Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ состояния вопроса 9
1.1 Материалы, которые обладают высокими демпфирующими свойствами 9
1.2 Устойчивость процесса резания 24
1.3 Разновидности державок сборных резцов 37
1.4 Выводы по главе 54
ГЛАВА 2 Компьютерное исследование с целью выбора рациональной конструкции виброгасящих вставок в державке токарного резца 55
2.1 Объект исследования 55
2.2 Компьютерное исследование напряжений, деформаций и частот собственных колебаний державок резцов при помощи программного комплекса Solidworks Simulation 57
2.3 Компьютерное исследование напряжений, деформаций и частот собственных колебаний державок резцов при применении демпфирующего материала во вставке державки при помощи программного комплекса Solidworks Simulation 67
2.4 Анализ полученных результатов компьютерного исследования напряженно деформированного состояния державок сборного токарного резца 70
2.5 Выводы по главе 74
ГЛАВА 3 Компьтерное исследование тепловых процессов сборных токарных резцов 76
3.1 Тепловые процессы технологической системы при механической обработке 76
3.2 Проведение компьютерного исследования температурных полей режущего инструмента при помощи программы Solidworks и Solidworks Simulation 80
3.3 Выводы по главе з
ГЛАВА 4 Экспериментальное статическое и вибрационное исследования сборных токарных резцов 87
4.1 Статическое исследование 87
4.2 Вибрационные исследования 99
4.3 Выводы по главе 103
ГЛАВА 5 Исследование влияния модифицированных державок сборных токарных резцов на их демпфирующие свойства при резании материалов 104
5.1 Цель проведения экспериментальных исследований 104
5.2 Проведение однофакторного эксперимента с целью определения влияния режимов резания на вибрации и шероховатость поверхности обрабатываемых материалов 106
5.3 Оптимизация шероховатости и вибрации при механической обработке с применением метода Тагути 119
5.4 Выводы по главе 198
5.5 Рекомендации по выбору оптимальной конструкции виброгасящих вставок державки сборного токарного резца 200
Заключение 202
Список литературы
- Устойчивость процесса резания
- Компьютерное исследование напряжений, деформаций и частот собственных колебаний державок резцов при помощи программного комплекса Solidworks Simulation
- Проведение компьютерного исследования температурных полей режущего инструмента при помощи программы Solidworks и Solidworks Simulation
- Вибрационные исследования
Устойчивость процесса резания
В работе [97] разработан слоистый КМ, в состав которого входят высокопрочные и высокотвердые структурные и демпфирующие волокнисто-полимерные слои. Такой слоистый КМ обеспечивает высокую прочность и демпфирующее свойство. В качестве волокна использовали углерод или высокопрочные волокна, например арамидные волокна, а в качестве полимера — эпоксидную резину марок Ероп 828, Narmco 5208, Hercules 3501 и Fiberite 938. Общая структура может иметь слоистую или пористую конструкцию.
Одной из разновидностей КМ является полимербетон. Основой полимербетона являются природные камни - граниты, галька, известняки; а связующим - синтетические смолы. Одной из разновидностей полимербетона является синтегран. Синтегран представляет собой высоконаполненный композиционный материал, состоящий из полимерного связующего на основе эпоксидных смол, высокопрочного минерального заполнителя типа габбра-диабаза и мелкодисперсного наполнителя. Чем больше количество связующего, тем больше демпфирующие способности у синтеграна [15, 81]. Составы синтеграна подразделяют на сверхжесткие, жесткие, нормальные, пластичные и сверхпластичные. Такое разделение является условным и характеризует технологические особенности исходной смеси и физико-механические свойства синтеграна в зависимости от содержания полимерного связующего. Основные физико-механические и эксплуатационные свойства синтеграна аналогичны природному граниту. Синтегран в основном заменяет чугуны и натуральные граниты. Из синтеграна изготавливают делали с высокой коррозионной стойкостью и с малой теплопроводностью; базовые детали станков; приборы и другое оборудование [11]. Детали, изготовленные из синтегарна по сравнению с чугуном имеют более высокую демпфирующую способность (в 4-6 раз), низкую теплопроводность (в 20 раз ниже чем у чугуна), высокую коррозионную стойкость, высокую размерную стабильность, благодаря чему увеличивается точность изготовливаемой детали и при их использовании в конструкции режущего инструмента повышается стабильность режущего инструмента [11, 91].
