавки сверла. В ка-эстве примера в диссертации показано влияние диаиэтра и угла 7таж7вкн инструмента на ширину канавки сверле. Степень влияния

Рис.2 Алгоритм оптимизации геометрических параметров

дакетра абразивного круга па искаженно ширины канавки не очень засокая. Существенное влияние оказывает точность установки диско вого абразивного инструмента под углом. Так, при неточности установка +3 градуса от заданного угла наклона спирала, относительная зогрешшсть ширины канавки сверла кокет достичь более 10%.

Надо откатить, что применение мэтода конечных элементов при эптвшзации конструкции инструмента для оценки прочностных характеристик является более *гсгаш и целесообразным способом при проектировании конструкции регущн инструментов с помощью ЭВМ, а его дальнейшее совершенствование имеет важное теоретическое и практическое значение.

В третьей главе приведены результаты прочностных исследований спиральных сверл в зависимости от геометрических параметров сверла к условий работы с пркменэием метода конечных элементов.

Как было указана вшэ, в процесса ^обати czep*r> испытывает говмэстноо воздействий крутящего штагга и усилия подачи и находился в сложном напряженно-двфэрмированном состоянии (НДС). С целью оптимизации конструктивно-геометрических параметров сверла важно идеть точное представление об ВДС в спиральном сверле.

Спиральное сверло представляет собой стержень сложной форкн, сечение которого работает на кручение и сжатие. Sa счет того факта, что место поломки сверла в основном находится далеко от рожу-дих кромок и характер местного распределения напряжений в режушей части но является основной причиной разрушения сверла, поэтому, ВДС, возникающее в теле сверла, мозшт быть с достаточной точностью апроксимировано плоским напряженным состоянием в поперечном сэче-аии сверла от распределенной нагрузки, прикладываемой к режущей кромке.

В настоящее время одним из наиболее эффективных численных ме-

тодов для расчета НДС упругих систем сложной формы является метод конечных элементов (ЫКЭ).

За исходный при расчете принимаем профиль торцевого сечения, которое сформировано способом, описанным в предыдущее главе.

При составлении расчетной схемы сплошное сечение сверла разбивается на треугольные плоские конечные влемента, которые связаны мввду собой в угловых точках. Каздый конечные элемент представляет трехузловой плоский треугольник с двумя поступательными степенями свобода в узле. Чем мельче величавы элементов, тем ближе результаты расчета к истине. В нашем расчете с достаточной точность!» принималась расчетная' схема, состаящая из 83 узлов и 122 элементов (рис.З).

Рис.3 Расчетная схема НДС в сверле. Решение поставленной задача осшвеш аа использовании ЫКЭ в форме метода перемещений. В качестве основных ввнавествнх параме-

тров выбираются узловые перемещения по направлениям ох и оу.

Принимаем, что переюжения внутри элемента вдоль ох и оу определяются линейной функцией координат х л у.

В соответствии с геокэтрическтаи соотношениями теории упругости деформация в любой точке внутри элемента будет следувдей

Ш =

7

ви ~ЗГ

дч

~ЗГ да . Зу

= [ В ]{5>е (I)

Напряжения в конечных элементах определяем по закону Гука о_

1ои

V-

= [ Я ]{в1 = [ В ] [в ]ше= [ Б ]<С)€

(2)

где

[в]

матрица упругости,

[ - матриц,« цаххрл^п^, спред?л.(?е"яя формой элемента и упругостью материала. Если известны пврэмещония узлов, можно по формуле (I) опредэ-шть деформации внутри элемента, а с помощьв (2) рассчитываются гапряжения. Также образом, решение задачи заключается в поиске зловых перемещении конечных элементов.

С помощью уравнений виртуальной работы можно установить соот-ошенив узловых перемещений элемента (б)® и узловых сил (?}е:

[ к ]в{б)е= {?}е , (3)

здесь [ к ] -матрица жесткости элемента (6 х 6),

[ к ]*= ГШгП)] [В] А г где А-площадь элемента, t-толщина элемента. Суммируя по вевм конечным оде.меятвм, получим обобщенную сис-

тему уравнений статического равновесия:

[к ] т = Ш , (4)

здесь [ К ] -глобальная матраца еосткости, {О -вектор перемещений всох узлов, Ш -вектор нагрузка, которая эквивалентна крутядаку штагу, опроделпвдему условиями работы.

