автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Совершенствование методов и средств отвода и удаления сливной стружки при резании вязких материалов

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ АО "ЭНИМС"

На правах рукописи

ФЛАКСМАН Андрей Львович

УДК 621.91:621.774

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОТВОДА И УДАЛЕНИЯ СЛИВНОЙ СТРУЖКИ ПРИ РЕЗАНИИ ВЯЗКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ПРИМЕРЕ

ОБРАБОТКИ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и

физико-технической обработки, станки и инструмент

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д. т.н., проф. Кудинов В.А.

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................ 4

Глава 1. Обзор информации по проблеме и постановка задачи .................................................. 11

1.1. Характеристика вязких материалов ................. 11

1.2. Процесс изготовления медных труб малого диаметра . 17

1.3. Существующие способы отвода и удаления стружки из зоны резания ............................................. 21

1.3.1. Завивание стружки в плотную спираль...........22

1.3.2. Дробление стружки.............................24

1.3.3. Пережигание стружки импульсами тока...........37

1.3.4. Удаление непрерывной сливной стружки из рабочей зоны .....................................................38

1.3.5. Выводы........................................39

1.4. Существующие методы получения труб без грата.....39

1.4.1. Способы позволяющие предотвратить появление грата или уменьшить его величину ...............................41

1.4.2. Способы удаления грата ........................42

1.5. Задачи исследования.............................. 47

Глава 2. Теоретический анализ формы стружки, отводимой из

зоны резания ............................................. 51

2.1. Существующие взгляды на процесс стружкообразования51

2.2. Существующие представления о формировании отводимой стружки .................................................. 54

Глава 3. Теоретическое обоснование способов управлением формой стружки ........................................... 72

3.1. Модель стружкообразования применяемая в исследованиях ........................................... 72

3.2. Эвакуация материала при стружкообразовании........87

3.3. Анализ исследований о влиянии геометрии передней поверхности резца на форму стружки ....................... 94

3.4. Дробление стружки динамическим изменением переднего угла ................................................... 101

Глава 4. Экспериментальные исследования............... 104

4.1. Опыты, подтверждающие отдельные теоретические положения ...........................................................104

4.2. Исследование влияния высоты дополнительной передней поверхности на параметры стружки ........................ 108

4.2.1. Определение усадки стружки весовым способом ... 112

4.2.2. Изменения радиуса завивания стружки...........113

4.2.3. Измерение параметров поперечного сечения стружки .................................................114

4.2.4. Результаты проведения опытов..................114

4.3. Исследование дробления стружки при изменении переднего утла.......................................... 118

4.3.1. Выявление границы фрагментирования............120

4.3.2. Шероховатость обработанной поверхности при фрагментирования стружки ................................. 122

4.3.3. Влияние частоты качания на длину фрагментов стружки..................................................123

Общие выводы.......................................... 127

Практические рекомендации............................. 129

Ротационный резец для срезания наружного грата....... 129

Описания способа удаления внутреннего грата при сварке

трубной заготовки ....................................... 134

Механизм вытягивания грата, срезанного с внутренней поверхности

Конструкция и принцип работы резцовой головки для отрезки

трубы ......................................................................................................142

Конструкция и принцип работы механизма разделения

стружки ................................................................................................143

Приложение А....................................................................................145

Приложение Б....................................................................................149

Приложение В....................................................................................151

Приложение Г....................................................................................152

Приложение Д....................................................................................155

Литература........................................................................................157

ВВЕДЕНИЕ

Обработка материалов резанием до настоящего времени является одним из наиболее производительных, гибких, экономичных методов получения деталей заданного качества (точности, шероховатости и т.п.). Эффективность современного машиностроительного производства напрямую зависит от ее уровня.

При обработке резанием пластичных материалов зачастую образуется сливная стружка. Сливная стружка является опасным для человека фактором на производстве. Кроме того, она наматывается на инструмент и заготовку, что может привести к аварийной ситуации (поломка инструмента, подрыв заготовки и т.п.), особенно в автоматизированном производстве. В некоторых случаях присутствие стружки на обработанной поверхности не допускается технологическим процессом или чистотой обработанной поверхности. Например, при чистовой лезвийной обработке зеркал лазерных установок и телескопов недопустимо касание стружкой обработанной поверхности зеркала, так как это влечет за собой появление микроцарапин. Наличие таких царапин не допускаются эксплуатационными требованиями. Немаловажны размеры и форма стружки и для удобства ее утилизации. В этом случае стружка должна быть либо поделена на мелкие фракции, либо завита в плотную спираль. Таким образом, формирование стружки, безопасной для оператора, удобной для удаления из зоны резания, для транспортировки и переработки является одной из важнейших задач в области механической обработки пластичных материалов. Поэтому к одной из острых проблем, возникающих при организации процесса резания, относится проблема отвода и удаления стружки.

