Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 8
1.1. Технологическое обеспечение качества рабочих поверхностей деталей машин при механической обработке 8
1.2. Классификация характеристик качества поверхностного слоя. Основные показатели дефектов поверхностного слоя 10
1.3. Обеспечение бездефектной обработки поверхностей при высокоскоростном резании 11
1.4. Цель и задачи исследования 18
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ПРОЦЕССОВ РЕЗАНИЯ НА ДЛИТЕЛЬНОСТЬ БЕЗДЕФЕКТНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 23
2.1. Влияние конструкторско-технологических факторов процесса трехстороннего резания на длительность бездефектной обработки 23
2.2. Влияние режимов резания на интенсивность затупления дисковых пил 36
2.3. Анализ влияния теплофизических факторов на образование дефектов при высокоскоростном резании и на длительность процесса износа режущих элементов инструмента 43
2.4. Выводы , 49
3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 50
3.1. Разработка общей методики теоретических и экспериментальных исследований 50
3.2. Оборудование, оснастка, инструмент 50
3.3. Расчет требуемых режимов резания 51
3.4. Условия и порядок проведения экспериментов 55
3.5. Методика обработки результатов экспериментальных исследований 59
3.6. Результаты экспериментальных исследований 65
3.7. Выводы 97
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ 98
4.1. Влияние скорости при трехстороннем резании на температуру контакта обрабатываемой поверхности с режущей кромкой зуба дискового инструмента 98
4.2. Оценка величины износа режущей части дискового инструмента, определяющей начало образования дефектов 100
4.3. Влияние конструкторско-технологических факторов на величину критического износа режущих элементов дискового инструмента 105
4.4. Влияние теплофизических факторов и режимов резания на величину критического износа режущих элементов дискового инструмента 108
4.5. Выводы
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 114
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 115
ПРИЛОЖЕНИЕ 123
- Технологическое обеспечение качества рабочих поверхностей деталей машин при механической обработке
- Влияние конструкторско-технологических факторов процесса трехстороннего резания на длительность бездефектной обработки
- Разработка общей методики теоретических и экспериментальных исследований
- Влияние скорости при трехстороннем резании на температуру контакта обрабатываемой поверхности с режущей кромкой зуба дискового инструмента
Введение к работе
Актуальность.
Производство продукции высокого качества при минимуме затрат является главной технологической задачей. Ее решению посвящено большое число работ, относящихся к управлению технологическими процессами, теории резания и инструмента, технической физике и другим областям знаний, направленных на создание и развитие прогрессивных технологических; н производственных процессов. В настоящее время, когда продукция должна обладать конкурентной способностью, решение основной технологической задачи в машиностроении приобретает особенную актуальность. Настоящая работа посвящена задаче дальнейшего повышения эффективности механообрабатывающего производства за счет снижения трудозатрат и одновременного повышения качества продукции, а также позволяет исключить основные дефекты формируемой поверхности на операциях механической обработки, а именно: прижогн и заусенцы, без введения дополнительных чистовых и отделочных операций.
Цель работы.
Повышение эффективности трехстороннего резания на операциях механической обработки на основе управлення конструкторско-технологическими факторами, исключающего образование прижогов и заусенцев при длительной эксплуатации инструмента на высоких скоростях резания.
Научная новизна работы заключается в:
получении аналитических зависимостей, позволяющих прогнозировать прижоги и величины заусенцев, в зависимости от конструкции инструмента и технологических факторов процесса обработки;
определении параметров инструмента и режимов обработки, позволяющих длительно и бездефектно проводить технологический процесс на высоких скоростях резания;
создании новой конструкции дискового сегментного инструмента трехстороннего резания, защищенного патентом на изобретение РФ.
Методы исследования.
