автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Технологическое обеспечение процессов обработки прерывистых поверхностей деталей инструментами из сверхтвердых материалов

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

^ &МАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ^_

-'-

г>' На правах рукописи

КУДРЯШОВ Евгений Алексеевич

Технологическое обеспечение процессов обработки прерывистых поверхностей деталей инструментами ив сверхтвердых материалов

05.03.01 — Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструменты

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Самара 1995

Работа выполнена в Читинском государственном техническом

университете

Официальные оппоненты —Доктор технических наук, профессор

Нерубай М.С.

— Доктор технических наук, профессор Промптов А.И.

— Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор Равва Ж С.

Ведущее предприятие — АО Читинский машиностроительный завод

Защита состоится 21 декабря 1995 г. в 10 часов в ауд. 23 на заседании специализированного совета Д. 063. 16. 02 при Самарском ордена Трудового Красного Знамени государственном техническом университете им. В.В. Куйбышева.

Адрес института: 443010, г. Самара—10, ул. Галактионовская, 141

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Просим Вас принять участие в обсуждении работы и направить свои отзывы (в двух экземплярах), заверенные печатью по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан« » 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор техн. наук, профессор

Я. М. КЛЕБАНОВ

Ускорение темпов роста машиностроения определяет научно-технический прогресс во всех отраслях народного хозяйства. Широкое применение прогрессивных технологических процессов, оснастки и оборудования, средств механизации и автоматизации способствует ■ массовому изготовлению техники новых поколений, способной дать многократное повышение производительности труда.

Поставленные задачи осуществимы на основе комплексного подхода к проблеме обеспечения стабильной высокопроизводительной работы станков и станочных систем, в том числе и за счет развития современных инструментальных материалов и технологий.

Учитывая, что трудоемкость процессов механической обработки составляет около 40% трудоемкости всех видов технологических процессов машиностроения, представляет научный и практический интерес проблема технологического обеспечения и повышения эффективности цроцессов обработки резанием. Такая обработка имеет ряд неоспоримых преимуществ перед другими конкурирующими методами обработки, что является важным фактором на фоне дальнейшего увеличения конструктивной сложности, точности и качества изготовления деталей.

Ведущая роль в изготовлении деталей сложной формы принадлежит точению, растачиванию и торцовому фрезерованию.

Детали машиностроительного назначения характеризуются обширным разнообразием форм, размеров и, как правило, имеют значительное количество поверхностей с разного рода пазами, отверстиями, выточками, создающими прерывистость резания и определенные трудности в обработке, связанные с обеспечением заданного качества.

Возможность применения композиционных инструментальных материалов, обладащих уникальными физико-механическими свойствами, позволяет усиленно использовать лезвийную обработку разнообразных материалов и поверхностей, заменяя в ряде случаев операции шлифования.

Анализ литературы по современному состоянию процессов обработки прерывистых и гладких точных поверхностей, а также производственный опыт показывают, что технические ограничения композиционных инструментальных материалов связаны прежде всего с особенностями процесса резания и дальнейшее совершенствование технологии возможно на базе углубленного изучения физических закономерностей цроцессов механической обработки.

Трудами отечественных и зарубежных ученых: Армарего И.ДК.А Зорева H.H., Кравченко Б.А., Лоладзе Т.Н., Макарова А.Д., Мата-лина A.A., Подураева В.Н., Резникова А.Н., Розенберга А.М и дрзл ми, созданы научные основы процессов обработки точных поверхностей деталей машиностроительного назначения. Однако, несмотря на имеющиеся достижения, глубина цроработки ряда фундаментальных bi росов теории ж практики обработки прерывистых поверхностей дета инструментами нового поколения уже не удовлетворяет запросам пр; тики. В настоящее время не существует теория построения процесс! обработки прерывистых поверхностей деталей композиционными лезв] ными материалами. Традиционные подходы к объяснению причин изн0( и стойкости инструмента не учитывают ряд таких важных факторов : - оптимальная установка инструмента относительно обрабатываемых поверхностей заготовок, а зависимости определения качественных : казателей носят частный характер применительно к каждому из исс, дуемых процессов и инструментов.

Таким образом, разработка теории и практики обработки прер; вистых поверхностей деталей и создание на этой базе методов про: нозирования и технологического обеспечения заданных качественны и количественных показателей является актуальной технологическо: задачей.

Изложенное определяет актуальность работы, в основу которо положены результаты теоретических и экспериментальных исследова выполненных автором в 1976-1993г.г в соответствии с Региональны программами министерства станкостроительной и инструментальной мышленности, программой проблем технологии машиностроения Акаде наук СССР и института машиноведения им. А.А.Благонравова, а так программой ускорения научно-технического прогресса Читинской об ласти на 1986-1990 годы.

Цель работы.

Разработка основ теоретических положений, определяющих вза модействие инструментов из композитов при прерывистом резании, целью повышения их работоспособности и улучшение качества обраб танкой поверхности.

На защиту выносятся следующие задачи и положения, в числе которых:

I) методология повышения работоспособности режущего инструм

га из сверхтвердых материалов на основе установления закономерностей процессов обработки с конструктивными и технологическими особенностями обрабатываемых поверхностей деталей;

2) методология выбора марок и условий применения сверхтвердых латериалов в зависимости от способа обработки и характера резания трерывистых и гладких поверхностей деталей из черных металлов;

3) физические закономерности процессов, происходящих цри чистовой прерывистой лезвийной обработке композиционными инструментальными материалами;

4) теория моделирования и оптимизации процессов лезвийной обработки точных прерывистых поверхностей деталей;

5) программное обеспечение прогнозирования качества и точности обработки от заданных параметров и технологической наследственности заготовительного производства.

Научная новизна -работы.

Научная новизна работы заключается в разработке основ теоретических положений, определявших взаимодействие инструментов из композитов при прерывистом резании, установлении технологических особенностей формирования процессов резания, исследования закономерностей использования различных марок инструментальных материалов и раскрытии механизма изменения качественных и количественных показателей процессов.

