автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка регламентов эксплуатации инструмента для тяжелых карусельных станков на основе исследований его использования, стойкости и надежности

п п' о 2

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СТАНКОИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

РАЗРАБОТКА РЕГЛАМЕНТОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ТЯЖЕЛЫХ КАРУСЕЛЬНЫХ СТАНКОВ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЙ :го ИСПОЛЬЗОВАНИЯ, СТОЙКОСТИ И НАДЕЖНОСТИ

Специальность 05.03.01 — Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

На правах рукописи

КОВАЛЕНКО Геннадий Александрович

УДК 621.941.28.022-192

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА — 1992

Работа выполнена в Отраслевой лаборатории повышения эф фективности тяжелых станков при Краматорском индустриально! институте.

Научный руководитель — кандидат технических науь доцент Г. Л. Хает.

Официальные оппоненты — доктор технических на ук, профессор Т. А. Султанов; кандидат технических нау:

3. A. u/róuves.

Ведущее предприятие — Производственное объедине ние «Коломенский завод тяжелого станкостроения».

Защита состоится «..t*l.\h>................... 1992 г. в .J.^f.... часо

на заседании специализированного совета К063.42.05 в Моское ском станкоинструментальном институте по адресу: 101472, ГСП Москва, К-55, Вадковский пер., д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскс го станкоипструментального института.

Ваш отзыв по данной работе, заверенный печатью просим на правлять по указанному адресу.

Автореферат разосла

н «. ж...........<ш.............. ..... 1992 года.

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

Ю. П. П0ЛЯК01

г;

К,

- т,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ть работы. Тяжелые карусельные станки, спстпп-(ие цо 25% парка тяжелых станков, являются уникальным ме -юрежущим оборудованием, в значительной море опредолящим >ень технического прогресса п макинсстроенш«. Эффективность гепользования существенно зависит от надежности режущего ин-"мента, правильного подбора его номенклатуры, обоснованного ¡деления рашональннх режимов резания и норм расхода инстру-■а.

Условия обработки на данном оборудовании отличаются харак-гими признаками:

- неравномерностью припусков, наличием у заготовок грубой :и, включений;

- существенными различиями по виброустойчивости технологией системы (ТС) для разных операций, зависящими от типораз-. станка, вылета и сечения ползуна;

- наличием многосуппортной обработки, что приводит к полога ограничений на режимы резания;

- отличием рекоменцуемьгс ранее изданными нормативами реки-резания от фактически применяемых на производстве.

Поэтому разработка регламентов рациональной эксплуатации румента с учетом специфических особенностей тяжелых кяру-ных станков является актуальной задачей.

Работа выполнялась в соответствии с программой ГКНГ (проб. 0.16.05, приложение 14, шифр 36).

Цель работы. Повышение эффективности обработки деталей на лих карусельных станках путем разработки регламентов рацио-ной эксплуатации режу?го инструмента.

Для достижения этой цели на основании результатов исследо-й использования инструмента, его стойкости и надежности прочена многокритериальная оптимизация режимов- резания, норм ода инструмента и запаса твердого сплава, разработаны обще-ностроительные нормативы режимов резания и обоснован состав дельных комплектов инструмента.

Методика исследований. В работе осуществлены теоретические, истические и экспериментальные исследования, применены мето-кспертной оценки. Теоретические исследования базируются на вных положениях теорий оптимизации, надежности, иэносостой-и и прочности режущего инструмента. Статистические исслецо-

иания основаны на формировании и использовании, с применением теории вероятностей и математической статистики, банка данных об условиях обработки на тяжелых карусельных станках. Эксперт ментальные исследования осуществлялись в производственных уст виях с применением современной контрольно-измерительной алпа{ туры.

Научная новизна работы состоит в:

- выявленных зависимостях режимов резания на тяжелых ка] сельных станках от вылета ползуна и других ранее не учитываемых факторов;

- показательно-степенных уравнениях связи периода стойкс ти инструмента с подачей и скоростью резания для специфичеош тяжелых условий обработки деталей, отражающих наряду с процес сом изнашивания процесс, разрушения режущей пластины;

- характеристике надежности сборного инструмента как сл< ной системы с помощью предложенного уравнения коэффициента г< ровности;

- целевых функциях для многокритериальной оптимизации р< жимов резания, норм расхода и запаса инструмента на каруселы станках.

