автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Теоретические основы оптимизации режущей части лезвийных инструментов

\ /

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Томский политехнический университет

11

IрезидиУФ^дашт ГПУ в г. Юрге

исудал учену-с- :тепень ДОКТО! ¡На правах рукописи

(решение от

Петрушин Сергей Иванович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖУЩЕЙ ЧАСТИ ЛЕЗВИЙНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ

Специальность 05.03.01 Процессы механической и физико-технической обработки,

станки и инструмент

Диссертация на соискание ученой степени доктора

технических наук

Юрга -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................................................ 5

Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ................................................. 11

1.1. Трактовка понятия оптимальности.................................... 11

1.2. Оптимальная геометрия режущей части............................ 12

1.3. Композиционные материалы как основа для оптимизации материала режущей части......................................................... 15

1.4. Оптимальное проектирование конструкций и композиционных материалов................................................... 18

1.5. Цель и задачи исследования............................................... 21

Глава 2. ЭЛЕМЕНТЫ МЕХАНИКИ НЕСВОБОДНОГО РЕЗАНИЯ МЕТАЛЛОВ........................................................... 25

2.1. Схема стружкообразования с единственной поверхностью сдвига......................................................................................... 25

2.1.1. Зона стружкообразования для частных видов режущей кромки........................................................................................ 35

2.1.2. Угол схода стружки и траектория ее движения по передней поверхности................................................................ 47

2.2. Схема стружкообразования с развитой зоной деформации 55

2.2.1. Построение полей линий скольжения при свободном резании........................................................................................ 56

2.2.2. Определение напряжений в зоне стружкообразования ... 81

2.2.3. Построение областей пластической деформации при несвободном резании................................................................. 93

2.3. Связь между составляющими силы резания и контактными нагрузками.......................................................... 109

2.4. Выводы по главе 2............................................................... 117

Глава 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ СТр,

ПАРАМЕТРОВ РЕЖУЩЕЙ ЧАСТИ............................................................................121

3.1. Оптимизация формы передней поверхности по критерию

стойкости........................................................................................................................................................................123

3.1.1. Взаимосвязь между контактными нагрузками и износом

режущей части........................................................................................................................................................123

3.1,2.0беспечение равномерного износа передней поверхности 133

3.2. Исследование оптимальной формы режущего клина по критерию прочности......................................................................................................................................136

3.2.1. Режущий клин с фаской........................................................................................................158

3.2.2. Режущий клин с округленным лезвием........................................................162

3.3. Исследование оптимальной формы режущей части в

плане......................................................................................................................................................................................170

3.4. Оптимальность стружколомающих элементов режущей

части........................................................................................................................................................................................183

3.5. Выводы по главе 3..............................................................................................................................192

Глава 4. ОПТИМИЗАЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА В РЕЖУЩЕМ

КЛИНЕ..............................................................................................................................................................................195

4.1. Элементы теории упругости анизотропного режущего

клина......................................................................................................................................................................................196

4.1.1. Двухклинная анизотропия................................................................................................202

4.1.2. Трехклинная анизотропия................................................................................................208

4.2. Распределение модулей упругости в равнопрочном режущем клине.............................................................................212

4.2.1. Нагружение сосредоточенными силами......................................................212

4.2.2. Нагружение распределенными нагрузками..............................................222

4.3. Условия отсутствия межслойных трещин в СТр. композиционном режущем клине............................................................................................228

4.4. Выводы по главе 4................................................................................................................................237

Глава 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..........................................................................240

5.1. САПР режущих инструментов со сменными многогранными пластинами............................................................................................................240

5.1.1. Характеристика и описание работы системы....................................241

5.1.2. Математическое обеспечение системы..........................................................248

5.1.3. Выводы по разделу 5.1................................................................................................................259

5.2. Режущие свойства двухслойных пластин из Томала-10..........260

5.2.1. Методика проведения исследования................................................................265

5.2.2. Лабораторные исследования обрабатываемости серого чугуна Томалом-10..........................................................................................................................................267

5.2.3. Производственные испытания Томала-10 при обработке валков холодной прокатки..................................................................................................................271

5.2.4. Выводы по разделу 5.2................................................................................................................272

5.3. Технология производства СМП из многослойных

композиций..................................................................................................................................................................273

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................................................282

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..............................................289

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Преобразование координат при переходе

от станочных координат к инструментальным и обратно................302

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Резец сборный проходной с механическим

креплением пластины квадратной формы из Томала-10..................306

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Резец сборный проходной упорный с механическим креплением пластины трехгранной формы из