На базе выявленных закономерностей разработаны теоретические основы обработки прерывистых поверхностей, включающие совокупность взаимосвязанных моделей процесса резания.

Вскрыты и научно обоснованы задачи дальнейшего развития теории моделирования процессов в направлении совершенствования технологического обеспечения прерывистого резания и прогнозирования заданных показателей.

Показано, что указанные особенности играют решающую роль в формировании выходных параметров процесса: производительности обработки, стойкости режущего инструмента и качества поверхностного слоя.

Разработаны научно-обоснованные рекомендации построения технологических процессов чистовой обработки сложных поверхностей деталей машиностроительного назначения.

Практическая ценность и реализация -результатов работы.

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена важная научно-техническая проблема повышения эффективности процессов обработки точных поверхностей сложных деталей инструментами из сверхтвердых лезвийных материалов.

Практическая ценность работы заключается в создании фундаментальных основ технологического обеспечения процессов обработк! деталей машиностроительного назначения, в том числе и с прерывисг обрабатываемой поверхностью, инструментами из композиционных све] твердых лезвийных материалов и определяется высокой технологической, экономической эффективностью, а также большим объемом приме! ния в машиностроении и металлообработке деталей, имеющих точные прерывистые обрабатываемые поверхности.

Прогрессивные технологические процессы обработки деталей сложной формы, технические материалы на технологию обработки вне} рены на ряде ведущих машиностроительных предприятиях страны, СИ? и за рубежом, в том числе: НПО им.С.А.Лавочкина, г.Москва, Читинс кие машиностроительный и станкостроительный завода,, ТИАСУР, г. Томск, Ленинградский политехнический институт, Азербайджанский политехнический институт и др., а также на конференциях, семинарах и объединенных заседаниях кафедр в 1978-1994 годах: г.Свердловск, г.Челябинск, г.Одесса, г.Владивосток, г.Иркутск, г.Пермь, ГДР, г.Магдебург и др.

Публикации.

Основное содержание диссертации отражено в 42 научных трудам и одной монографии.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений, содержащих программное обеспечение резу; татов исследований, справочные данные, документы о внедрении результатов диссертационной работы.

Работа содержит 295 страниц машинописного текста, 100 рисункс 177'наименований литературы, 28 таблиц и приложения на 52 страницах.

Во введении обосновывается актуальность задачи повышения эф-

фективности процессов обработки точением, растачиванием и торцовым фрезерованием точных и сложных поверхностей деталей машиностроительного назначения инструментами из сверхтвердых материалов (композитами ).

В первой главе проводится анализ современного состояния вопроса исследований в области чистовой лезвийной обработки точных и сложных поверхностей деталей из черных металлов. Показано влияние условий обработки на достижение заданных качественных и точностных показателей, ставится задача необходимости разработки теоретических основ создания высокопроизводительных технологических процессов с применением лезвийных сверхтвердых материалов, выдвинуты рабочие гипотезы.

Многочисленные примеры свидетельствуют о неоспоримых преимуществах композитов перед всеми известными и применяемыми в настоящее время инструментальными лезвийными материалами.

Благодаря исследованиям Резникова А.Н..Лысанова В.С.,Карюк,-Г.Г..Боровского Г.В.Дедь В.П..Ординарцева И.А.,Пупина А.П.,Дру-чинина A.A..Кулакова Г.А..Лосевой Н.Р.,Этина А.О. и многих других ученых и практиков изучены в достаточной степени полно вопросы определения рациональной геометрии режущей части инструментов, выбор режимов обработки и другие задачи при различных условиях резания. Можно сформулировать основные области применения композитов: финишная обработка закаленных сталей и чугунов, в том числе при прерывистом резании; чистовое точение как подготовительная операция под последующую финишную обработку; чистовая обработка поверхностно закаленных материалов с мягкой сердцевиной. Однако, следует отметить противоречивость многих данных отечественных и зарубежных литературных источников, значительные расхождения рекомендуемых режимов обработки, геометрии режущей части инструментов, подбора марки композита и другое, что создает определенные трудности в практической деятельности.

Анализ результатов исследований и опыт практического использования позволяют сделать вывод о том, что проблема применения лезвийных сверхтвердых материалов в полной мере связана с принципиально новым подходом к проектированию технологических процессов обработки точных и сложных поверхностей деталей.

Разработка теории обрабатываемости прерывистых поверхностей, раскрытие закономерностей и специфики процесса, характера формирования качественных показателей, позволит ставить вопрос о рас-

пшрении технологических возможностей процессов прерывистого резания за счет разработки методов, основанных на управлении процессами и повышения за счет этого качества и производительности обработки.

Учитывая вышеизложенное, были сформулированы следующие задачи исследования:

1) разработать структурные схемы прерывистого резания и провести их систематизацию;

2) провести анализ и разработать теорию контактного взаимодействия передней поверхности инструмента при црерывистом резании;

3) оптимизировать технологические процессы обработки прерывистых поверхностей деталей инструментами из композитов;

4) изучить влияние технологических факторов на точность обработки и качество прерывистых поверхностей при резании инструментами из композитов;

5) реализовать на практике основные результаты работы.

Во второй главе проведен анализ структурных схем резания и на его основании установлены общие закономерности процессов точения, растачивания и торцового фрезерования прерывистых поверхностей инструментами из композитов. Расчетными методами проведено определение основных погрешностей деталей, возникающих в ходе обработки от изменения жесткости системы СПИД, взаимного расположения обрабатываемой заготовки и инструмента, тепловых явлении и состояния режущей части инструмента. Установлены граничные условия исследуемых технологических факторов для достижения высокой геометрической точности и качества обрабатываемых прерывистых поверхностей деталей.