Практическую ценность имеют разработанные и эксперимент! но проверенный;

- методика оптимизации режимов резания и выбора инотрум!

- рекомендации по определению комплексного показателя н; дежноети сборного инструмента;

- методика разработки нормативов режимов резания и норм расхода инструмента;

- структура системы инструмента для тяжелых токарно-кар; сельных станков и состав помодельныгх комплектов.

Реализация работы. Основные результаты выполненных иссл^ ваний включены в общемашноетроктельные нормативы режимов ре: ния и нормы расхода инструмента на крупных и тяжелых токарно' карусельных станках, а также в каталог домодельных комплекто резцов для этого оборудования.

Внедрение осуществлено на двадцати двух заводах шести о раслей машиностроения. ^

Апробация работы. Основные положения и выводы диссертац ной работы доложены на: Ш и 1У Всесоюзных научно-техничес.г,!х семинарах "Надежность режущего инструмента", Краматорск, 158; и 1980г.; Пий Всесоюзных научно-технЙческих семинарах "Пут

лпсния эффективности использования реиудего инструмента", <ва, 1984г. и 1991 р.; зональных научно-технических кснферен-с ''Рациональная эксплуатация и инструментсобслушвание стон-с ЧПУ и ГПС", Пенза, Г989г. и 1991г.; Республиканском науч-

гехническом семинаре "Прогрессивные технологические процессы эвымение эффективности механической обработки", Киев, 1989г.; чно-течничееки* конференциях Краматорского индустриального гитута, Краматорск, 1989-1991г.г.; Республиканской научио-чической конференции "Качество и надежность технологических тем механообработки", Краматорск, 1991г.

Публикации. ГГо теме диссертационной работа опубликовано 17 атных работ и одно авторское свидетельство.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, ти глав, основных выводов, списка литературы / 136 наименова-/, приложений, содержит 138 страниц машинописного текста, рисунок, 28 таблиц.

СОДЕ РКА НИТ, РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, дат! ее вя характеристика, указана направленность и новизна.

В первой главе по результатам анализа литературных источни-показано, что параметры станка, заготовки и инструмента пред-вляят собой составляющие условий обработки и являются входной ормацией при расчете оптимальных режимов резания, номенклату-и расхода инструмента. Однако, условия обработки на тяжелых усельннх станках ранее практически не исследовались. Отсутст-

г специальный статистический анализ, позволяющий цать коли-твенную оценку особенностей обработки на данном оборудовании четом типоразмера станка, вылета ползуна, многосуппортной об-отки, параметров инструмента и некоторых других факторов.

Немало исследований выполнено в области определения матема-еских моделей процесса механической обработки как с точки ния износостойкости, так и прочности инструмента. Но сутдест-дие стойкостные зависимости нуждаются в уточнении для условий елого резания; когда неустранимые отказы инструмента в срец-составляют до 4<Ж.

Несмотря на многообразие методов оптимизации задача много-териальной оптимизации при выборе режимов резания и запаса рдого сплава применительно к тяжелым карусельным станкам не ена.

Существующие общемашлностроительные нормативы режимов ре зания для к рун них' и тяжелых станков не отделяют карусельные станки от токарных, не решают полного комплекса вопросов техн лигш! современного машиностроительного производства.

На тяжели* станках используются различные вицы инструмен и его системы, а обоснованные разработки номенклатуры инетру цента с учетом принципа группирования его по моделям станков

основным отраслям машиностроения отсутствуют.