По сравнению с натуральным гранитом трудоемкость изготовления деталей из синтеграна при механической обработке снижается. К тому же, из синтеграна можно изготовить такие конструкции детали, которые невозможно получить из натурального гранита [ПО].
Сравнительные анализы работы [89] показали, что эффект демпфирования синтеграна значительно выше чем эффект демпфирования серого чугуна (почти в 3 раза). При ипользовании синтеграна производители координатно-измерительных машин компании ITW Philadelphia Resins Polymer Casting Division в США наблюдали повышение сроков службы режущих инструментов и улучшение качество поверхности получаемой детали. В немецкой компании ElbShliff Werkzeugmachinen при ипользовании этого КМ наблюдали уменьшение вибрации и неустойчивости как функции от изменения температуры.
Исследование в работе [82] на технологические особенности процесса точения конструктивно-сложных поверхностей деталей инструментов из композитов подтверждает высокую работоспособность инструментального материала и возможность обеспечить стабильно высокое качество (Ra=0,63-1,25 мкм) в широком диапазоне резания. Результаты этого исследования внедрены в машиностроительные предприятия Курской области, что позволило получить суммарный экономический эффект в размере более 400 тыс. рублей, в ценах 2006-2011 г.
Сравнительные анализы в работах [1, 72, 74] показали, что при использовании синтеграна в державке токарных резцов снижается вибрация; охлаждается режущая пластина и державка; демпфирующая способность державки повышается в 8—12 раз и стойкость державки по сравнению с державками резца из стали повышается на 25—30% и снижается шероховатость обработанной поверхности в 1,5—1,7 раза при одинаковых режимах резания.
Керамика - это поликристаллический материал, влияющий на конкурентоспособность и уровень промышленной продукции. По сравнению с металлическими и полимерными материалами керамические материалы имеют высокую коррозионную стойкость и низкую плотность и за счет изменения структуры возможно регулировать свойства материала в широких пределах.
По составу керамику делят на кислородную и бескислородную, боридную, карбидную, нитридную и др. Кислородная керамика состоит из оксидов металлов и неметаллических элементов (магния, бериллия, алюминия, циркония, кремния, титана).
В качестве сновы оксидной керамики применяется оксид алюминия (А1203), в котором добавлют оксид циркония (ZrCb) чтобы предотвращать образование трещин. В результате материал имеет повышенную химическую стойкость, но недостаточную термостойкость.
Смешанная керамика, усиленная карбонитридами титана или карбидами (Ti(C,N), TiC), обладает повышенной теплопроводностью и прочностью. Если армировать керамику нитевидными кристаллами карбида кремния (SiCw) с применением СОЖ повышается ее прочность. Такая керамика используется для обработки сплавов из никеля [23, 33, 73, 84].
Удлиненные кристаллы керамики на основе нитрида кремния (Біз ) образуют материал с высокой прочностью. Пластины, изготовленные из керамики с нитридами кремния для обработки серого чугуна успешно применяются, однако их применение для обработки других материалов ограничено из-за их недостаточной химической стойкости. Керамика сиалон (SiAlON) обладающая улучшенной химостойкостью и прочностью самоармирующейся структуры из нитрида кремния, идеально подходят для обработки жаропрочных сплавов [49].
Компьютерное исследование напряжений, деформаций и частот собственных колебаний державок резцов при помощи программного комплекса Solidworks Simulation
Свойства материала стали 40Х. резцедержателе в направлении Z, которая постоянно действует на площадках и составляет 15000 Н для каждого болта и сила резания, которая имеет постоянную и переменную составляющую, действующая в направлениях X, Y и Z. Постоянная сила резания приложена к вершине резца и составляет 2000 Н [12]. При динамических нагрузках сила резания является переменной во времени и равна 30% от постоянной силы резания.С помощью команды «External Loads» были установлены внешне нагрузки, действующие на модель. На рис.2.5.а. показан пример модели после простановки нагрузок и опор при статическом анализе. Следующим этапом является генерирование моделей на конечно-элементые сетки, который осуществаляется при помощи команды «Mesh». На рис.2.5.б. в качестве примера показана сетка конечных элементов цельнометаллической модели.
