автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Совершенствование сборных комбинированных зенкеров за счет допустимого уменьшения узлов крепления режущих пластин

ДОНЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

0% (

Сурженко Андрей Николаевич

УДК 621 9.029

СОВЕ РШЕНСТВОВАНИЕ СБОРНЫХ КОМБИНИРОВАННЫХ ЗЕНКЕРОВ ЗА СЧЕТ ДОПУСТИМОГО УМЕНЬШЕНИЯ УЗЛОВ КРЕПЛЕНИЯ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН

Специальность 05.03.01. - процессы механической обработки, станки и инструменты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Донецк - 2000

Диссертация является рукописью

Работа выполнена на кафедре "Металлорежущие станки и инструменты" в I нецком государственном техническом университете Министерства образован и науки Украины

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Малышко Ив Александрович, Донецкий государственный тех* ческий университет, профессор кафедры металло{ жущих станков и инструментов

доктор технических наук, профессор Перепелица Ь рис Алексеевич, Харьковский государственный пол технический университет, профессор кафедры резан материалов и режущих инструментов,

кандидат технических наук, старший научный сотр> ник Гузенко Виталий Семенович, Донбасская гос дарственная машиностроительная академия, доце кафедры металлорежущих станков и инструментов.

Запорожский государственный технический универс тет Министерства образования и науки Украины, к федра "Станки и инструменты", г. Запорожье.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

дании специализированного ученого совета К 11.052.04. в Донецком государс венном техническом университете по адресу: 83000, г. Донецк, ул. Артема, 58.

Защита состоится

часов на зас

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Донецкого государс венного технического университета по адресу 83000, г. Донецк, ул. Артема, 58

Автореферат разослан

tf "" Л///&/7Л " 200 Уг.

Ученный секретарь специализированного ученного совета кандидат технических наук, доцент

Ивченко Т.Г.

(633.2-56-02,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Рост стоимости быстрорежущих сталей и твердых сплавов, обусловливает увеличение затрат на производство и эксплуатацию инструмента. Уменьшить расходы можно за счет сокращения удельного веса этих материалов в конструкции инструмента.

Существующие конструкции сборных зенкеров имеют громоздкий узел крепления, что вызывает увеличение размеров режущей пластины, и, соответственно, расход инструментального материала. Кроме того, громоздкий узел крепления уменьшает размеры стружечных канавок, что затрудняет отвод стружки из зоны обработки и вызывает ее пакетирование. Это требует дополнительные выводы инструмента для ее удаления, что ведет к снижению производительности обработки отверстий.

Существующие конструкции сборных зенкеров с многогранными непере-тачиваемыми пластинами не всегда гарантируют малый узел крепления и оптимальные геометрические параметры режущей части, что ухудшает условия резания и транспортировки стружки. Наиболее существенно эти недостатки проявляются в комбинированных зенкерах, где срезаются большие объемы материала.

Учитывая, что зенкеры являются наиболее распространенным инструментом после сверл, в качестве объекта исследований принят данный вид инструмента.

Устранение недостатков, присущих существующим конструкциям сборных комбинированных зенкеров, возможно за счет разработки формы режущей пластины и узла ее крепления с минимальными параметрами путем минимизации сил, воспринимаемых крепежными элементами. Это обеспечит увеличение размеров стружечных канавок и улучшит отвод стружки.

Методика минимизации сил, действующих на узел крепления, может быть осуществлена на основе методов математического моделирования работы зенкеров.

В диссертационной работе предлагается уменьшение затрат на инструмент за спет унификации основных конструктивных элементов зенкера.

Связь работы с научными программами кафедры. Выполненная работа осуществлена в рамках гос. темы Г-2-94 (регистрационный номер № 0195У006205) и является составной частью научных исследований - разработка теории проектирования комбинированных зенкеров, которые проводит кафедра "Металлорежущие станки и инструменты".

Цель работы и задачи исследований. Цель работы - совершенствование сборных комбинированных зенкеров за счет допустимого уменьшения узлов крепления режущих пластин, обеспечивающее экономию инструментальных материалов и улучшение условий для размещения и транспортировки стружки.

Для реализации поставленной цели необходимо решить такие задачи:

1. Разработать аналитическую модель, устанавливающую функциональные связи между главным задним углом, лимитирующей толщиной режущей пластины зенкера, величиной подачи и размерами отверстия.

2. Предложить модель, описывающую функциональные связи между предельной толщиной режущей пластины зенкера, кинематикой процесса и вспомогательным задним углом инструмента.

3. На основе анализа моделей, устанавливающих функциональные связи между толщиной режущей пластины, кинематикой процесса зенкерования и геометрией инструмента с рабочими процессами, определить оптимальные геометрические параметры и форму пластины.

4. Разработать аналитическую модель сил, действующих на режущую пластину, осуществляющую функциональные связи между параметрами узла крепления, ее формой, геометрией инструмента и режимами резания.