На основании изложенного для достижения цели работы были поставлены следующие основные задачи:

- исследовать с использованием банка статистических дан-И1к об условиях эксплуатации инструмента на тяжелых карусельн станках особенности обработки деталей и определить входные па рзметры для разработки нормативов режимов резания, норм расхо и рациональной номенклатуры инструмента;

- осуществить теоретические, экспериментальные и статист чь.кие исследования исходных зависимостей для многокритериаль ной оптимизации параметров ТС;

- выполнить многокритериальную оптимизацию режимов резан расхода инструмента и запаса пластин на рабочем месте с учето, особенностей тяжелых карусельных станков;

- предложить методические принципы комплексной оценки на нежности сборного режущего инструмента и разработки его помод ной номенклатуры с использованием системного подхода;

- разработать регламенты эксплуатации инструмента на тяж лих карусельных станках.

Во второй главе изложены основные методики исследований Статистические исследования проводились путем формирования и обработки на ПЭВМ банка данных об условиях эксплуатации инструмента на тяжелых карусельных станках. В массиве базы данных было выделено пять разделов, включающих более 5000 прецеденто собранных на 65 предприятиях различных отраслей промышленност1 пятью методами: анкетного опроса специалистов-инструментальщиков, моментннх наблюдений, производственных испытаний, анализ списанного инструмента и отчетов инструментальных отделов пре понятий за последние три года. ''

Экспериментальные исследования выполнялись в виде сравни те/1 ымх производственных испытаний резцовых блоков (ТУ 2-035-885-82.) и нвггаИных резцов с целью определения максимально дся тимой по виброустойчиЕости глубины резания, выявления зависим

ри периода стойкости инструмента от скорости резания с учетом злияния подачи, нахождения количественных показателе? надежности резцовых блоков и решения вопроса о включении их, как основного инструмента, в помоцельнме комплекты резцов.

Внбор и анализ критериев оптимальности для обработки на тяжелых карусельных станках частично осуществлялись с помсщью групповой экспертизы путем применения методов парных сравнений а Черчмена-Акофа.

Многокритериальная оптимизация проводилась с разработкой л осуществлением третьей версии пакета программ "Резец" многокритериальной оптимизации процесса обработки на металлорежущих зтанках.

В третьей главе выполнены исследования условий и особенностей обработки деталей на тяжелых карусельных станках.

Статистический анализ информации банка данных позволил выделить области наиболее распространенных случаев обработки [вероятность 0,8) с целью формирования пространства входов для определения структуры системы инструмента и основных карт нормативов режимов резания.

Выявлено, что условия обработки, связанные с конструкцией и параметрами станков относительно однородны и могут группироваться по основному размерному параметру (максимальному диаметру устанавливаемого на планшайбе изделия), являющемуся кос -венным показателем жесткости и виброустойчивости ТС . Установлена математическая модель для впервые введенной в нормативы режимов резания максимально допустимой по виброустойчивости глуби-

та резания tmej*^ Д j" (рис. I). Аналогично ¿¡па* изменяется фактическая подача Sip . Существенное влияние'на внбор элементов режимов резания оказывает вылет ползуна tn и размер его сечения - fv„ . Определены поправочные коэффициенты для нормативов на значение t^g* > подачи $ и скорости резания V :

К. , К,, ffi-" m

Критерием эффективности использования тяжелых карусельных станков приняты приведенные затраты. С ростом размерного параметра станкг существенно возрастают затраты на инструмент, но отношение их к стоимости станкочасв работы станка падает. Это требует повышения режимов резания и требований к инструменту на тяжелых карусельных станках по сравнению со станками меньших размеров.

5.

ыы/о8

г,о а,о

2

И Л / "Я- >1

к

12.6

10

3 о

«О

V?

ММ

Рис. I. Влияние размера станка на предельную по

виброустойчивости глубину резания I

и среднюю, фактически применяемую подачу »5-2 при обработке сталей: ■ ¿А - токарные станки; от- карусельные станки

48 У,2 46 '-го Рис. 2. Плотность распределения вылета ползада

Распределение большинства параметров, характеризующих ус-:овия эксплуатации, с достаточной степенью согласоганности подчиняется логарифмически нормальному закону (рис. 2).. Коэффициент ариаоти параметров станка, заготовок, инструмента и режимов ре-ания изменяется в широких пределах (И/ = 0,42 - 0,97).