Томала-10......................................................................................................................................................................307

ВВЕДЕНИЕ

Существование оптимальных геометрических параметров режущей части установлено многочисленными экспериментами по исследованию режущих свойств различных лезвийных инструментов из разных инструментальных материалов при обработке разнообразных металлов и сплавов. Определение оптимальной геометрии в настоящее время требует проведения трудоемких стойкостных испытаний. Так из личного опыта автора время получения одной кривой износа и, соответственно, одной точки на стойкостной зависимости с измерением топографии износа, силы и температуры резания, шероховатости обработанной поверхности и других сопутствующих процессу резания явлений, составляет 6-8 часов без учета времени на подготовку экспериментальной установки, инструмента и обрабатываемой заготовки. Для прогрессивных марок инструментального материала с высокой износостойкостью это время еще более увеличивается. По данным фирмы SANDYIK COROMANT на ее экспериментальных установках в исследовательских целях ежегодно истирается около 25000 режущих граней в год и при этом снимается до 180 тонн стружки. Поэтому задача расчетного определения оптимальных с определенной точки зрения формы, размеров и материала режущей части представляет собой актуальную проблему как для теории резания, так и для практики металлообработки.

В основу диссертационной работы положены теоретические исследования вопросов механики несвободного резания материалов (Глава 2), проведенные с целью определения исходных параметров процесса, необходимых для оптимального проектирования режущей части. Предложена и аналитически описана схема стружкообразования с единственной поверхностью сдвига, которая позволяет определять начальный угол и траекторию схода стружки. На основе теории линий скольжения разработана схема образования стружки с развитыми зонами первичных и

вторичных пластических деформаций как при свободном, так и при несвободном резании. С помощью этого подхода получена возможность расчета напряженного состояния в любой точке пластической зоны и контактных нагрузок на передней поверхности инструмента. Установлена также связь между технологическими составляющими силы резания и параметрами распределения контактных нагрузок.

На основе полученных данных в Главе 3 сформулированы критерии оптимальности и проведена оптимизация геометрических параметров режущей части инструмента. При этом разработана методика оптимизации углов как режущего клина, так и углов режущей части в плане.

Отдельно рассмотрена задача оптимизации распределения физико-механических свойств инструментального материала режущей части (Глава 4), актуальная при создании композиционных режущих элементов. С помощью теорий упругости и термоупругости решена задача оптимизации двух- и трехклинной анизотропии режущего клина, а также разработаны оптимальные проекты равнопрочного режущего клина. Кроме того исследованы условия отсутствия межслойных трещин при спекании режущих композитов.

Практическая значимость результатов проведенных исследований подтверждена разработанной оптимизационной САПР сменных многогранных пластин (СМП), изучением режущих свойств двухслойных композитов из Томала-10 и разработкой оригинальной технологии получения многослойных СМП.

На защиту выносятся:

— схема образования стружки при несвободном резании с единственной условной поверхностью сдвига;

— аналитические выражения для описания верхней границы условной поверхности сдвига как для режущей кромки общего вида, так и для частных ее случаев;

— методика и формулы для определения начального угла схода стружки при несвободном резании;

— концепция определения траектории движения стружки по передней поверхности режущей части;

— схемы полей линий скольжения в первичной и вторичной пластических зонах стружкообразования при свободном резании;

— методика расчета нормальных и касательных контактных нагрузок на передней поверхности инструмента;

— идентификация пятна силового контакта стружки с передней поверхностью и описание формы областей пластических деформаций при несвободном резании:

— формулы связи между составляющими силы резания и параметрами распределения контактных нагрузок при несвободном резании;

— комплексные критерии оптимальности геометрических параметров режущей части;

— сущность взаимосвязи между контактными нагрузками и износом режущей части и условия обеспечения равномерного изнашивания передней поверхности;

— методика оптимизации формы передней поверхности инструмента по целевой функции прочности и аппроксимации этой формы фаской и округлением режущего лезвия;

— методика оптимизации геометрии режущей части в плане;

— развитие теории упругости и термоупругости для анизотропного режущего клина;

— условие постоянства радиальных напряжений в режущем клине как критерий оптимальности распределения свойств инструментального материала;

— оптимизация двух- и трехклинной анизотропной режущей части;

— уточнение понятия прочности и равнопрочности режущей части;

— оптимальные проекты равнопрочной композиционной режущей части инструмента;

— введение ограничения на отсутствие межслойных термических трещин в оптимизацию физико-механических свойств инструментального материала;

— блоки оптимизации и математическое обеспечение системы автоматизированного проектирования токарных инструментов с СМП;

— методика компьютерного проектирования специальных форм СМП по различным критериям оптимальности;

— результаты экспериментальных исследований режущих свойств двухслойных СМП из Томала-10;

— технология получения объемно-анизотропных СМП;

Научная новизна заключается в следующем:

1. Для несвободного резания материалов предложена и экспериментально проверена гипотеза о постоянстве угла сдвига в направлении схода стружки, на основе которой построена и аналитически описана схема стружкообразования с единственной условной поверхностью сдвига (УПС).