Во всех исследуемых процессах кинематика резания основывается на сочетании вращательного движения инструмента или заготовки, а также поступательного движения инструмента или заготовки. Все кинематические движения влияющие на выбор схемы резания и осущест-ляемые в процессе обработки можно разделить на две группы: рабочие движения и холостые. На обобщенной схеме резания (рис.1) рабочие движения: П д , т ( р ) - вращательное движение детали при точении (растачивании); п и , р - вращательное движение инструмента при растачивании; пи »Ф - вращательное движение инструмента при фрезеровании; Э и ,Т ( р ) - поступательное движение

инструмента при точении (растачивании); Эд , р ( ф ) - поступательное движение детали при растачивании (фрезеровании).

К холостым движениям относятся: пробег инструмента на участке заготовки с отсутствием припуска (пазы, отверстия и т.п.); движения перехода от одной обрабатываемой поверхности заготовки к другой; при групповой обработке - движение перехода от одной обрабатываемой заготовки к последующей. Результатом обобщения схем рения является создание комбинированного способа прерывистого резания композиционными материалами - процесса нарезания резьб вращающимися резцами, осуществляемого как при внешнем, так и внутреннем касании инструмента и заготовки (рис.2).

Приведены сведения о взаимосвязях движения инструмента и заготовки со схемой снятия припуска и характером снимаемой стружки. Проведена систематизация объектов исследования, кодирование типов и видов обрабатываемых поверхностей.

Учитывая прерывистый характер исследуемых процессов резания имеют существенное значение условия контактирования режущих кромок инструментов и обрабатываемых поверхностей заготовок.

Уравнение передн резца

поверхности

На рис.3 представлены системы координат резца и детали, которые приняты в работе. Положение передней поверхности резца задано в системе координат Ах'у'а' углами X ( в направлении отрицательной полуоси Аг' ) и Л (в направлении положительной полуоси Аг' ), см. рис.З-а. В системе координат Охуг положение передней поверхности задано утлами р и 8 , где р - угол передней поверхности с осью УА , а 0 - утол передней поверхности с осью УА , см. рис.З-б. Вершина резца имеет координаты (О, Я , а ), см.рис.З-в.

С помощью направляицих векторов и (Образуют углыр и9 с осями АУ и АХ, соответственно) найдено уравнение вектора нормали передней поверхности а

I л к

СоэВ 0 -Бог9 О Созр-Ъигр

(I)

= (Соэр ^¡л 8, Сова • ЗСлр, Совр • СоэЭ)

Обобщенная схема резания

Рис Л

Схема комбинированного способа прерывистого резания

Рис.2

I после математических преобразований уравнение передней поверхности резца

При вращении детали боковая поверхность паза может коснуться вредней поверхности резца в любой из точек 5,Т ,и,\/, по линиям ЗТ , "ТУ , 1)У и VЭ , рис.4-а. Угол поворота £ (рис.4-6) равен

де с1 = ОБ, а= ЛИ. ; Я = ОК. , см. рис.4-в.

Полному прилеганию (контакту) детали и резца соответствуют сле-утаще критические значения углов:_ркр= ^ ; 8кр = 0; "Ьд^кр^д^-Со^;

При р<ркр касание детали и резца происходит по лиши иV , ри передняя поверхность резца поворачивается вокруг пря-

ой или прямой Тй (при У<Хкр ),рис.5-а.

В системе координат (см.рис.5) все критические сочетания па-аметров геометрии резца распологается по прямым линиям, выходящим з одной точки Р, соответствующей критическим значениям углов йкр Якр. Очевидно, что из этой же точки должна выходить линия, соот-зтствуидая касанию передней поверхности резца и боковой поверхнос-и паза по линии йТ . Математически получено уравнение прямой на лоскости в координатных осях и , проходящей через точку Р

х"к98 + у^р + 2 = тдр + а

(2)

Нахождение критических параметров резца

(3)

Яш + (4)

Чтобы построить прямую, найдем еще одну точку, лежащую на не{ Найдено: 0; Бт^/Сов^+^^о (5)

• Значение (5) представлено геометрически на рис.5-6. Из геометрических построений находим положение дополнительных точ« прямой: СХК = ЗСл.1^ ; ОК = • биъ^/Соб(6)

ОК = 1дЯ , а продолжение прямой КР за точку Р соответствует касан резца и паза детали на прямой $Т .

Полученные линии делят всю плоскость -1дХ на четыре * ти с общей вершиной в точке Р, каждая из которых соответствует касанию детали и передней поверхности резца в одной из точек Э , Т или V . Полностью диаграмма критических углов приведена на рис.6. Анализ математических зависимостей и диаграммы (рис.6), игле ют место в случае выбора углов X иЯ в зонах между линиями Т1/ -и иV — \/-Б , при контакте детали с передней поверхностью ре; ца в точке и

В табл.1 и 2 приведены расчетные зависимости влияния расположения места контакта на ожидаемую стойкость инструмента. Результа' расчета подтверждают, что наиболее благоприятен контакт инструмен: и детали в точке и , а затем в точках Т и V ,так как в этих ус. виях начальный удар (врезание) смещается от вершины зуба (резца) : точку, максимально от нее удаленную.

Таблица I

Влияние расположения заготовки на стойкость фрез (Композит 10, СЧ 21)

Ре- Парамет ры расположения и расчетные данные Ожида- . Ви;

жимы 8 «1 емая ко:

реза мм > ^бх Обых стойк, та

ния мин

0 0° 90° 90° 0° 90° 0,1 0 100

2,5 м/с; 10 9°35 80°23 56°27 33°33 66° 02 0,099 0,035 106 <

52 = 20 Т9°27 70°33 41°46 48°14 61°13 0,094 0,075 115 1

мм/ 30, 30° 60° 30° 60° 90° 0,096 0,087 75 N

зуб 40 41°46 48°14 19°27 70°33 61°13 0,075 0,034 30 \

1= од 50 56°27 33°33 9°35 80°25 66°02 0,055 0,044 19 У(

мм

Схемы координат резца и детали

Рис.3

Рис.4

Схема критических сочетаний параметров геометрии резца

Диаграмма критических углов

\

Рис. 6

Таблица 2

Зависимость стойкости от точки контакта (Композит 10, Сталь 45)

[ерация Параметры расположения и расчетные данные Стойкость, мин Вид контакта

SS Я К,мм

'очение -12 45 35 5 12 2,764 40,2 и

2,635 34,6 т

2,016 29,7 V

1,877 20,6 5

Застачи-зание -4 42 33 4 9 2,591 32,3 и

2,433 28,9 т

2,023 23,3 V

1,699 15,1 5

Средний коэффициент трения определен по методике Б.А.Крав-энко, допуская постоянство нормального давления и силы трения, эйствутощих по задней поверхности инструмента, а такта условия, го они ко зависят от толщины среза "а".