Найдена зависимость применяемости резцов (отношение числа езиов данного вида или типоразмера к общему расходу резцов) от ипоразмера станка. С ростом наблюдается увеличение числа роходных резцов и соответственное уменьшение проходных упорных, то связано с достаточно высокой виброустойчивостью ТС и увели-ением основного времени обработки одной поверхности детали на яжелых сталках, Кроме того определена зависимость применяемос-и различных видов резцов от специфических условий отрасли про-ншленности, которые связаны с основными ■характеристиками типо-ых деталей, требованиями к точности и качеству их обработки, то является логическим основанием для создания помоцельных омплектов инструмента.

Установление областей применения инструмента путем рассмот-ения поверхностей распределения двух факторов, характеризующих словия работы и их сечений плоскостями с постоянной плотностью аспределения, позволили включить в гтомоделыгае комплекты наибо-яе необходимый и производительный инструмент. Предложен способ асчета и разработана структура расхода резцов на тяжела* кару-элъных станках для четырех отраслей промышленности.

Установлено, что 60-70? всех тяжелых карусельных станков ^пользуется для черновой обработки, которая проходит в доволь-з сложных условиях: до 50Я ее основного времени составляет ре-ание по корке и цо - с ударом. Для тяжелых и особо тяжелых ;ловий резания (10 4 45 мм) применяются резцы напайные сборных конструкций, работающие с подачами, заниженными на 10-Ю1?, по сравнении с норлатившжи Обработка в производственных ¡ловиях., как правило, выполняется .резцом с пластиной наибольше-> размера, а поэтому активная длина режущей кромки составляет шастую лишь 30-50? общей ее длины. До 35? операций выполнявт-! с применением >«ногосуппортной обработки, что увеличивает нап-!*енность труда токаря-карусельщика.

Все перечисленные особенности были учтены при расчете режи-1в резания, норм расхода инструмента, определении состава ос -)вных карт нормативов и домодельных комплектов резцов.

Четвертая глава посвящена исследованиям надежности резцов:

периода стойкости и других показателей безотказности, показателей долговечности и ремонтопригодности. Сравнительные производственные испытания, проведенные в условиях ПО "Коломенский ЗТС" дали для резтовнх блоков более высокие показатели надежности по сравнению с базовым инструментом. Эффективность резцовых блоков особенно возрастает в условиях тяжелого резания (t >25 мм,

S 1,5 мм/об, 17 = 35-60 м/мин, с ударом, по грубой корке). При прочих равных: условиях увеличивается средний период стойкости Т в I,3 раза, число периодов стойкости К в 1,5 раза. Уменьшается число отказов в связи с различными видами разрушений и отпаиванием пластины с 51% до 34t; коэффициент вариации периода стойкости снижается в 1,8 раза, удельный расход твердого сплава в 1,7 раза. Р результате изложенного резцовый блок рекомендова! е качестве основного инструмента для помодельньтх комплектов резцов к тяжелым станкам токарно-карусельной группы.

Изучена зависимость числа-периодов стойкости К от различных факторов для тяжелых карусельных станков, в том числе впервые от вылета ползуна tn , имеющая вид

"■-да

Приведенное уравнение наряду с данными по стойкости инструмента легло в основу расхода инструмента для нормативов.

Были проведены исследования стойкости резцов в условиях точения на тяжелых карусельных станках с большими сечениями среза (рис. 3), Установлено, что зависимость периода стойкости Т от скорости резания , полученная путем длительных наблюдений за эксплуатацией инструмента существенно отличается от таковой при эксперимете: наклон кривых к оси абсцисс значительно меньше ; в области практически применяемых: значений скоростей резания имеет место перегиб и максимум указанной зависимости. Это связано преимущественно с увеличением доли отказов из-за разрушения режущей пластины. Наклон к оси абсцисс уменьшается с ростом доли чисто случайных отказов. Показано, что в условиях тяжелого резани, неэффективно работать в зоне относительно малых скоростей, т.к. г>то не дгет увеличения периода стойкости, приводит к росту отказов из-за рьгкрашипания и разрушения пластин и увеличению коэф -фипиеита вариации Wt периода стойко&'и. В области относи-voj'f,ho больших 1Г допустимо использование линейной аппроке-vn-г*;:т! логарифмов Т и при увеличенном значении показате;,'""

гПу -- 0,5-0,П. В широком диапазоне подач и скоростей резания

3. Вылет и размеры сечения ползуна в значительной мере определяют предельную по виброустойчивости глубину резания и раз-

'рушастцую подачу, что было учтено в полученных формулах и позволило ввести соответствующие поправочные коэффициенты в нормативы режимов резания.