5. На основе анализа сил, действующих на режущую пластину, определить оптимальное сочетание формы и размеров режущей пластины зенкера с целью минимизации сил закрепления, а следовательно, и параметров ее крепежной части,

6. Определить влияние параметров узлов крепления на размеры стружечных канавок и условия отвода стружки.

7. Разработать алгоритм проектирования сборных комбинированных зенкеров.

8. Экспериментально установить качественную связь между силой закрепления, действующей на режущую пластину, и режимами резания.

9. Экспериментально определить влияние метода крепления режущей пластины зенкера на разбивание обработанных им отверстий и стойкость его режущей части.

10. Разработать рекомендации по проектированию и внедрению сборных комбинированных зенкеров.

Методы исследований. Объекты исследования - конструктивные и геометрические параметры сборных комбинированных зенкеров, сменных режущих пластин и узлов их крепления.

Предмет исследований - функциональные связи между конструктивными и геометрическими параметрами пластины и узла ее крепления с рабочими процессами, протекающими при зенкеровании.

В качестве методов исследования использовалось математическое моделирование на базе трех видов моделей: вербальной, аналитической и эмпирико-статистической.

Вербальная (словесная) модель предшествовала аналитической. Словесное описание взаимодействия рабочих процессов с геометрическими и конструктивными параметрами делает аналитическую модель более наглядной. Это позволяет обеспечить более высокую адекватность аналитической модели физической.

Адекватность аналитических моделей проверялась на эмпирико-стат-истических моделях.

Научная новизна подученных результатов: 1. Впервые на основе аналитической модели, устанавливающей функциональные связи между кинематическим главным задним углом, величиной подачи и размерами отверстия, определена толщина режущей пластины, исключающая затирание главной задней поверхности, значение которой определяется зависимостью

2Я2(К/-РГ сета)

А = —-*--—-япр.

К2 соэ2 а-[И/ - собсх И^

2. Впервые установлено, что при равенстве углов на главной и вспомогательной задних поверхностях определяющей для выбора толщины режущей пластины является величина вспомогательного заднего угла, при этом лимитирующая толщина пластины определяется зависимостью

/?1шач = /?5|'п(2а,)с050) + /.

3. На основе математической модели сил, действующих на режущую пластину сборного комбинированного зенкера, получило дальнейшее развитие положение, что существует такое расположение ее опорных поверхностей, при котором силы резания уравновешиваются силами трения.

4. Впервые установлено, что максимальная нагрузка, действующая на винт узла крепления режущей пластины зенкера, наблюдается в период врезания и обусловлена фазовым сдвигом между постоянными времени приращения силы И7 и равнодействующей сил и Иу.

Практическое значение полученных результатов:

- на основе аналитических моделей кинематики движения зенкера определены границы использования режущих пластин с одноплоскостной и двух-плоскостной заточкой задней поверхности;

- установлена минимально допустимая граница диаметров зенкеров, которые могут изготавливаться сборными со сменными режущими пластинами;

- допустимое уменьшение параметров узла крепления позволило уменьшить размеры режущей пластины, благодаря чему сокращается расход быстрорежущей стали в 1,5 - 2 раза;

- разработаны рекомендации по проектированию сборных комбинированных зенкеров, которые используются на ОАО "Винницкий инструментальный завод" и ОАО "Горловский машиностроительный завод". Экономический эффект от внедрения и эксплуатации предложенных конструкций сборных комбинированных зенкеров составит 23200 гривен в год.

Личный вклад соискателя. Основные положения и результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались: на Международной научно - технической конференции "Прогрессивная техника и технологии машиностроения" (Украина, г, Севастополь, 1995 г.); на Международной научно - технической конференции "Современные проблемы машиностроения и технический прогресс" (Украина, г. Севастополь, 1996г.); на Международной научно - технической конференции "Прогрессивные технологии машиностроения и современность" (Украина, г. Севастополь, 1997 г.); на Международной научно - технической конференции "Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века" (Украина, г. Севастополь, 1998 г.).

Работа обсуждена и одобрена на расширенном научно - техническом семинаре кафедры "Металлорежущие станки и инструменты" ДонГТУ, протокол № 16 от 15 июня 2000 г.

Публикации. Основное содержание работы отображено в 5 научных статьях, 4 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов и выводов в конце каждого раздела, общих выводов, списка использованных источников, что составляет 97 названий, приложений. Объем работы составляет 201 страницу основной части, приложений - 51 страницу, рисунков - 59, таблиц - 37.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана характеристика работы.

В первом разделе произведен анализ существующих конструктивных и геометрических параметров сборных зенкеров, а также форм и размеров сменных режущих пластин, конструкций узлов крепления режущей части инструментов. На основании анализа определена цель работы и задачи исследований.

Установлено, что недостатком существующих конструкций сборных зенкеров является громоздкий узел крепления и большие габариты пластины, что ведет к удорожанию инструмента, не позволяет применить сборную конструкцию для малых диаметров зенкеров, ограничивает пространство для отвода и размещения стружки. Расходы, связанные с проектированием и производством зенкеров, возможно сократить за счет разработки сборных конструкций инструментов с минимальными и унифицированными размерами узлов крепления режущих пластин. Существующие методы крепления режущих пластин не позволяют уменьшить размеры узла крепления, а это является ограничивающим фактором на пути допустимого уменьшения пластины.