Для обеспечения процесса отвода и удаления стружки необходимо получить стружку благоприятной формы. При этом под благоприятной формой стружки понимается такая ее форма, при которой:

а) стружка не приводит к осложнениям автоматических перемещений узлов станка;

б) форма и размеры стружки не препятствуют автоматизации загрузочно-разгрузочных и контрольных переходов;

в) стружка не является причиной преждевременного выхода из строя режущего инструмента;

г) стружка не царапает обработанную поверхность, ухудшая ее качество.

Вид благоприятной формы стружки напрямую зависит от особенностей технологического процесса. Например, в автоматизированном производстве чаще всего благоприятными формами считаются:

а) стружка разделена на фракции длиной не более 100 мм /1/ (по некоторым источникам /2/ допускается длина фракции до 300 мм;

б) стружка завита в плотную спираль.

При обработке зеркал лазерных установок и телескопов по всей вероятности целесообразно получение достаточно прочной непрерывной сливной стружки, которую необходимо отвести от обработанной поверхности.

При разработке технологического процесса не всегда легко удается палучить стружку благоприятной формы. Например, повышенные требования к точности и шероховатости поверхности детали существенно ограничивают возможность фрагментирования стружки, так как это зачастую ухудшает указанные характеристики обработанной поверхности. Повышенная вязкость обрабатываемого материала также осложняет дробление стружки. Завиванию стружки в плотную спираль, например при

протягивании, могут препятствовать образующиеся в результате работы стружкоразделительной канавки предыдущего зуба выступы ("ребра жесткости"/3/) и т.п.

Но даже, в том случае, когда стружка имеет благоприятную форму, ее отвод и удаление может вызвать затруднения. Так, например, при глубоком сверлении, зенкеровании и развертывании отверстий, протягивании наружных и внутренних поверхностей, затруднения вызываются ограниченностью пространства, в котором находится стружка.

В настоящей работе проблема отвода и удаления стружки рассматривается применительно к производству прямошовных сварных медных труб малого и среднего диаметра (менее 40мм). Трубы производят из трубной заготовки волочением. Трубную заготовку получают на трубоэлектросварочном агрегате посредством ее формовки из рулонной ленты, разогревом кромок в кольцевом индукторе и обжатием в сварочном калибре. В результате, на наружной и внутренней поверхности трубы появляются "наплывы", называемые гратом. Наличие грата делает невозможным последующее волочение (редуцирование) трубной заготовки, поэтому его необходимо удалять.

Стружка удаляемого с наружной поверхности грата наматывается на резец и трубу. Наматывание стружки на инструмент может вызвать его поломку. В случае наматывания стружки на трубу возникает опасность попадания стружки под валки калибровочной клети.

Извлечение срезанного грата из внутренней полости сварной трубы значительно осложняется ограниченностью пространства и довольно большой длиной трубной заготовки (до 100 м).

При удалении грата с внутренней поверхности труб благоприятной можно считать следующие формы стружки:

а) стружка разделена на мелкие фракции, причем длина фракции стружки не должна превышать диаметра трубы (такая стружка пригодна для вымывания из трубы потоком жидкости);

б) стружка имеет вид прямой непрерывной ленты, обладающей достаточной прочностью (такая стружка пригодна для вытягивания из трубы с помощью специального механизма).

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Теплоэнергетические, электротехнические и некоторые другие производства связаны с обработкой особо вязких материалов, таких как медь и ее сплавы, некоторые алюминиевые сплавы, малоуглеродистые стали и т.п. Образующаяся при резании таких материалов сливная стружка должна иметь "благоприятную форму". В одном случае стружка должна быть поделена на мелкие фракции, в другом - завита в плотную спираль, в третьем представлять собой прямую непрерывную ленту. Особые затруднения возникают при получении благоприятной стружки в случае ограниченности рабочего пространства. Таким образом, формирование стружки, безопасной для оператора, удобной для удаления из зоны резания, для транспортировки и переработки, является одной из важнейших задач в области механической обработки пластичных материалов. Как показывает практика, эта задача остается актуальной, несмотря на наличие значительного числа ее частных решений. До настоящего времени не создана общая модель процессов, сопровождающих сход сливной стружки и не установлены их закономерности.

Цель и задачи работы. Целью данной работы является разработка методов и средств удаления и отвода грата, срезаемого с внутренней и наружной поверхности при изготовлении прямошовных сварных трубных заготовок из вязких материалов для труб малого и среднего диаметра (менее 50 мм) .

Для достижения поставленной дели в работе сформулированы следующие задачи:

• анализ методов получения сварных труб;

• анализ методов удаления грата;

• анализ концепций стружкообразования;

• анализ способов фрагментирования стружки;

• разработка общей модели процесса схода сливной стружки;

• разработка способа управления формой стружки;

• разработка способа отвода стружки (срезанного грата) с внутренней поверхности трубной заготовки;

• разработка способа дробления стружки, не нарушающего геометрии обработанной поверхности.