Используя известные математические формулы Крамера решаем ;1стему уравнений:

Rnja =

Ру-JJ -SLntf Рз-GL CosS

Cos -Sui& Sin К Cos&

= [(РуCos*+ (f*. - a)- Sl^]/(Cos2tf + Sme I) ■

= (py-ыу cosY+(p¿-a> SuiY =>> j^=[(py-M>cosY+(p2-ay SUXXJ/Pj/

Так как значеше JA не зависит от Я и Q. , то

-J/*COS*-Q.*SLRK-0 => tgy --J//QL, y=cractg.VA Cos IS Rj-^i Slatf Рг-О.

—————- = (fe - ay Cos^- (pr j/)« smx]/i=(p2 - a> CosV-

Coso -Suitf .

Suxtf CDS'»- -(Pb-M)* S^*, (7)

Умегашение угла X приводит к снижению значения ^М , что сс ответствует классическим представлениям, согласно которым влияние переднего угла на средний коэффициент трения связано с изменение» удельного давления на передней поверхности.

Наряду с нормальным давлением, которое испытывает передняя поверхность инструмента, она подвергается также действию и сил трения, возникающих на поверхностях контакта стружки с передней поверхностью. Возникающая деформация способствует шоршгровашпо погрешности.

Разработаны аналитические зависимости позволяющие определит] погрешности обработки деталей с прерывистой поверхностью, возникающие в продольном направлении вследствие деформации технологической системы и ее элементов

а) точение

0,225«? «-^-+ # (8)

б) растачивание _

Л Г- (1-Я'К-га / 1 1 \

Ар =-=- т~_"—' (9)

где: Р - площадь обрабатваемой поверхности; » ^ ~

динамический коэффициент; Е. - модуль упругости; деформа-

ция станка; - диаметр оправки; К - коэффициент прерывистости резания; - расстояние между резцами на оправке; кесткость кронштейна и шпинделя станка.

в) тепловые деформации

(Ю)

где Л - плотность стружки; С - теплоемкость нагретой стружки;

Б - ширина стружки; Кус - коэффициент усадки стружи; с1 -удельный вес стружки; Ь - длина контакта стружки и инструмента;

- сила трения на задней поверхности инструмента; М - сила трения нормальная к передней поверхности инструмента; оС и V -задний и передний угол; К - коэффициент прерывистости резания.

Найдены расчетные предельно допустимо границы режимов резания для обеспечения заданной точности обработки и шероховатости.

а) обработка стали:

точение 0,06 < S 4 0,I4t + 0,06,mi/об

(I,5+I,8)< V< (4,0+4,2),м/с растачивание 0,И<84 0,I2t + 0,04,mi, (0,6+I,0)<V< (2,6+3,5),м/с

б) обработка чугуна:

точение

(II)

(12)

0,07 < Э < 0,Ш + 0,07,ш/об (3,5+4,2) < У< (7,5+5,2),м/с растачивание 0,03< Б < 0,15Ь + 0,03,мм/об (2,0+2,5)<\/< (8,0+3,0),м/с В третьей главе рассматривается процесс изнашивания инструментов из различи« трок композитов. Экспериментально за конец периода стойкости инструмента при чистовой обработке прерьшистых поверхностей деталей взят момент достижения величины шероховатости -1,25 ш, принятый за технологический критерий. Принятому технологическому критерию соответствует высота площади износа по задней поверхности инструмента равная К^^ 0,35+0,40 мм.

Проведена электронная микроскопия и наблюдения за образованием и ростом площадки износа. Так, в первоначальный период резания наблюдается повышенный износ инструмента, связанный с процессом приработки и компенсируемый частично температурным удлинением режущего элемента (рис.7).

Зависимость пути резания от износа инструмента при и - контакте

(а-резание стали 45; б-резание СТ 21) а) , б)

ъ, мм 0,<1 о.ъ од

ОД

— —

-7 иг d-

1 —^ ь

у

0,Ц

о.ъ 0,2 0,1

Ъ 6 9 (2. 15 (8 L.KM

Рис.7. (1-композит 01; 2,3-композит 10; пунктир S -контакт)

Имеют место два действующих и взаимосвязанных процесса: истирание (износ рабочих поверхностей инструмента при трении о поверхность заготовки) и выкрашивание (разрушение рабочих поверхностей инструмента под действием динамических нагрузок процесса резания) . Продолжение резания сопровождается ростом температуры,что подтверждается образованием нароста и в течение некоторого времени стабилизацией износа. Наличие нароста на передней поверхности свидетельствует с том, что при малых скоростях резания имеет место адгезионное взаимодействие незначительной интенсивности. Увеличение скорости резания приводит к преобладанию химико-абразивного износа. Несмотря на то, что на участке 2 (рис.1'7) износ инструмента приобретает стабильный характер, на кривой износа имеются часто повторяющиеся пики. Причиной их появления являются адгезионные вырывы. Срыв защитных слоев приводит к поверхностным микро- и макровыкрашиваниям режущего элемента. Температурное и абразивное воздействие обрабатываемого материала и сколотых частиц режущей части инструмента интенсифицируем величину износа, причем превалирующим является износ по задней поверхности. Наблюдается резкое увеличение адгезионных вырывов инструментального материала, затекания в них обрабатываемого материала.

Производственные испытания показали, что относительно малый размерный износ инструментов из композитов позволяет при и -контакте обрабатывать детали достаточно большими партиями со стабильной точностью не грубее 6-7 квалитета и шероховатостью не выше 1,25 мкм.