Решение система алгебраических уравнений (4) осуществляется на ПЭВМ методом Гаусса.

Результаты расчета показали, что напряжения со стороны главной резущей кромки и передней поверхности тэт характер растливши, а со стороны вспомогательной - напряжения сжатия. Каксимаяь-них значений растягивающие напряжения дрсчжат в зоне сердцекипи, которая является опасной зоной сечения сшрла.

В процессе работы сверло, представляющее собой завитой стержень со значительным отношением длины к даекэтру, подвергается продольной изггбяой деформации- Под дойствжек осевой сзла, сварою могет изогнуться, потерять продолъцув устойчивость, что козэ? завести к его пологлке. В связи с агшч, в работе такаэ нредлогэв ш-тод расчета продольной устойчивости сверла с щтагэшшаам ¡Ж).

Анализ подученных результатов расчета щи различная значении геокэ^рпческнх парггсзтров и условий работы показывает, что значительное влштпо на прочность сзэрла оказызазт величина сердешшн и угол стругзчЕой канавки, в ширшв в гасота ленточки шшшг в основном только па значеная вшрягэаай. в зона ленточки. КзкеневЕе иирши канавки ш сильно влияет на прочность сверла.

Пра оптшазацни осшвные конструктнввз-геоштрачаских паракз-тров 1гэлкоразмэрнах сплральшх сверл доено учитываться влиянез комплекса всех этих перакетров о цоло.м. Осеоззш кратершм опдаа-зацпи с целью обеспзчоная прочности сверла, п улучиваия схода стру-

кга из зона р&зтш является увеличение площади конапт, осуществляемо о за слот той зоны вспомогательной части профиля, где значения напряжней кшимальны.

Чотвертая глава посвящена исследованию тепловых явлений при изготовлении твердосплавных спиральных сверл алмазным шлифованием.

При изготовлении прецизионных микросверл практически исключается образование дефектных слоев при шлифования отдельных поверхностей, а такав наличие зазубрин и выкрашивание при формировании реаущей кромки. На качество обработанных сверл оказывает существенное влияние температура, возникающая в зоне контакта обрабатываемого сверла с шлифуемым инструментом.

В результате совокупного действия источников тепла, вызываемых абразивными зернами, осуществулявдих резание, пластическое и упругое ттсспс:™» обрабатывавшие материала, в зонь контакта образуется среднеинтегральная температура контакта, ^гл.'нчппяя нагрев зоны шлифования и поверхностных слоев обрабатываемой детали. Величина среднеинтегральной температуры контакта меняется в широком диапазоне в зависимости от различных факторов процесса шлифования.

Анализ результатов экспериментальных исследований различных авторов показывает, что в логарифмических координатах с определенной точность» зависимость температуры контакта может быть представлена прямой линией. Исходя из того, что максимальная температура контакта может достигать температуры плавления обрабатываемого материал« (Тм) а учитывая тенденции влияния различных параметров шлифования, выражение для определения среднеинтагральноЯ температуры Ти можно записать в следующем виде:

"и - ^ 1 - А Vх . (5)

где А, а, р, у-козффицденти, зависящие от физико-мзхагшческнх характеристик обрабатываемого материала, технических характеристик абразивного инструмента и других условий процесса шлифования.

После соотвотствуыцих математических преобразований выражение

(5) можно записать в следушдем виде:

ы [ ^ ] . (6)

Тпл

Если скорость подачи детали и глубина шлифования являются постоянными параметрами (т.е. Уп=сопз1; и 1;=со11з1;) и на основе экспериментальных данных для скоростей Ук1 и известны величины средне интегральных температур кантакта Ти1 и Т^, тогда из выражения

(6) можно определить значение коэффициента а, который равен:

^ДЛ И1 1

3? - Т ' ал иг

а =

Аналогично, для условий Ук=сопзг и 1;=соцз£ определяется р. а для условий Ук=сопзЬ и Т^сояз! определяется 7. Зная коэффициенты а, р, 7, с помощьв выражения (5) можно определить величину коэффициента А, а нотой для любых условий шлифования расчитать соответствующую Ти-