Для достижения поставленной цели, использован метод математического моделирования технологических операций, выполняемых режущим инструментом. При моделировании были использованы основные положения ' управления технологическими процессами машиностроения; теории резания; общей физики и теплофизики, в частности, термодинамики; молекулярно-механической теории трения и износа, а также основы дифференциальной и аналитической геометрии; вычислительной математики. Численный, количественный прогноз осуществлялся с помощью средств вычислительной техники^ Результаты прогнозирования прошли экспериментальную проверку в производственных условиях на предприятиях.
Практическая ценность.
В результате проведенных исследований получена методика, позволяющая выбирать параметры конструкции инструмента и режимы резания, которые дают возможность вести бездефектную механическую обработку длительный период времени до заданного износа инструмента. Это повышает качество обработанной поверхности и существенно снижает трудоемкость изготовления деталей машин за счет исключения финишных отделочных операции.
* Достоверность полученных результатов подтверждается корректным применением соответствующих математических моделей, а также теоретическими и экспериментальными исследованиями и использованием в производстве.
Реализация работы.
Материалы диссертационной работы внедрены на машиностроительных предприятиях России. Процессы бездефектной распиловки использовались на ПО «Муроммашзавод» при изготовлении из проката молдингов бытовых холодильников и на ПО КАМАЗ при изготовлении заготовок для колец синхронизаторов коробок скоростей автомобилей семейства КАМАЗ.
На ФГУП «ПО» Октябрь» проводится научно-практический проект по совершенствованию технологических процессов обработки деталей на станках сЧПУ.
Авробацня работы.
Основные положения, выводы и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах Института конструкторско-технологнческой информатики РАН; на международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения» - ТЕХНОЛОГИЯ-2003 (Орел, 2003); на IX международной научно-технической конференции «Современные тенденции развития транспортного машиностроения и материалов» (Пенза, 2004); на IV Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» (Пенза, 2004); на расширенном заседании лаборатории J61 «Интегрированные автоматизированные машиностроительные системы» ИКТИРАН.
Публвкацив,
По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ.
Структура и объем работы
Технологическое обеспечение качества рабочих поверхностей деталей машин при механической обработке
Основы технологического обеспечения качества обработанных поверхностей заложены в фундаментальных исследованиях Исаева А.И. [21], проведенных в ЦНИИТМАШе.
К основным показателям качества рабочих поверхностей деталей машин принято относить:
волнистость;
шероховатость и ее параметры;
наклеп (глубина и степень);
остаточные напряжения;
структуру (фазовый и химический составы).
Точность поверхности и ее показатели (согласно Госстандарта) были вынесены в обособленный раздел. Рядом фундаментальных работ Зорева Н.Н., Грановского Г.И., Лоладзе Т.Н., Третьякова И.П., Боброва В.Ф., By СВ., Зипунникова Н.А., Исаева А.И., Командури А.И., Кузнецова В.Д., Макарова А.Д., Резникова А.Н., Ханина Н.В. и других [13,15,20,21,23,37,41,42,62,77] было определено, что касательные остаточные напряжения первого рода (аТ), имеющие знак (+) (сжимающие), благоприятно сказываются на выносливости и износостойкости обработанной поверхности, а отрицательные напряжения (растягивающие) производят обратный эффект.
На этом основании можно увязывать процесс образования растягивающих остаточных напряжений (аг) со знаком (-) с наличием высокой температуры на обрабатываемой поверхности, что приводит к прижогам -дефекту поверхности, всегда определяемому визуально по цветам побежалости. Для прижога также характерно изменение структуры материала поверхности.
Наиболее существенно прижоги проявляются при всех процессах шлифования. Данные явления при шлифовании объясняются шаржированием абразивного инструмента, т.е. его «засаливанием» стружкой или потерей режущей способности абразивного инструмента за счет потери режущих свойств его элементов - зерен.
При лезвийной обработке прижоги являлись редкостью и объяснялись в основном [13,16,20] затуплением инструмента, снижением подачи жидкой смазочно-охлаждающей среды (СОС), не правильным выбором режимов резания. В практике механической обработки прижоги обнаруживались достаточно часто в основном при трехстороннем резании, т.е. при профильном резании одновременно тремя кромками, что характерно для операций резки или распиловки дисковым инструментом.