С целью нахохздения оптимальных геометрических параметров режущей. части инструмента с помощью методов математического планирования реализован комплекс полных факторных экспериментов.

Наиболее существенное влияние на стойкость инструмента оказывает место контакта, а также величина и форма вершины режущей вставки. Прямолинейная режущая кромка сформированная в процессе резания самозатачиванием имеет большую стойкость, чем предварительно получаемая.

Степень влияния заднего угла на стойкость инструмента выше, чем переднего. При прочих равных условиях увеличение заднего угла до 10 градусов значительно повышает стойкость. Но при указанном значении заднего угла и выше происходит ослабление режущей

кромки вследствие уменьшения прочности. Наличие положительного угла наклона главной режущей кромки уменьшает ударно-импульсную нагрузку на вершину инструмента, т.к врезание происходит от периферии режущей кромки к вершине, что особенно вагдо при прерывисто!: резании.

В рекомендуемом диапазоне режимов резания наблюдается наиболь-■шая стойкость инструмента. При меньших скоростях резания работоспособность падает, размерный износ увеличивается и имеет место максимальная величина силы резания. Низкая работоспособность сохраняется и при скоростях резания выше рекомендуемых, когда лимитирующим фактором становится не износ, а хрупкое разрушение режущей части инструмента. В зоне рекомендуемых режимов резания стойкость инструментов при прерывистом точении, растачивании и торцовом фрезеровании выше непрерывного резания. Повышение режимов резания при обработке прерывистых поверхностей деталей до верхних максимально допустимых значений позволяет за счет увеличения стойкости инструмента повысить производительность процесса.

В четвертой главе рассмотрены вопросы связанные с определением наиболее важных показателей формирующих и определяющее качество обработки прерывистых поверхностей деталей инстурументами из различных марок композитов: точность исполнительных размеров, геометрическая характеристика, физико-механическое состояние обработанной поверхности детали.

Найдены и обоснованы математические зависимости ожидаемой в результате обработки шероховатости поверхности от изменения геометрических параметров режущей части инструмента и режимов резания при различных местах контакта обрабатываемых поверхностей и инструмента. Показано каким образом изменение состояния обрабатываемой поверхности (прерывистость резания) влияет на формирование качества и точности обработки.

Исследования показали, что при чистовой обработке прерывистых поверхностей (сталь 45, чугун СП 21) в поверхностном слое обработанных деталей реньгенографически зафиксированы лишь фаза (низкая твердость заготовок), - фаза и фаза (заготовки высокой твердости). Отмечено некоторое снижение остаточного аустени-та по сравнению с содержанием его в исходном состоянии, что связано с отпускными процессами, развивающимися в поверхностном слое

то

из-за тенловнделснпя при резании. Обработка стал: п чугуна сопровождается изменениями в тонкой кристаллической структуре поверхностного слоя. Структура металла становится мелкозернисто;!, он упрочняется на 10*15$ при наклепе на глубину до 200 мм. На обработанных поверхностях образуются растягивающие тангенциальные н осевые напряжения. Увеличение износа приводит к росту растягивающих напряжений глубина проникновения которых относительно мала. В более глубоких слоях растягивающие напряжения переходят в напряжения сжатия, которые повышают предел выносливости детали; глубина их распространения находится в диапазоне 550-600 т.ткм. Изменение осевых напряжений аналогично изменению тангенциальных, но окх меньше в 1,7-2,2 раза. Возрастание усилий резания и продолжительности их воздействия на обрабатываемую поверхность приводит к позкшению степени и увеличению глубины распространения наклепа. Увеличение прерывистости резания уменьшает продолжительность теплового воздействия и примерно на одну треть снижает величину и глубину наклепа.

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что при прерывистом резании верхние слои металла имеют меньшую температуру, разность температур верхних и глубинных слоев меньше, чем при непрерывном резании и наблюдается преобладание остаточных напряжений сжатия повышающих предел выносливости детали и благоприятно сказывавшихся на ее качестве.

Увеличение радиуса при вершине режущей вставки и изменение переднего угла от положительных к отрицательным значениям усиливает степень пластической деформации и повышает наклеп. Возрастание скорости резания сокращает наклеп и уменьшает глубину его распространения. Увеличение подачи приводит к противоположному результату.

Методом Бокса-Уилсона получены оптимальные значения геометрической части режущих вставок композитов для различных условий пре-рывситого резания.

В исследуемом диапазоне режимов резания минимально возможному значению шероховатости обрабатываемой поверхности соответствуют минимальное значение подачи и максимальное скорости резания. Вместе с тем малые значения подачи нежелательны, так как это связано с падением производительности процесса, а величину скорости резания помимо параметра "Яа лимитируют стойкость инструмента и требования, предъявляемые к точности обработки. Поэтому, в зависимости

Таблица 3

Рекомендуемые геометрические параметры при I) - контакте

Инструментальный Обрабаты- Твердость , У. г ,

материал ваемый ма- Н Р. С/113 град град ш

териал

сталь 45 25 8 -10 0,4

Композит 01 сталь 45 50 10 - 6 0,3

СЧ 21 170 8 - 4 0,5

СЧ 21 240 о - 3 0,3

стать 45 25 9 -10 0,4

Композит 03 сталь 45 50 10 - 7 0,3

СЧ 21 170 10 - 8 0,5

СЧ 21 240 12 - 5 0,3

сталь 45 25 6 -13 0,4

Композит 10 сталь 45 50 12 - 8 0,3

СЧ 21 170 7 - 9 0,6

СЧ 21 240 9 - 3 0,3

от заданного чертежом детали и технологией обработки сочетания "форма обрабатываемой поверхностинугатериая заготовки-вид обработ-ки-инструментальный материал", пользуясь рекомендациями табл.3, можно назначать режимы резания, обеспечивающие наряду с высокой производительностью лучшее качество обработки.