Во втором разделе на основе математического моделирования кинематики движения зенкера установлена взаимосвязь между допустимой толщиной режущей пластины зенкера и диаметром отверстия, геометрическими параметрами режущей части и величиной подачи.

Для исключения затирания главной задней поверхности зенкера необходимо обеспечить отсутствие затирания этой поверхности с поверхностью резания на всем их протяжении.

Отсутствие затирания главной задней поверхности с поверхностью резания у главной режущей кромки обеспечивается, если угол движения ад будет меньше статического главного заднего угла зенкера а. Значение угла движения определяется зависимостью

2кг

0Сд = агссо5-р= (1)

где г - радиус инструмента; Я - подача зенкера.

Численный анализ зависимости (1) показал, что диапазону диаметров зенкеров от 10 до 120 мм, с максимальным значением рекомендуемой подачи, соответствует определенное значение максимального угла движения. Так для Агап= 10 мм - ад = 1,64°, а дня /?1ТЫХ=120 мм - ад =0,73°. При значении статического главного заднего угла зенкера порядка 8° -10° гарантировано отсутствие затирания главной задней поверхности у главной режущей кромки для любого диаметра инструмента.

На следующем этапе исследований установлено, что угол движения ад меньший главного статического заднего угла зенкера а не гарантирует отсутствие затирания главной задней поверхности инструмента на всей ее протяженности. Главная задняя поверхность сменной режущей пластины зенкера, как правило, формируется по плоскости, поэтому существует вероятность пересечения ее с винтовой поверхностью резания (рис. 1). Возможность такого контакта устанавливается зависимостью, определяющей предельную толщину режущей пластины зенкера

h ~ I sin р, (2)

где р - угол заострения режущей пластины; / - максимально допустимая протяженность главной задней поверхности. Значение / определяется по упрощенной зависимости

2R2(Rf-Pr cosa)

1 =-—--'—i, (3)

R2 cas2 a-[Rf -cosa Pf)

где R = /?mtn + Bmiconst SÍn(p - радиус окружности, по которой движется точка главной режущей кромки м ; / - sinasin<ptg<p; Р, = ; ф - главный

2л

угол в плане.

На основании зависимости (3) установлено, что для сборных зенкеров диаметров D< 33 мм с а = 8° и для D < 25 мм с а = 10° при максимальном значении рекомендованной подачи существует вероятность затирания главной задней поверхности с поверхностью резания на расстоянии I от главной режущей кромки зуба инструмента.

Исследования показали, что затирание возможно и на вспомогательной задней поверхности. Контакт вспомогательной задней поверхности с обработанной поверхностью отверстия определяется значением предельной толщины пластины, определяемым из выражения

fhaas ~ R sin(2a t) cos со + /, (4)

где R - радиус инструмента; ai - вспомогательный задний угол, ю - угол наклона стружечной канавки;/ - ширина ленточки.

Численный анализ зависимостей (2) и (4) показал, что при равенстве задних углов на главной и вспомогательной задних поверхностях, лимитирующая толщина пластины зенкера, исключающая затирание этих граней, определяется вспомогательным задним углом (см. зависимость (4).

Зависимости (2) и (4) позволяют определить границы одноплоскостной заточки главной и вспомогательной задних поверхностей режущих пластин зенкеров.

На рис. 2 приведены графические зависимости максимально допустимой толщины режущей пластаны от радиуса инструмента для главных задних углов a, равных 8° и 10°. Линии графиков ограничивают области одноплоскостной и двухплоскостной заточки режущей пластины. При толщине пластины, значение которой находится ниже линии графиков, главные задние утлы гарантировано

обеспечивают отсутствие .затирания главной задней поверхности инструмента при любом сочетании параметров режимов резания.

Ь, мм

1 мм/об

11 11 1 ^ а! в г** 1! — С5 гч II

? И 7 » С/5 1 3=2,- мм/об

ГЦ II </)

а=10

О 5 10 15 20 23 30 35 Я,мм

Рис. 2 - Зависимость лимитирующей толщины режущей пластины зенкера от радиуса обрабатываемого отверстия

В третьей разделе на основе разработанной математической модели сил, действующих на режущую пластину и узел крепления зенкера (рис. 3), установлены функциональные связи между геометрией инструмента, формой и размерами режущей пластины и узла крепления, и силами, действующими на них.

На основе модели сил (см. рис. 3) определено, что сила, действующая на винт, определяется так

где

Д = Г,[-С2(М4 +^4) + <МС364 + Ь3С*) + {^С* -С3</4)] +

+ 1А[сг(Ь1(1г +</1А3) + £/2(с1а3 -А^ + Мз +^с3)];

Ад =(1[а2((13Ь+ + Ь3с1А)-с12(Ь2а4 + а3Ь4) + (а3с1А -¿/За4)] + + t3[a2(bld^ -с11ЬА)-(12(Ь1аА+а1Ь1) + {с11аА +а,</4)] + + /4[-а2(^,й3 + Ьхс{3) + Л2(Ьха3-а1Ь3)-(с!1а3 +а^3)].