4. Установленная количественная связь среднего значения применяемости каждого вида и типа конструкции резцов от типоразмера станка и отрасли промышленности, в которой он эксплуатируется, послужила основой для разработки помодельных комплектов резцов.

5. При точении с большими сечениями среза и неравномерном припуске по мере уменьшения скорости резания линии зависимостей логарифмов периода стойкости от логарифмов скорости резания становятся нелинейными, а в ряде случаев имеют максимум в зоне реально применяемых режимов резания. Причем максимальные значения периода стойкости, полученные путем длительных наблюдений за эксплуатацией инструмента в производственных условиях, существенно ниже полученных при лабораторной эксперименте. Наличие максимума зависимости и его смещение в производственных условиях объясняется ростом процента разрушенных пластин и возрастанием роли случайных отказов по мере снижения скорости резания.

6. При увеличении подачи отклонение упомянутой в п.5 зави-' симости от прямой линии усиливается, а максимальное значение пе-* риода стойкости существенно снижается.

7. В области больших скоростей резания допустима линейная аппроксимация зависимости логарифмов периода стойкости от логарифмов скорости резания, а в области относительно малых скоростей может применяться показательно-степенная формула, полученная в данной работе. -

8. Комплексная оценка надежности технологической системы достаточно полно отражается полученным с помощью марковского подхода уравнением коэффициента готовности, связывающего последний

с надежностью отдельных ''Элементов системы.

9. Оптимизация по таким критериям, как. затраты с учетом различных статей расходов, штучное время, расход инструмента

и оборотный фонд твердого сплава, проведенная с использованием целевых функций, полученных в результате статистического анализа работы инструмента на тяжелых карусельных станках, позволила определить оптимальные режимы резания для узловых точек нормативов.

10, Оптимальный запас режущих пластин на рабочем месте должен составлять 2—12 комплектов с зависимости от условий? производства, требований по производительности труда и стоимости твердого сплава.

11. Общемашиностроительные нормативы режимов резания и нормы расхода резцов для тяжелых карусельных станков, разработанные на основе системного подхода, учитывающие специфические особенности этого оборудования и условий эксплуатации инструмента, содержат ряд ранее отсутствовавших рекомендаций. Большинство инструмента, входящего в помодельные комплекты, поставлено на производство инструментальными заводами и предусмотрена поставка станков с необходимым комплектом резцов. Результаты работы внедрены на 22 машиностроительных предприятиях с экономическим эфг-фектом 494,8 тыс.рублей.

Печатные работы по теме диссертации

1. Коваленко Г.А. Исследование стойкостных зависимостей при испытаниях с изменяющейся подачей. //Синтез и применение сверх-твеэдых материалов: Сб. научных трудов. - Киев: ИСМ АН УССР,

1981. - С. 75-76.

2. Коваленко P.A., Сердюк A.A. Исследование жесткости и внб-роустойчивости системы СПИД применительно к тяжелым токарным станкам. //Исследование и применение сверхтвердых и тугоплавких материалов. : Сб. научных трудов. - Киев: ИСМ АН УССР, 1981.

С. 160-166.

3. Локтев А.Д., Хает Г.Л., Коваленко P.A. и др. Общемашиностроительные нормативы режимов резания, норм износа и расхода резцов для карусельных и лоботокарных станков. - М.: НИИМАШ,

1982. - 35 с.

4. Коваленко P.A., Угнич В.А. Нормативы режимов резания на тяжелых станках //Машиностроитель. - 1983. - № 10.. - С.31.