Наблюдения за шероховатостью обрабатываемой поверхности за период стойкости инструмента (рис. 8-9 ) показывают, что период приработки (для черных металлов около I км) сопровождается высокой шероховатостью. По мере резания микропрофиль становится равномерным и определяется формой вершины инструмента и величиной подачи. При достижении технологического критерия Иа = 1,25 мкм процесс резания должен быть прекращен.

Большой объем экспериментальных исследований и практическое внедрение результатов работы позволили установить границы допуска на прерывистость обработки равную (X—35)% всего пути резания при

обработке заданной поверхности. Цри соблюдении вше указанных рекомендаций чистовое точение, растачивание и торцовое фрезерование прерывистых поверхностей деталей обеспечивает стабильную точность 6-7 квалитета цри Ко = 0,32+1,25мкм.

Б пяток главе рассмотрены вопросы связанные с созданием и ио пользованием моделей для последгщего получения искомой информащг о сиотемах более высокого порядка и построения комплексной модели

Зависимость шероховатости от продолжительности обработки

Рис.8. (I)—композит 03; (2)-композит 01; (З)-композпт сталь 45; и -контакт

Рис.9. (I)-композит 03; (2)-ког.шозит 01; (З)-композит: СЧ 21; 1) -контакт

технологического процесса обработки прерывистых поверхностей инструментами из композитов. Создание модели предполагает качественно новую форму исследования-установление целостного понятия процесса-не только оптимизацию его отдельных характеристик, а нахождение взаимосвязей конструкции и геометрии инструмента с режимами резания, материалом заготовки и режущей части инструмента, условиями обработки, схемой снятия припуска, состоянием системы СПИД и др.

Применение математической теории эксперимента и ее раздела-планирование эксперимента, следует рассматривать в качестве нового подхода к исследованию, в котором математическим методам отводится активная роль на всех этапах; исследования. Наличие математической модели является необходимой предпосылкой оптимизации проектируемого технологического процесса и создает предпосылки адаптивного управления им.

Располагая имеющейся информацией, объемом практического и теоретического материала в области исследования процессов обработки точных прерывистых поверхностей деталей, получена комплексная модель технологического процесса прерывистого резания инструментами из композитов.

Решение этой сложной задачи требует решения группы предварительно поставленных задач: I) анализ имеющейся информации об исследуемом процессе для нахождения рациональной области исследуемых величин; 2) установление математических зависимостей, ограничений исследуемых величин; 3) планирование эксперимента; 4) реализация эксперимента; 5) корреляционный анализ результатов исследования; 6) проверка адекватности полученной математической модели; 7) принятие решения.

Применение метода крутого восхождения позволило при минимально возможном количестве опытов получить качественные оценки влияния отдельных факторов и их взаимодействий на изучаемый параметр с высокой достоверностью и точностью результатов.

Раннее проведенными исследованиями сформирована система уравнений технических ограничений, определяющих оптимальные параметры управления процессами чистовой обработки прерывистых поверхностей деталей из черных металлов. В качестве примера приведем геометрическое изображение математической модели процесса (рис. 10).

На графике множество точек, образующих площадь треугольника, ограниченного точками ВАС, является треугольником возможных решений. Функция Jo , подлежащая оптимизации, имеет шах в точке С. Координаты точки С дадут оптимальные значения: Xj opt и Ъ^ opt , а сумма координат (Xj + Xg) будет наибольшей. Находя значения Xj opt и Xg opt можно установить оптимальные значения параметров V и S для управления процессом резания при различных видах кое такта заготовки и инструмента.

Результаты исследований, проведенные по вышеизложенной методике позволили получить комплекс объемных геометрических моделей (рис. II), позволяющих назначать оптимальные режимы резания, выбирать оптимальную геометрию инструмента.

Математическая модель процесса прерывистого резания

US)

Рис.10

Проектируемый технологический цроцесс формируется из отделъ-ых, взаимосвязанных ходом его осуществления, операций механичес-ой обработки. Б свою очередь эти операции могут быть реализованы азличными способами обработки. Однако, в любом из вариантов про-ктируемого технологического процесса можно выделить четыре этапа: аготовительный, черновой, чистовой и отделочный, на которых фор-ируется качество обрабатываемой детали. Целевая функция такого роцесса имеет следующий вид:

U

С = £ CL,jl , (13)

'vi

Пример объемной геометрической модели

S,mm/O5

Подача (мм/об)

3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 Рис.И (Сталь 45, композит 10)

где С - стоимостный критерий оптимизации; - стоимость опер;

ции обработки; I = ( Л - число операций); Д = I, М^М^.-число переходов в 1-ой операции).

Число возможных вариантов технологического процесса определ?

ется

ТП = ™(1) ТП(2) ™(3) ^ -ш(р-1), (14)

где ТГ^ - возможный вариант технологического процесса; Р - число де тале й-операций.

Схема вариантов технологического процесса

Рис. 12

Решая уравнение (14), с помощью переходных матриц, методом кса-Уилсона, согласно принятой схеме проектируемого технологичного процесса (рисЛй), получена математическая модель процесса щв из фрагментов которой представлен уравнением (15):

"Rol = 2,78 - 0,84d - I.48JÍ - 9,27С + I,IT, (15)

Как следует из уравнения (15), значение параметра оптимиза-л Ra возрастает с увеличением стойкости инструмента-Т, умень-¡нием точности обработки-d, числа операций-Я и себестоимости >работки-С. Созданная методика построения оптимального процесса ¡работки инструментами из композитов опробована и внедрена в про-шодство и показала высокую надежность.

В шестой главе показаны возможные пути и примеры использова-ся полученных результатов в совершенствовании технологии обработ-i прерывистых поверхностей деталей.

Приведены примеры автоматизированного поиска и нахождения оп-шального сочетания инструментального обеспечения, конструктивных ¡обенностей обрабатываемой поверхности, технологических требова-1Й с помощью современной вычислительной техники.

Предполагается кошлексный технико-экономический анализ, поз-эляюций из нескольких возможных вариантов выбрать один с лучшими жазателями (техническими, организационными и экономическими).

Внедренные разработки позволили получить экономический эффект i ряде машиностроительных предприятий в сумме 407,9 тыс.руб.(в знах 1989 г.).