Реакция на скошенной опорной поверхности, вызванная силами резания

А Р

Рис. 3 - Силы, действующие на режущую пластину зенкера

где

АРг =t1[c2(b3a4+a3bi)-a2(c2bi+b3ci) + (c3a4 -а3с4)] +

+ /3[C2(V4 +61с4> + (с1а4 -«1с4)] +

+ t4[c2(alb3 -bla3) + a2{blc3 -с1Ьг) + (а1с3 -qa3)];

ах = Рх + N2 sm(cp - A); ¿i = /1 sin(£ j - ш); q = sinocos со;

dx = sinSsintcosra - f2 cos^2 sinq>2 cosco; t[ = sin со ;

a2 = Py + N2 cos((p - A); b2 = 1; c2 = co^j^j cos^;

d2 =sin5cosT + /2 eos42 coscp2; t2 =0;

a3 = Pz + F2 ;63 = j\ cos(41 - со); c3 = sinf Vo JcoslD'

(¡ъ = со$Ьсо$т+ [2 соб^2 ипфг бш«; = соб<о;

С74 = [Рг БШфСОБу + N2 СОбДсОБУ + Ру СОБфСОБу + (Р, +^2)5ту]/71 +

+ [РХ БШфБШу + Ыг СОЭДБту + Ру СОБфБШу - (Р2 + /г2)созу]/72; ¿>4 = СОБф2/?9 -/, СОБ^,/?,,, -/', БШ^, БШф^,;

с4 = соб(ф2 - 1)рп + эт^^^з,

— соб8рц + бш8соб(ф2 + х)рц +/2 соб%гр1в +/2 5т^2/?17; /4 здесь , , Р2 - составляющие силы резания; Р2, Л'2 - силы на задней поверхности режущей пластины зенкера; Д - угол отклонения стружки от нормали к главной режущей кромке; ,/2 - коэффициенты трения на контактных поверхностях режущей пластины с пазом корпуса; т,8 - углы, определяющие положение скошенной опорной поверхности пластины; ¡^ - угол, определяющий направление действия силы трения на калибрующей ленточке; <¡>1- угол конуса головки винта; £ - угол эксцентриситета; - угол, определяющий направление действия силы трения на наклонной опорной поверхности пластины; у -главный передний угол зенкера; рх ,р2 - плечи силы резания; Рэ'Рю'Рц'Ри 'РИ'Ры 'РП'Ри " плечи реакций опор и сил трения в местах контакта пластины с пазом корпуса зенкера, р12 ,/?13 - плечи силы закрепления пластины.

Анализ зависимостей (5), (6) показал, что допустимое уменьшение параметров узла крепления, и, соответственно, размеров пластины можно осуществить за счет уменьшения действия силы Ок на винт. Уменьшение силы, действующей на винт, осуществляется путем перераспределения нагрузки, создаваемой силами резания, между опорными поверхностями пластины и винтом. Установлено, что оптимальное перераспределение нагрузки между элементами узла крепления обеспечивается формой и размерами режущей пластины зенкера, а имешю, положением (параметры т, о и /,) и размерами (параметры Их, /2 и А) скошенной опорной поверхности режущей пластины, расположением осей винта и отверстия в режущей пластине относительно опорных поверхностей паза корпуса инструмента (параметры £ и е), а также коэффициентами трения /,, /2 в местах контакта пластины с пазом корпуса зенкера. Так, при значениях параметров ^ = 70.. .80°; т = 45...500; 5 = 40 . . . 45°; 12<2 мм; /,=10 мм, в установившемся процессе резания, винт не испытывает нагрузку и реакция опоры

минимальна. Увеличение значений коэффициентов трения и /2 также способствует созданию условий для надежного удержания режущей пластины в пазе корпуса инструмента силами трения. Таким образом, в установившемся процессе резания, силы резания уравновешиваются не крепежным винтом, а силами трения, имеющими соответствующую направленность за счет опреде-

ленного положения опорных поверхностей пластины относительно режущих кромок. В этом случае винт не испытывает нагрузку.

Известно, что в момент врезания инструмента существует фазовый сдвиг между постоянными времени приращения составляющей силы резания Рг и равнодействующей сил Рх и Ру. Для процесса зенкерования постоянная времени отставания приращения равнодействующей сил Рх и Ру в 1,1. . .2,2 раза больше постоянной времени силы Р2. Модель сил, действующих на режущую пластину, позволила установить, что в период врезания зенкера винт испытывает резкое увеличение нагрузки. Скачок нагрузки, действующей на винт узла крепления режущей пластины, в период фазового сдвига обусловлен уменьшением сил крепления пластины, в большей мере зависящих от составляющих силы резания Рх и ^Глтои^г^бюлъше^

В четвертом разделе выполнены экспериментальные исследования конструкций сборных комбинированных зенкеров, форма и размеры режущих пластин и узлов крепления которых спроектированы на основании исследований, представленных в предыдущих разделах работы.