5. Коваленко P.A. Особенности нормативов режимов резания для тяжелых карусельных станков. //Надежность режущего инструмента.: Сб. научных трудов. - Донецк: ДЛИ, 1984, вып. 3. С. 85-89.

6. Локтев А.Д., Хает Г.Л., Коваленко P.A. и др. Общемашиностроительные нормативы режимов резания. Токарные и карусельные работы. - М.: ВНИИГШР, 1985. - 92 с.

V. Резец сборный прорезной: A.c. II77069 СССР, МКИ3 В23В 27/16, 1985 /В.С.Гузенко, Г.Л.Коваленко, С.А.Певзнер, Б.П.Гордеев (СССР), 2 с.

8. Хает Г.Jl. , Ковеленко Г.А., Гузеико B.C. Помодельнне комплекты инструмента //Машиностроитель. - 1987. - № II. - С. 35-36.

9. Коваленко Г.А., Гордеев Б.П. Пути повышения эффективности эксплуатации инструмента на тяжелых карусельных станках. //Рациональная эксплуатация и шструментообслуживание станков с ЧПУ и ГПС. : Тезисы докладов. Пенза, I9S9. С. 81-83.

10. Локтев А.Д., Хает Г.Л., Коваленко Г.А. и др. Сборные Твердосплавные резцы для тяжелых станков токарной группы. Конструкции и понедельные комплекты. Каталог. - И.: RH№iT34P, 1989. - 60 с.

11. Клименко Г.П., Коваленко'Г.А., Рязянцев В.В., Гордеев Б.П. Выбор инструмента для тяжелых карусельных станков производства Коломенского CI10 с учетом его надежности. //Передовой производственный опыт и научно-технические достижения, рекомендуемые

для внедрения.: Инф.сборник. -М.: ЕКИИТЭ.1Р, 1989, вып. 6. С.Ю--13.

12. Коваленко Г.А., Гузенко B.C. Сборные резцы для тяжелых карусельных станков. //Машиностроитель. - 1991. - № I. - C.I2-I3.

13. Клименко Г.П., Коваленко Г.А. Определение рационального числа наладчиков с учетом надежности тяжелых карусельных станков. // Качество и надежность технологических систем механообработки: Тезисы докладов. Краматорск, 1991. С. 60-62.

14. Коваленко Г.А. Анализ условий эксплуатации режущего инструмента на тяжелых карусельных станках. //Надежность режущего инструмента. : Сб.научных трудов. - Краматорск: КИИ. 1991, вып.4. С. 170-175.

15.' Коваленко Г.А., КотккнаМ.Г., Павлова I.В. Потребительные ниши как метод исследования среды функционирования инструмента. //Надежность рекущего инструмента.: Сб.научных трудов, -Краматорск: КИИ. 1991, вып. 4. С. 176-179.

16. Клименко Г.П., Коваленко Г,А., Лобова С.М. Оценка качества эксплуатации инструмента. //Надежность режущего инструмента. : Сб. научных трудов. - Краматорск: КИИ. 1991, вып. 4. С.215--216,

17. Локтев А.Д., Гущин И.Ф., Клименко Г.П., Коваленко Г.А. и др. Общемашиностроительные нормативы режимов резания. - М.: Машиностроение, 1992, т.1. - 258 с.

18. Коваленко Г.Л., Клименко Г.П. Особенности эксплуатации инструмента на тяжелых карусельных станках. //Пути повышения эффективности использования режущего инструмента.: Тезисы докладов. - М., 1991. С. 21-23.

Поли, в печать (Л< j 'и Формат 60X84'/,в. Бумага т (Ни'11 Офсетипя печать. Усл. печ. л. о.'/З . Усл. кр.-отг. ij, . Уч.-изд. л. /,(.' , Тираж и',О экз.

Заказ Ла 9 'V Л /, Бесплатно.

Носковский станкоинструменйльный институт, __ I01472,ГСП,Москва,К-55,Вадковский пер.,д.3а__

ДМШ1, :НОО30, Донецк, ул. Артема, 9В