выводы

Разработаны научные основы процессов обработки прерывистых верхностей точных деталей машиностроительного назначения инструм тами оснащенными различными марками композиционных материалов, п волившие решить научную проблему повышения производительности пр цессов резания, обеспечивающую дальнейшее повышение эффективност этих прогрессивных инструментальных материалов.

На основе теоретических положений разработаны научно-обосно ванные технологические решения повышения работоспособности режут го инструмента из композиционных материалов, установлены законом ности процессов обработки с конструктивными и технологическими о бенностями обрабатываемых поверхностей деталей и сформулированы задачи дальнейшего развития в направлении совершенствования техн - логического обеспечения прерывистого резания и прогнозирования з данных показателей технологических процессов.

Проведенный комплекс исследований по проблеме повышения рас тоспособности режущего инструмента за счет раскрытия основных зг кономерностей процессов обработки точных прерывистых поверхносте деталей, а также установления закономерностей использования раза ных марок инструментальных материалов и раскрытия механизма изме нения качественных и количественных показателей процессов, позвс ляет сделать следующие вывода:

1) установлено, что эффективным направлением повышения рабе тоспособности реаущего инструмента из композитов является обрабс ка разнообразных по своим конструктивным и технологическим хара* теристикам поверхностей деталей из сталей и чугунов средней тве| дости;

2) разработана и реализована методология создания и исследс вания структурных схем процессов на основании которой получена обобщенная схема процесса прерывистого резания;

3)на основе теоретического обобщения выполненных исследова и изучения структурных схем резания разработан и нашел цромышлез ное применение комбинированный метод прерывистого резания резьб резцами из композитов по схеме "вихревого нарезания";

4) в результате анализа процессов, происходящих в зоне рез; ния найдены оптимальные условия контакта обрабатываемых поверхн(

й и инструмента, а также зависимости устанавливающие предельно пустимые уровни режимов резания, границ допускаемой прерывности обработки;

5) развиты представления о механизме изнашивания композици-гных инструментов: наблюдаются два действующих и взаимосвязанных юцесса - истирание и выкрашивание рабочих поверхностей инстру-жта. Имеет место процесс образования нароста, оказывающего бла-шриятное влияние на повышение работоспособности инструмента- В лестве технологического критерия, соответствующего периоду стой-юти инструментов из композитов, взят момент достижения Яа= 1,25 м. Принятому технологическому критерию соответствует высота ющадки износа по задней поверхности инструмента 0,35*0,40

л;

6) в зоне рекомендуемых режимов резания стойкость инструмен-эв при прерывистом точении, растачивании и торцовом фрезеровании ше непрерывного резания. Повышение режимов резания яри обработ-з прерывистых поверхностей позволяет за счет увеличения стойкос-1 инструмента повысить производительность процесса;

7) из геометрических параметров на точность и качество обра-отки наиболее существенное влияние оказывает форма вершины реяу-ей части, затем передний угол и задний угол инструмента. Вследст-ие увеличения радиуса при вершине и изменения переднего утла от оложительных к отрицательным значениям, усиливается степень плас-ической деформации и повышается наклеп;

8) глубина и степень распространения наклепа находятся в пря-:ой связи с микротвердостью поверхностного слоя, на увеличение оторой основное влияние оказывают режимы резания и форма вершины еяущей части инструмента. С их ростом увеличивается силы резания :оторые способствуют упрочнению поверхностного слоя;

9) методами математического моделирования в совокупности с ■еоретическими, экспериментальными методами и производственными :спытаниями определены оптимальные технологические параметры ис-¡ледуемой технологической системы. Построена комплексная модель ,'ехнологического процесса прерывистого резания инструментами из ;омпозитов;

10) создание модели процесса обработки прерывистых точных говерхностей деталей предполагает качественно, новую форму ис-

следования - установление целостного понятия процесса и оптимизацию не только его отдельных характеристик, а установление взаимосвязей конструкции и геометрии инструмента с режимами резания, ма териалом и технологической наследственностью заготовки, схемой снятия припуска, состоянием системы СПИД и др.;

11) математическую теорию эксперимента и ее раздел - планирование эксперимента, следует рассматривать в качестве нового под хода к исследованию, в котором математическим методам отводится аквтивная роль на всех этапах исследования;

12) на основании теоретических и экспериментальных исследова ний разработан комплекс конструкторско-технологический решений и рекомендаций, направленных на дальнейшее повышение эффективности процессов обработки точных поверхностей детали, включая прерывистые.

Экономический эффект от внедрения результатов настоящей рабо ты составил 407,9 тыс .рублей (в ценах 1989 года).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1. Кудряшов Е.А. ,Сон Ф.К. Расточка чугуна резцами из эльбора-Р. Информационный листок № 113-74 Читинского межотраслевого территориального центра научно-технической информации и цропаяан-ды, Чита,1974,2с.

2. Кудряшов Е.А. Обработка чугуна резцами из эльбора-Р //М.: НИШАМ, Алмазы и сверхтвердые материалы, 1975, Ш.-с. 19-21.

3. Кудряшов Е.А. ,Чекин Г.И. .Черняков М.К. Чистовое растачивание отверстий чугунных деталей резцами из КНБ. Информационный листок $ 34-76 Читинского межотраслевого территориального центра научно-технической информации и пропаганды, Чита, 1976,2с.

4. Бирюков Б.Н.,Кудряшов Е.А. Чистовое растачивание деталей из чутуна инструментом из эльбора-Р и исмита //Киев. :Наукова Думка,Синтетические алмазы,1977, II.-с.23-24.

5. Кудряшов Е.А.. Приспособление для вихревого нарезания резьб. Информационный листок 116-77 Читинского межотраслевого территориального центра научно-технической информации и пропаганды, Чита,1977,2с.

6. Кудряшов Е.А. Чистовое растачивание чугунных деталей резцами из гексанита-Р/Д1.:НИИМАШ, Алмазы и сверхтвердые материалы, 1977, -с.9.