Экспериментальные исследования эквивалентной силы закрепления Рэ, действующей на винт в осевом направлении, показали, что она имеет непостоянный характер и зависит от фазы процесса обработки (рис. 4). В момент ввода инструмента в зону резания наблюдается резкий скачок силы Рэ. При дальнейшем движении зенкера, сопровождаемым вводов в работу всей длины главной и вспомогательной режущих кромок пластины, происходит уменьшение силы, действующей на винт, практически до нуля. Таким образом, при установившемся процессе резания вся нагрузка, вызванная силами резания, воспринимается не винтом, а силами трения на базовых опорных поверхностях пластины.

Рис.4 - Экспериментальная характеристика изменения силы закрепления Р3

Экспериментальное значение силы <9К (см. рис. 3) определялось в зависимости от максимального значения силы Ръ из выражения

<2к=Р,кд, (7)

где кд - коэффициент, учитывающий функциональную связь Ок = / ).

Аналитическая модель сил, действующих на режущую пластину зенкера, как уже указывалось ранее, позволяет учесть фазовый сдвиг между приращением составляющих силы резания. Установлено, что теоретическое значение силы 0К, определенное в период фазового сдвига, при заданных параметрах режимов резания соответствует максимальному экспериментальному значению силы закрепления, определенному в зависимости от силы Р.3 с использованием выражения (7), и находится в доверительном интервале экспериментальных данных. Погрешность между теоретическими и экспериментальными результатами колебалась в интервале от 4,8 % до 20%. Следовательно, разработанная математическая модель адекватно отражает процессы, происходящие в узле крепления режущей пластины зенкера.

Выполненные экспериментальные исследования позволили установить влияние режимов резания на разбивание отверстий и стойкость режущей части зенкера.

Разбивание отверстий, обработанных сборным зенкером предложенной конструкции, составило 0,06. . .0,28 мм, что соответствует девятому квалитету, при экономической точности обработки инструментом такого же типоразмера, равной 0,17. . .0,34 мм, что соответствует десятому квалитету.

В результате стойкостных испытаний сборного и напайного комбинированных зенкеров установлено, что стойкость режущей части сборного инструмента на 30 % превышает стойкость составного (напайного) зенкера (рис. 5).

Рис. 5. - Сравнительный анализ стойкости режущей части:

1 - сборного зенкер предложенной конструкции;

2 - напайного зенкера;

3 - нормативной стойкости зенкеров

В пятом разделе, исходя из размеров обрабатываемых отверстий и условий заполнения стружечных канавок, определены размеры основных конструктивных элементов сборных комбинированных зенкеров.

Обоснован минимально допустимый диаметр сборного зенкера, с узлом крепления режущей пластины предложенной конструкции. Он равен 22 мм, что меньше диаметра существующих конструкций сборных зенкеров со вставными ножами, который составляет 28 мм.

Установлены законы распределения диаметров <1 и длины / ступеней инструментов, которые имеют вид:

4 ="

=Й?1<П) + («-!)■у;

(8);

А«г)

1(") ^

(9)

где. с/*, члены ряда арифметической прогрессии с нечетным порядковым номером; <?„,,■(„ - члены ряда арифметической прогрессии с четным порядковым номером; 1цк) - первые члены нечетного ряда; , /1(я) - первые члены четного ряда; к - нечетный номер члена ряда арифметической прогрессии; п - четный номер члена ряда арифметической прогрессии, гЛ , г - разно-

-V и

сти арифметических прогрессий.

В зависимости от габаритных размеров режущей части комбинированного зенкера, глубины стружечной канавки и параметров режимов резания установлена зависимость, определяющая допустимую глубину ступени отверстия, обрабатываемую без технологических выводов инструмента

№

2 К

я й\

360

-апаш

24С1А -К

(10)

- "5<1\Ь] + 8-4Ъ\

где 2 - число зубьев насадного зенкера, /3 - длина режущей части насадного зенкера, - диаметр инструмента, / - глубина зенкерования, Ьс -ширина стружечной канавки, кс - коэффициент заполнения стружечной канавки.

На основании сравнительного анализа (рис. 6) размеров стружечных канавок сборных зенкеров установлено, что разработанная конструкция зенкера имеет большую площадь поперечного сечения стружечной канавки, чем инструмент, в котором режущие пластины крепятся за счет рифлений. В интервале диаметров зенкеров от 30 до 55 мм площадь поперечного сечения стружечной канавки зенкера предложенной конструкции превосходит такую же площадь стружечной канавки зенкера с напайными зубьями, а для диаметров больших 55

с/

мм соотношение между площадями стружечных канавок обратное. Таким образом, разработанные конструкции сборных зенкеров, в которых режущая пластина крепится за счет сил трения на опорных поверхностях и винтом, можно эффективно использовать как в мелкоразмерном, так и в крупноразмерном инструментах.