Для определения достоверности аналитического уравнения (5) было проведено сравнение расчетных значений с результатами экспериментов при шлифовании твердых сплавов ВК8 и Т15К6 алмазным кругом АСР123/100К1 10056 при различных глубинах шлифования. Показано, что разброс экспериментальных и расчетных значений находится в пределах 8-10%. Аналогичная картина получается при изменении других параметров шлифования. Это дает основание сделать вывод о том, что выражение (5) с достаточной точностью описывает

сложный механизм процесса шлифования а влияние основных параметров на характер изменения среднеинтегральной температуры контакта.

В работе приведены температурные поля при нестационарном про-цеесе и после стабилизация режима тепла. Расчета осуществлены по известным методам - сеточному методу для решения нестационарного процесса и экспериментально-аналитическому методу для определения среднеинтегральной температуры после стабилизации.

В заключение дани практические рекоментации но выбору алмазных кругов при шлифовании твердых сплавов.

ЗАКЛШЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДУ

1. Разработана математическая модель взаимосвязи между основными конструктивно-геометрическими параметрами сверла и его прочностными характеристиками при решении задач оптимизации проектиро-

микросверл.

2. Разработана методика оптимизации конструкт^ло -ггометпиче-ских параметров спирального сверла, позволяйся получить максимальные прочность и жесткость сверла на основе расчетов напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов и одаовреме-но обеспечить высокие режущие свойства сверла.

3. Разработан способ определения профиля дискового абразивного инструмента по заданной форме профиля стружечной канавки сверла с учетом влияния геометрических размеров инструмента а параметров его установки при работе.

4. Разработана методика исследования напряженно-деформированного состояния в теле спирального сверла с применением численного метода - метода конечных элементов.

5. Результаты исследования показали, что напряжения со стороны главной режущей кромки и передней поверхности имеют характер

растяжения, а со сторона вспомогательной - напрязешя снятия, hlai:-скмалызые значения растягивакцих напряжений достигает в зоне сорд-цевшш, которая является опасной зоной сечения сверла.

6.йсс.шдованшша влияния основных геометрических параглетров спирального сверла на прочность и еосткость сверла установлено, что значительное влияние оказывают размера сердцавшш и утол стружечной канавки, а ширина и высота ленточки влияют в основном только на значения напряжений в зона ленточки.

7. Установлена аналитическая вавлсгмость среднешггегральной температуры контакта от основных факторов процесса шлифования в различных условиях обработки.

8. Разработан метод расчета температурного поля в детали при обработке винтовой канавки спиральных сверл, который дает возможность установить максимальные допускаемые режимы обработки, обеспечивающие требуемое качество поверхностей. В заключение даны некоторые практические рекомендации по выбору алмазных кругов при шлифовании твердых сплавов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ:

1. Современное состояние исследований тепловых явлений при шлифовании металлов.//Бокучава Г. В., Турманидзе Р. С., Цзэн Ч. // Тез.докл. XIII Научной школы образивной обработки. Варшава, 17-21, сентября 1990, с.34-42.

2. Метод исследования напртшшо-двфоршроваяного состояния в теле спирального сверла.//Бокучава Г.В., Турманидзо Р.С.,Цзан Ч.// Научные труда ГТУ. 1992. Ко:4, с.56-60.

3. Влияние геометрических размеров и параметров установки дискового абразивного круга на профиль канавок мелкора&чврзкх

зльннх сверл. //Турманидзе P.C., Дзэн Чжун//Научные труда ГТУ. . No:4, с. 66-65.

4. Исследование плоского напряженно-деформированного состояв спиральном сверле методом конечных элементов. //Турманидзе , Цзен Ч., Дадунашвшш С.Ш.//Сообщение АН Грузии. 1992. №>:2-

bogo 7}дбл£б<чЬо1> ЬЗойар^п ö^ija&ol) ¿rto^jftfirtgSnbo go одЗоЬдйо ¡по» go3Sig3&ob Ззтоп$>э&оЬ ВдЭ'з'Зйзз&о.

Ü^aG Пд^Ея

mincnUn 1992 р.