Методы исследования. В работе использованы современные теоретические, а так же экспериментальные методы исследования процесса стружкообразования. Теоретические исследования проводились на основе разработанной в последние годы модели формирования стружек при резании металлов, а также достижений в области теории упругости и пластичности, в частности новой концепции деформирования и разрушения материальных тел. Экспериментальная проверка основных теоретических положений проводилась в лабораторных условиях на физических моделях при обработке резанием заготовок из вязких материалов (медь М2, сталь 10 и др.) резцами с различной геометрией на токарном мод. 1К62 и фрезерном мод. 6Н81 станках. В том числе, исследовались микрошлифы поперечных сечений стружки, изучалась их форма и распределение микротвердости по сечению с помощью микротвердомера ПМТ-3. При обработке экспериментальных данных использовалась компьютерная техника.

Научная новизна.

1. Установлены закономерности неравномерности (локализации) пластической деформации в поперечном сечении стружки.

2. Предложена качественная теоретическая модель, определяющая характеристику формы стружки после ее формирования, названная моделью баланса остаточных деформаций (напряжений).

3. На основании анализа модели раскрыты закономерности завивания стружки и направления схода стружки с режущего инструмента.

4. Экспериментально доказана возможность формирования незавивающейся (прямолинейной) стружки путем выбора геометрии режущего инструмента и режимов резания. Незавивающаяся стружка позволяет решить задачу удаления ее из ограниченного пространства при обработке длинных трубчатых заготовок.

5. Разработан способ отвода незавивающейся стружки, образовавшейся при срезании грата на внутренней поверхности трубных заготовок и автоматизации процесса ее удаления.

6. Разработан оригинальный способ и устройство фрагментирования стружки без ухудшения геометрии и качества обработанной поверхности, защищенное авторским свидетельством (АС N 1634372).

Практическая ценность.

1. Предложено технологическое решение задачи отвода стружки при срезании грата, образующегося на внутренней поверхности трубных заготовок при производстве труб малого и среднего диаметра (менее 4 0 мм) из особо вязких материалов. Даны рекомендации по геометрии режущего инструмента, обеспечивающего получение стружки в виде прямой непрерывной ленты.

2. Разработана конструктивная схема модернизации трубоэлектросварочного агрегата путем введения специального

устройства для автоматизированного удаления стружки из внутренней полости трубы.

3. Разработан инструмент по АС N 1634372 для реализации предложенного способа фрагментирования стружки при срезании грата на наружной поверхности труб.

Реализация работы. Результаты работы представляют практическую ценность для АО "Кировский завод ОЦМ", выпускающего трубы малого и среднего диаметра из меди и ее сплавов. Конструктивная схема модернизации

трубоэлектросварочного агрегата и технологическое решение задачи удаления и отвода стружки переданы на указанное предприятие.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на ежеквартальных семинарах аспирантов ОАО "ЭНИМС" 1996-1998 г., на региональной научно-технической конференции "Наука-производство-технология-экология" (Киров, 1998) и на 3-й международной научно-технической конференция "Проблемы повышения качества промышленной продукции" (Брянск, -1998).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 1 Авторское свидетельство.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ИНФОРМАЦИИ ПО ПРОБЛЕМЕ И

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Характеристика вязких материалов

В различных технологических процессах получение благоприятной формы стружки связано с множеством разных ограничений и факторов. Одним из важнейших является такое свойство обрабатываемого материала как вязкость.

Понятие вязкости материала является зачастую субъективным. Вязким принято считать такие материалы, которые при значительной пластической деформации не теряют сплошность.

Это свойство материала определяется законами нановиброреологии /4/ и зависит от условий его использования, т.е. прежде всего от температуры окружающей среды, а также от напряженного состояния материала.

В настоящее время принято вязкость конструкционных материалов количественно характеризовать совокупностью двух показателей: ударной вязкостью (ан) и относительным удлинением {д%) .

При испытаниях на ударную вязкость (при динамическом изгибе) образец с надрезом, опирающийся концами на два упора, подвергают действию удара, причем под воздействием удара образец должен разрушиться.

Наличие надреза, повышенная скорость и пониженная температура деформирования могут привести металл в хрупкое состояние и выявить его склонность к хрупкому разрушению. Эти свойства металла не обнаруживаются при статических испытаниях гладких образцов.

Хрупкое разрушение зависит от характера напряженного состояния, химического состава и структуры материала.

Методы определения ударной вязкости регламентируются ГОСТ 9454-60, 9455-60 и 9456-60.

Испытания образцов выполняют на маятниковых копрах с предельной энергией не более 300 Дж. В основном используют призматические образцы с размерами 10x10x55 мм с надрезом посередине глубиной 2 мм и радиусом 1 мм.

Работу, затраченную на разрушение образца, определяют по формуле

АН=Р 1 (соэ{3 - сова), где Р — масса маятника испытательного копра, кгс;

1 — длина маятника, м;

/? и а — соответственно углы подъема маятника до и после излома образца.

Ударная вязкость определяется в кгс-м/см2 по формуле

ан= Ан/Е,

где Ан — работа удара, затраченная на излом образц