мм2

250 200 150 100 50 0

1

3

2

20

40

60

80

100 А, мм

0

Рис. 6 - Зависимость площади стружечной канавки от типа зенкера:

1 - зенкер с напайными пластинами;

2 - зенкер, режущая вставка которого крепится при помощи рифлений;

3 - зенкер с предложенной конструкции узла крепления режущей

пластины

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны алгоритм и рекомендации по проектированию сборных комбинированных зенкеров с минимальными и унифицированными размерами режущих пластин и их узлов крепления, которые позволяют экономить дорогостоящие инструментальные материалы и расширить типоразмеры зенкеров сборной конструкции в сторону мелкоразмерных инструментов.

Разработанные рекомендации внедрены на Горловском машиностроительном заводе и Винницком инструментальном заводе. Экономический эффект на Горловском машиностроительном заводе за счет сокращения расхода дорогостоящих инструментальных материалов в 1,5-2 раза, многократного использования корпусов зенкеров и унифицированных оправок в 1998 году составил 12200 гривен. На Винницком инструментальном заводе за счет устранения необходимости дополнительной подточки главной задней поверхности зенкера экономится 0,55 грн на одном инструменте. Ожидаемый экономический эффект, при программе выпуска 20000 штук, составит 11000 гривен в год.

Суммарный экономический эффект от внедрения и эксплуатации сборных комбинированных зенкеров предложенных конструкций составит 23200 гривен в год.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В диссертационной работе на основе аналитических и экспериментальных исследований рабочих процессов, протекающих при зенкеровании, решена актуальная задача разработки принципов проектирования сборных комбинированных зенкеров, позволяющая создать методики их расчета, реализация которых внесет существенный вклад в развитие машиностроительного производства.

2. Разработана аналитическая модель функциональных связей между величиной подачи, размерами отверстия и параметрами режущей пластины зенкера, на основании которой установлено, что для диаметров отверстий от 10 до 120 мм и в диапазоне подач 0,9 ... 2,4 мм/об существуют значения главных задних углов инструмента, при которых отсутствует затирание главной задней поверхности с поверхностью резания.

3. На основании аналитической модели функциональных связей между толщиной режущей пластины и вспомогательным задним углом установлено, что для исключения затирания вспомогательной задней поверхности сборного зенкера с обработанной поверхностью толщина пластины должна соответствовать диаметру обрабатываемого отверстия. Так, для значения утла с^ = 10° минимальному диаметру зенкера Дп11п=10 мм соответствует предельное значение толщины режущей пластины, равное /гшах=1,67 мм, а при /?шах= 120 мм - /гтах= 20,07 мм.

4. Разработана модель сил, действующих на режущую пластину сборного зенкера, которая позволила выбрать оптимальное расположение базовых опорных поверхностей пластины, и, соответственно, направить действие сил трения противоположно действию сил резания, благодаря чему силы резания уравновешиваются силами трения.

5. Теоретически обоснована и разработана конструкция узла крепления режущей пластины, позволяющая предельно уменьшить размеры зажимных элементов, что сделало возможным расширить номенклатуру сборных зенкеров в сторону мелких размеров, до 22 мм.

6. Установлено, что размеры стружечных канавок зенкеров с предложенной конструкцией узла крепления режущей пластины превосходят размеры стружечных канавок зенкеров с креплением режущих вставок рифлениями в диапазоне диаметров 50 . . . 100 мм и напайные - в диапазоне диаметров 30. . . 55 мм.

7. Разработан алгоритм проектирования, который позволяет определить оптимальные соотношения между диаметром, длиной и размерами стружечных канавок сборных зенкеров, а также размеры узла крепления и режущей пластины.

8. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что максимальная нагрузка, действующая на винт узла крепления режущей пластины, наблюдается в период врезания режущей части, это обусловлено фазовым сдвигом между постоянными времени приращения сил Р2 и равнодействующей сил

Рх и Fy

9. Определено, что разбивание отверстий, обработанных сборным комбинированным зенкером предложенной конструкции, составляет 0,06. . .0,28 мм, что соответствует девятому квалитету, в то время как точность обработки существующим инструментом составляет 0,17. . .0,34 мм, что соответствует десятому квалитету. Стойкость режущей части предложенной конструкции сборного комбинированного зенкера на 30% превышает стойкость напайного инструмента.

10. На основе выполненных исследований разработаны рекомендации по проектированию сборных комбинированных зенкеров, которые внедрены на ОАО "Винницкий инструментальный завод" и ОАО "Горловский машиностроительный завод".

Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения и эксплуатации предложенных конструкций сборных комбинированных зенкеров составит 23200 гривен в год.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

1. Сурженко А.Н. Определение лимитирующей толщины режущей пластинки из условия кинематики протекания процесса зенкерования // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Сб. науч. тр. - Донецк: ДонГТУ, 1997. - Вып. 4. - С. 159 - 165.