7. Кудряшов Е.А. ,Чекин Г.И. Растачивание резцами прерывистых поверх:--ностей стальных и чугунных деталей. Информационный листок №142— 77 Читинского межотраслевого территориального центра научно-технической информации и пропаганды, Чита,1977,2с.

8. Кудряшов Е.А. Применение резцов из эльбора-Р и сверхтвердых материалов и других модификаций при чистовом растачивании чугунных деталей //М. :НИИМЖ, Металлорежущий и контрольно-измерительный инструмент, 1977,1512. -с. 1-4.

9. Кудряшов Е.А. Опыт применения инструмента из сверхтвердых материалов на Читинском станкостроительном заводе /Д1.:Станки и икс трумент,1979,№.-с.27.

10. Кудряшов Е.А.,Талонов Ю.Н. Исследование поверхностного слоя деталей, обработанных прерывистым резанием //Станки и инстру-

■ мент.-М.:1980,ВЭ.-с.28-29.

11. Кудряшов Е.А. Исследование физико-механического состояния поверхностного слоя деталей. Информационный листок /560-80 Читш ского межотраслевого территориального центра научно-технической информации и пропаганды,Чита,1980,5с.

12. Кудряшов Е.А. Исследование температуры резания и стойкости резцов при чистовом прерывистом точении. Информационный листок №62-80 Читинского межотраслевого территориального центра научно-технической информации и пропаганды,Чита, 1980,3с.

13. Кудряшов Е.А. Теоретическое определение угла схода стружки щ прерывистом резании сверхтвердыми материалами. Информационны! листок $63-80 Читинского межотраслевого территориального цена ра научно-технической информации и пропаганды, Чита, 1980,4с.

14. Кудряшов Е.А. Качество обработки прерывистых поверхностей деталей //Качество поверхности деталей машин.-Душанбе,198I.-

с.30-31.

15. Кудряшов Е.А. Исследование технологических особенностей обработки прерывистых поверхностей деталей инструментами из сверз твердых материалов:Автореф.дщс....к-та техн.наук.-Одесса: Одесский политехничекий институт,1981.-16с.

16. Кудряшов Е.А. Технологические особенности обработки прерывистых поверхностей деталей //Повышение производительности и качества механической обработки.-M.: 1983,с.33-34.

17. Кудряшов Е.А. Исследование модификаций КНБ для лезвийной обра ботки прерывистых поверхностей деталей //Машиностроению прогрессивную технологию и высокое качество.-Тольятти,1983,с.79-80.

18. Кудряшов Е.А. Чистовое растачивание отверстий деталей с приме нением композитов //Новый технологический процесс в машиностроении .-Воронеж, 1984,с.47-48.

19. Кудряшов Е.А. Влияние ударной нагрузки на качество обработки-деталей резцами из гексанита-Р//Станки и инструмент.-М.:1984, М,-с. 25-26.

20. Кудряшов Е.А. Технологические особенности обработки деталей на станках с ЧПУ //24-я научная конференция Восточной Сибири. Улан-Удэ,1985,с.63-64.

21. Кудряшов Е.А. Влияние прерывистости поверхности деталей на ка чество их обработки композитами//Повышение эксплуатационных свойств деталей. -Иркутск, 1985, с.82-88.

2. Кудряшов Е.А. Оптимизация процессов прерывистого резания инструментами из композитов. Информационный листок Щ5-86 "Читинского межотраслевого территориального центра научно-технической информации и пропаганды,Чита, 1986,26с.

3. Кудряшов Е.А. Оптимизация процессов прерывистого резания инструментами из сверхтвердых материалов//Интенсификация технологических процессов механической обработки.-Л.: 1986,с.86-88.

А. Кудряшов Е.А. Лезвийные сверхтвердые материалы (обработка прерывистых поверхностей деталей из черных металлов).-Иркутск.: Изд-во ИЛУ,Монография,1987.-72с.

15. Кудряшов Е.А. Применение инструментов из композитов //Прогрессивный твердосплавный инструмент.-Свердловск,1987,с.26-27.

¡6. Кудряшов Е.А. »Яковлева И.В. Моделирование процессов прерывистого резания инструментами из композитов //Станки и инструмент -М.:1987, №9,с.121-127.

¡7. Кудряшов Е.А. Метода и алгоритмы управления качественными характеристиками процессов прерывистого резания //Автоматизированное проектирование и моделирование техпроцессов.-Свердловск, 1987,с.19-20.

28. Кудряшов Е.А. Разработка САПР ТП обработки инструментами из композитов //Применение САПР в машиностроении.-Свердловск,

1989,с.33-34.

29. Кудряшов Е.А. Влияние теплофизических факторов на качество обработки прерывистых поверхностей инструментами из композитов //Теплофизика технологических процессов.-Куйбыше,1988,с.212-213.

30. Кудряшов Е.А. Технология обработки точных прерывистых поверхностей инструментами из композитов //Инструментальное обеспечение автоматизированных систем механообработки.-41ркутск,

1990,с.37-38.

31. Кудряшов Е.А. Использование инструментов из композитов в автоматизированном производстве //Повышение эффективности и уровня использования станков с ЧПУ.-Свердловск,1990,с.55-56.

32. Кудряшов Е.А. Определение влияния конструктивно-технологических параметров на точность и качество обработки прерывистых поверхностей деталей //Перспективные направления развития машиностроения Забайкалья. -Чита, 1991, с.5-8.

33. Кудряшов Е.Л. Зависимость стойкости инструментов из композитов от изменения геометрических параметров режущей части //Совершенствование технологических процессов.-Курган, 1991, с.103-107.

34. Кудряшов Е.А..Бабешко В.Н. Особенности эксплуатации инструмента при обработке прерывистых поверхностей //Проблемы... механики. -Благовещенск, 1993, с44-47.

35. Кудряшов Е.А..Бабешко В.Н. К вопросу оптимизации процессов обработки черных металлов композитами '//Вестник машинострое! -М.,1993, ЖЕ2, с.27-29.