Образование заусенцев это отдельная категория дефектов обработанных резанием поверхностей. Заусенец иногда соизмерим с технологической шероховатостью [13,20], но чаще всего он превышает ее по величине на краях обработанной поверхности, т.е. там, где имеет место врезание или так называемый «сбег» инструмента - выход его из зоны резания.
Однако, независимо от того, соизмерима ли величина заусенца с технологической шероховатостью или превышает ее, наличие самого заусенца значительно снижает качество обрабатываемой поверхности.
Исследователи, занимающиеся качеством поверхностного слоя, в своих работах [9,11,20,21,40,44,45,79] связывали появление заусенцев с пластическим течением металла в зоне резания, с износом инструмента и с режимами резания.
На первый взгляд использование результатов данных исследований могло бы позволить избежать появления заусенцев при резании, однако, на практике считалось непроизводительно работать с малыми подачами, а образующиеся заусенцы стали удалять дополнительными операциями -абразивной, ударной и виброударной обработкой. Это можно объяснить отсутствием теплофизического анализа процесса резания в аспекте расчета значений мгновенных температур, характеризующих нагревание обрабатываемых поверхностей, что особенно важно современного высокоскоростного резания материалов.
Влияние конструкторско-технологических факторов процесса трехстороннего резания на длительность бездефектной обработки
1. Разработать физико-механическую модель процесса образования заусенцев, которая должна:
а) учитывать теплофизические явления, характерные для образования прижогов;
б) управлять временем бездефектного высокоскоростного, трех
стороннего резания, реализуемого дисковым инструментом.
Данная модель кроме этого должна включать в себя следующие факторы:
конструктор ско-технологические параметры;
возможные схемы резания;
физико-механические и теплофизические свойства обрабатываемых материалов, а также материалов, из которых изготовлен инструмент.
2. Спрогнозировать количество дефектов на операции распиловки дисковым инструментом при трехстороннем резании.
3. Сравнить производственные и экспериментальные результаты с расчетными данными модели и определить степень достоверности прогноза.
4. Реализовать высокоскоростную распиловку дисковым инструментом в производственных условиях.
5. Разработать конструкторско-технологические рекомендации.
Рис.2. Кинематическая схема трехстороннего резания
Из данной схемы видно, что максимальное значение сечения стружки по подаче (т) (без учета динамических факторов) равно подаче на зуб инструмента (т = Sz). Величина подачи на зуб дискового инструмента определяется известным выражением:
SM - скорость движения подачи в (мм/с); z - число зубьев инструмента (пилы); пи- частота вращение пилы в (с" ).
Как было уже указано выше, условие синхронизации скорости движения тележки с дисковой пилой со скоростью движения трубы,
позволяет иметь время на рез в пределах tp - 0,3 -ь 0,6(с),
При диаметре трубы Д = 100 (мм), минутная подача составляет SM - 333 166 (мм/с). Используемые в настоящее время дисковые пилы диаметром DM 710 (мм) имеют максимальное число зубьев ZM = 120, а частоту вращения пи 50 -25 (с"1). С учетом этих значений, максимальное значение сечения стружки по вектору подачи составит т = 0,0555-0,06 (мм). Если принять во внимание радиальное и осевое биение зубьев пилы, то сечение стружки по вектору подачи может достичь значения т = 0,065 (мм).
При ширине пропила равном ширине зуба пилы (Ь), согласно данных работ [1,23,26,28], значение результирующей силы резания можно рассчитать по уравнению:
где: QR= 0в (1 + 1,35 у/) разрушающее значение напряжения в (Па);
ав. предел прочности обрабатываемого материала в (Па);
if/ - коэффициент его утонения. Из данных работы [26] следует, что результирующая сила резания является составляющей двух сил (Рх) и (Рг), действующих на кромку зуба (режущий клин).