2. Сурженко А.Н. Аналитическая модель закрепления сменной режущей пластины зенкера// Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Межд. сб. науч. тр. - Донецк: ДонГТУ, 1998. - Вып. 5. - С. 209 - 215.

3. Малышко И.А., Сурженко А.Н. Влияние конструктивных н геометр!гче-ских параметров зенкера на лимитирующую толщину режущей пластины// Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Межд. сб. науч. тр. в 3-х т,-Донецк: ДонГТУ, 1998. - Вып. 6. Т.2. - С. 187 - 190.

4. Сурженко А.Н. Влияние формы режущей пластины сборного зенкера на усилие закрепления // Надшшсть ¡нструменту та оптилйзащя технолопчних систем: 36. наукових праць. - Краматорськ: ДДМА, 1999. - Вип.9. - С. 39 - 44.

5. Малышко И.А., Сурженко А.Н. Структура модели проектирования сборных комбинированных зенкеров // Надежность режущего инструмента и оптимизация технологических систем: Науч. - техн. сб. - Краматорск: ДГМА, 1999.-Вып. 8.-С. 39-45.

Личный вклад соискателя в работах [3,5], выполненных автором в соавторстве: в работе [3] автором выполнен расчет на основе численного анализа лимитирующей толщины режущей пластины зенкера в зависимости от главного

заднего угла инструмента и его диаметра; в работе [5] - соискателю принадлежит разработка алгоритма проектирования сборных комбинированных зенкеров.

АННОТАЦИЯ РАБОТЫ

Суржснко А.Н. "Удосконалсния зСнрпих комбтованих зеикергв за рахунок припустииого зменшення вуз.т кршлення ри/сучих пластин ". - Рукопис.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата техшчних наук за спещ'альшстю 05.03.01. - процеси мехашчноУ обробки, верстати та шструменти. - Донецький державний техшчний ушверситет, 2000 р.

Дисертащя присвячена питаниям економп шструментальних матер1ал1в, розширенню номенклатури 36ipmix зенкер1в убж малих розм1р!в i збтыненню пропускно'Г спроможнооп стружково! канавки. Задач1 виршувалися 1НЛяхом прияустимого зменшення параметр1в вузл1в кршлення р[жучих пластин збфних комбшованих зенкер1в. Прнпустиме зменшення параметр!в вузла кр1плення до-сягнуто на 6a3i аналпичного моделювання процеав зенкерування, за рахунок усунення додаткових сил, що пов'язаш 13 затираниям головно! i допомтжно! задшх поверхонь, i зменшення навантаження, що дае на гвинт крапления, яке викликаеться безпосереднъо силами р1зання. Затирания задшх поверхонь плас-тини усунено шляхом визначення оптимально! геометрц р1жучо! частини шструмента. Зменшення навантаження, що Д1е на гвинт, здшснено за рахунок вибору форми i p03Mipifi пластини, при яких сили р1зання компенсуються силами тертя на опорних поверхнях пластини.

OcuoBui результата робота одержали апробащю i знайшли промислове застосування як рекомендацп по проектуванню зб1рних комбшованих зенкер1в на ВАТ "Вшницький шструментальний завод" i ВАТ "Горл1вський машино-буд1вний завбд".

Ключов1 слова-, задшй кут зенкера, вузол кршлення р!жучо! пластини зенкера, математична модель, алгоритм проектування.

Surzhenko A.N. "Perfecting of modular combined end reamers at the expense of a permissible abatement of mounting points of cutting laminas". - Manuscript.

The dissertation for the degree of the candidate of Technical Sciences on speciality 05:03.01. - processes of technical machining, lathes and tools - Donetsk State Technical University, 2000.

The thesis is dedicated to problems of economies of tool stuffs, dilating of the nomenclature of modular end reamers in the party small-sized size of tools and increase of throughput capacity swaft groove. The problems were decided by a boundary abatement of parameters of mounting points of cutting laminas of modular combined end reamers. The boundary abatement of parameters of a mounting point is reached on the basis of analytical simulation of processes of a coredrilling, at the expense of removal of padding forces called by overwriting of main and auxiliary flank surfaces,

and abatement of load which is operational on a screw of attachment, called directly by forces of cutting. The overwriting of flank surfaces of a lamina is removed by definition of optimum geometry of a cutting part of the tool. The abatement of load which is operational on a screw, is carried out at the expense of selection of the shape and sizes of a lamina, at which one force of cutting are indemnified accord by directional friction forces on area of bearing of a lamina.

The main outcomes of operation have received approbation and have found technical application, as the guidelines on designing modular combined end reamers, on OJSC "Vinnitsa tool plant" and OJSC "Gorlovka machine works".

Keywords: back angle of an end reamer, mounting point of a cutting lamina of an end reamer, mathematical model, algorithm of designing.

Сурженко A.H. "Совершенствование сборных комбинированных зенкеров за счет допустимого уменьшения узлов крепления режущих пластин" . -Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01. - процессы механической обработки, станки и инструменты. - Донецкий государственный технический университет, 2000 г.