2. Аналитически установлено и экспериментально подтверждено, что угол начального схода стружки при несвободном резании полностью определяется формой режущей кромки и сечением срезаемого слоя. Разработана концепция определения траектории движения стружки по передней поверхности и ее завивания после окончания силового контакта.

3. Разработаны математические модели и построены схемы полей линий скольжения в первичной и вторичной зонах пластических деформаций при свободном и несвободном резании, которые позволяют рассчитать напряженное состояние в любой точке как внутри этих зон, так и на контактных площадках режущей части.

4. На основе изучения экспериментальных данных сформулированы условия оптимальности геометрических параметров режущей части по критериям равномерного изнашивания и равнопрочности режущего клина и разработаны расчетные методики оптимизации формы режущей части.

5. Впервые предложен метод оптимизации распределения модуля упругости инструментального материала в режущей части с ограничениями оптимального проекта по межслойным трещинам и экономичности.

Практическая ценность работы:

1. Создан комплекс частных методик для определения на стадии проектирования лезвийных инструментов геометрических параметров их режущей части, включающей в себя расчеты оптимального переднего угла, равнопрочной формы передней поверхности, параметров

v 1 к/ и

упрочняющей фаски, радиуса округления режущих лезвии, оптимальной величины угла наклона главного режущего лезвия и формы стружколомающего порожка по различным критериям оптимальности. Комплекс включает в себя также методики расчета необходимых для оптимизации исходных данных (угол начального схода стружки, параметры распределения контактных нагрузок, составляющие силы резания и т. п.).

2. Построены равнопрочные проекты композиционного материала режущей части, позволяющие создать новый класс инструментальных материалов - многослойных объемно-анизотропных композитов. Разработаны рекомендации по предотвращению появления межслойных термических трещин, возникающих при изготовлении и эксплуатации многослойных композиций.

3. Разработана система автоматизированного проектирования токарных инструментов с СМП, отличающаяся от существующих

наличием блоков оптимизации и специфическим математическим обеспечением.

4. Получены экспериментальные данные по режущим свойствам двухслойных композиционных СМП из Томала - 10 при обработке закаленной стали и серого чугуна.

5. Предложена и экспериментально отработана технология получения многослойных заготовок СМП из различных материалов и установлены перспективные композиции инструментальных материалов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 138 наименования и приложений. Общий объем диссертации 307 е., из них 245 страниц основного текста и 111 иллюстраций на 62 страницах.

Все результаты, представленные в диссертации, получены лично автором или под его руководством.

Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТА

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Трактовка понятия оптимальности

Слово "оптимум" по латыни означает "наилучший" и является производным от имени богини плодородия и урожая Опы [95]. Научный термин "оптимум" в современном значении был введен Г. Лейбницем в XVIII веке. В наше время понятие оптимума и оптимальности получили точное обоснование в работах Р.Беллмана по математическому программированию [10] и Л.С. Понтрягина [94] - в теории оптимального управления.

После формулировки принципа максимума Понтрягина в научных кругах, в том числе связанных с машиностроением, стали с осторожностью относится к применению термина "оптимальный", так как он требует четкого ответа на вопросы о функции цели, критериях оптимальности, ограничениях и др. Предлагается даже [101] в тех случаях, когда в исследовательских задачах невозможно составить систему уравнений Эйлера для какого-либо функционала, или последний отсутствует, заменять понятие "оптимальность" понятием "рациональность". Следует заметить, что большинство задач прикладного характера не имеют того уровня формализации, который требует теория оптимальных систем, и запрет на использование здесь термина "оптимальность" является, на наш взгляд, неразумным. В тоже время его применение требует некоторого уточнения.

Предлагается трактовать понятие оптимальности в широком и узком смысле. В широком смысле оптимальный объект имеет наилучшие характеристики желательного свойства или наихудшие - нежелательного свойства, а процесс достижения этих качеств называется оптимизацией. При этом оптимизация может быть проведен