В виду того, что режущая кромка зуба пилы имеет симметричные углы в плане ( р), обеспечивающие обратный конус при трехстороннем резании, то сила (Ру) уравновешена, и мы ей будем пренебрегать, (кроме того, данная составляющая определяется вектором действия (FR) на скосе кромки под углом ( р)).
Следовательно, как на инструмент (зуб) так и на материал действует две силы резания (Рх) и (/ определяющие результирующую силу:
Поскольку в указанных выше работах рассматривается только сила (FR), определим более точно значение сил (Рх) и (Pz), что, несомненно, окажется важным для определения причин образования заусенцев и прижогов. Обратимся к (рис. 2,2), где изображена схема силового взаимодействия режущего элемента инструмента с материалом.
Разработка общей методики теоретических и экспериментальных исследований
Для проведения экспериментальных исследований использовалась производственная установка для стационарной распиловки труб среднего диаметра D 100 (мм), по своим техническим характеристикам полностью соответствующая установке, применяемой на прокатных станах, скорость движения труб на которых равна 833 (м/мин) = 13,9 (м/с). Это определяет время необходимое на одно возвратно-поступательное движение пилы: хдех = 1,2 (с) или время реза Зг = 0,6 (с). Следовательно, 0,168(м/с).
На установке возможно использование инструмента - дисковой пилы Dff = 560 + 800 (мм). Частота вращения пилы имеет два диапазона пи -1500 (об/мин) и пИ = 3000 (об/мин). Для контроля за образованием заусенцев использовался дисковый инструмент двух конструкций:
1. пила дисковая цельная DM = 700(мм), ZM = 96. Материал сталь ХВГ с HRC (62 64) с цементацией зуба до HRC 68, 6= 5 (мм);
2. пила дисковая сегментная, оснащенная сегментами из быстрорежущей стали марки Р6М5, Ви 700(мм), 2И = 700, твердость зубьев HRC (62 64), 6= 4(мм). Пила оригинальная. На конструкцию пилы получен патент на изобретение [32].
Влияние скорости при трехстороннем резании на температуру контакта обрабатываемой поверхности с режущей кромкой зуба дискового инструмента
Выполняя экспериментальные исследования, были реализованы процессы бездефектной распиловки проката (труб), при анализе которого обнаружили, что зависимость температуры на контакте (Тпк), как определяющей характеристики установившегося износа, имеет экстремальный и асимптотический характер от скорости резания (V), что видно из (рис. 4.1).
Зависимость температуры на поверхности контакта (Тпу) режущей кромки со стружкой от скорости резания (V)
Это справедливо если, при моделировании резания рассматривать этот процесс, как высокочастотный импульсный процесс теплоизлучения. Очевидно, что тепловое насыщение материала режущей кромки, определяемое прекращением роста значения температуры выше отметки (Ткр) объясняется, (как ранее считалось для стационарного источника), не только наступлением теплового баланса при теплообмене с окружающей средой, а именно характером теплоизлучения - импульсностью. Именно для импульсного источника функция Т„к = f(V) имеет экстремальный и асимптотический характер, независимо от дополнительного теплообмена с окружающей средой.
Анализируя графическую зависимость (рис.4.2) можно сделать следующие заключения:
существуют две скорости резания, при которых будет протекать установившийся износ: (Vj) и (V2), где (V2 Vi). Следовательно, возможно либо при той же стойкости иметь рост производительности, либо при той же производительности сократить расход инструмента;
при создании определенных условий, возможно равенство температуры деструктивных превращений (7 ) и критической (Ткр) Тогда при резании нет (кроме объективных физических) препятствий для бесконечного роста производительности резания, при одновременном росте стоимости инструмента.
Проведенные в предыдущей главе экспериментальные исследования для подтверждения адекватности полученных во второй главе зависимостей влияния конструкторско-технологических факторов на величину критического износа режущих элементов дискового инструмента трехстороннего резания показали, что расхождение между теоретическими и экспериментальными данными не превышает 7%, поэтому для дальнейшего анализа и расчетов были использованы, в основном, теоретические зависимости.