Диссертация посвящена вопросам экономии инструментальных материалов, расширению номенклатуры сборных зенкеров в сторону мелкоразмерных инструментов и увеличению пространства для размещения и отвода стружки из зоны резания. Задачи решались путем допустимого уменьшения параметров узлов крепления режущих пластин сборных комбинированных зенкеров.

Допустимое уменьшение параметров узлов крепления достигается за счет устранения дополнительных сил, вызываемых затиранием главной и вспомогательной задних поверхностей, и уменьшения нагрузки, действующей на винт узла крепления.

Определение условий, обеспечивающих отсутствие затирания главной и вспомогательной задних поверхностей, осуществлено на основе аналитического моделирования кинематики процесса зенкерования.

Аналитическое моделирование кинематики процесса зенкерования позволило установить, что положительное значение кинематического главного заднего угла гарантирует отсутствие затирания главной задней поверхности зенкера у режущей кромки, но не гарантирует отсутствие затирания на всей ее протяженности. Вследствие заточки главной задней поверхности режущей пластины зенкера по плоскости существует вероятность затирания ее с винтовой поверхностью резания на определенном расстоянии от режущей грани. Аналитические модели кинематики процесса зенкерования позволили установить, что возможность затирания определяется толщиной режущей пластины, режимами резания и главным задним углом. С ростом подачи, от 0,9 до 2,4 мм/об, и толщины режущей пластины вероятность затирания главной задней поверхности с поверхностью резания возрастает.

. На основании модели функциональных связей между толщиной режущей пластины зенкера, кинематикой процесса и вспомогательным задним углом установлено, что затирание возможно и на вспомогательной задней поверхности. В данном случае вероятность касания вспомогательной задней поверхности с обработанной поверхностью возрастает с увеличением толщины режущей пластины и уменьшением диаметра обработанного отверстия от 160 мм до 10 мм.

Сравнительный анализ значений толщины режущей пластины, исходя из условия отсутствия затирания главной и вспомогательной задних поверхностей, позволил установить, что при равенстве главного и вспомогательного задних углов определяющим фактором при расчете лимитирующей толщины режущей пластины является затирание на вспомогательной задней поверхности.

Уменьшение нагрузки, действующей на винт крепления, осуществлено на базе модели сил, действующих, на режущую пластину и узел крепления. Модель позволила определить форму и размеры сменной режущей пластины зенкера, при которых силы резания в установившемся процессе воспринимаются соответственно направленными силами трения на опорных поверхностях пластины, а не винтом. Следовательно, оказалось возможным уменьшить размеры винта, и, соответственно, существенно уменьшить размеры пластины.

С целью подтверждения результатов теоретических исследований сборный зенкер с минимально возможными размерами узла крепления, и, соответственно, режущей пластины подвергся экспериментальным испытаниям, в процессе которых установлено, что нагрузка, действующая на винт, зависит от фазы процесса. Максимальная сила, воспринимаемая винтом, наблюдается в период врезания режущей части инструмента и обусловлена фазовым сдвигом между приращением составляющей силы резания Р2 и равнодействующей сил Рх и ¡'у. Постоянная времени отставания приращения равнодействующей сил Рх и Ру в 1,1.. .2,2 раза больше постоянной времени силы Р2. Таким образом, в

период фазового сдвига уменьшаются силы крепления пластины, что вызывает действие нагрузки на винт. Аналитическая модель сил, действующих на режущую пластину, позволяет учесть это явление и определить максимальную нагрузку, воспринимаемую винтом.

Л Экспериментальными исследованиями подтверждена работоспособность зенкера предложенной конструкции. Разбивание отверстий составило 0,06...0,28 мм, что соответствует точности обработки существующими конструкциями зенкеров. Результатом стойкостных испытаний явился сравнительный анализ стойкости сборного и напайного комбинированных зенкеров. Экспериментально установлено, что стойкость режущей части сборного зенкера на 30% превышает стойкость составного (напайного) зенкера.

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны принципы конструирования сборных зенкеров с минимально возможными размерами узла крепления, и, соответственно, режущей пластины. Допустимое уменьшение параметров узла крепления позволило рас-

ширить номенклатуру сборных зенкеров в сторону мелкоразмерных инструментов. Минимальный диаметр составил 22 мм.

На основании принципов конструирования разработаны алгоритм и рекомендации по проектированию сборных комбинированных зенкеров с минимальными и унифицированными размерами режущих пластин и их узлов крепления, которые позволяют экономить дорогостоящие инструментальные материалы и увеличить пропускную способность стружечной канавки.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований получили апробацию и внедрены на Горловском машиностроительном и Винницком инструментальном заводах.

Суммарный экономический эффект от внедрения и эксплуатации сборных комбинированных зенкеров предложенных конструкций составит 23200 гривен в год.

Ключевые слова: задний угол зенкера, узел крепления режущей пластины, математическая модель, алгоритм проектирования.