Таким образом, исследуемые модели готовы для расчета статического анализа, который начинается после нажатия на команду «Run». Продолжительность расчета зависит от применяемого процессора и числа конечных элементов модели. На следующих рисунках представлены результаты, полученные при статическом анализе.
На рис.2.6 в качестве примера показаны поля эквивалентных напряжений по Мизесу, статические перемещения и деформации в элементах конструкций при действии статических нагрузок для цельнометаллической модели при вылете 50 мм. По полученным результатам видно, что для обоих резцов с уменьшением величины вылета перемещение вершины резца уменьшается, однако под действием статических нагрузок это значение у цельнометаллической модели меньше чем у модели с отверстиями в державке, так как сечение державки второй модели ослабляется из-за отверстий в державке.
Любая конструкция вибрирует на определенных частотах, которые называются собственными частотами. Собственные частоты имеют определенные формы, которые называются формами колебаний и принимаются моделью при вибрировании на этой частоте. При анализе рассматривается форма колебаний, которая соответствует первой гармонике собственных колебаний. Так как при этой гармонике возникает наибольшая амплитуда относительных колебаний. Кроме этого, вторая гармоника совпадает с формой колебаний, при которой свободный конец державки резца не перемещается, а собственная частота третьей гармоники почти в 60 раз больше собственной частоты первой гармоники, что не фиксируется для измерения стандартной аппаратурой. При совпадении динамической нагрузки, приложенной к модели, с собственными частотами конструкция подвергается большими напряжениями и перемещениями, и возникают высокочастотные колебания. От амплитуды и частоты колебаний зависит стойкость инструмента.
При компьютерном анализе на частоту влияние нагрузок можно не учитывать, так как вызванные ими перемещения небольшие. В результате частотного анализа можно определить форму колебаний и соответствующие им частоты.
Для проведения частотного анализа была использована команда «Frequency» программы Solidworks Simulation. После этого в разделе «Properties» в дереве исследований Solidworks Simulation задаем количество частот. Поскольку наша модель является твердотельной и чтобы программа рассчитала моды тела, отличного от твердого зададим 15 количеств частот. Определим материал модели как в предыдущем разделе (П.2.3.1), т.е. закаленныая сталь 40. После этого создадим сетки при помощи команды «Mesh» и после нажатия на команду «Run» начинается исследование. На рис.2.7 в качестве примера полученных результатов показаны собственные частоты и формы колебаний
Проведение компьютерного исследования температурных полей режущего инструмента при помощи программы Solidworks и Solidworks Simulation
В процессе обработки металлов резанием возникают колебания из-за возмущающих сил, действующих на технологическую систему. Из-за вибрации возникает износ режущего инструмента; снижается его стойкость и точность обработки, вследствие чего ухудшается качество обработанной поверхности изделия [35]. Природа возникновения вибраций в процессе резания объясняется пластическими деформациями и тепловыми явлениями в зоне резания, влияющие на силы трения [12, 35]. Для обеспечения устойчивой работы технологической системы, требуемой точности и параметров поверхностного слоя необходимы оптимальные методы и режимы обработки.
Одним из методов получения оптимальных режимов обработки является снижение интенсивности и уровня колебаний технологической системы, т.е. улучшение ее демпфирующей способности. Для этого рассматривают три основных технологических подсистем: станок, инструмент и заготовку [70].
Качество обработанной поверхности, производительность и себестоимость обработки зависят от условий нагружения в зоне контакта инструмента и заготовки [12, 70]. Кроме того, тепловые деформации инструмента при обработке деталей на наноуровне играют важную роль, вследствие чего не обеспечивается стабильность размеров при резании. Причём колебание режущего инструмента в процессе резания происходит при средних и высоких частотах [75], что делает его ненадёжным звеном. Следовательно, путем выбора оптимальной конструкции режущего инструмента можно повышать демпфирующую способность технологической системы; регулировать интенсивность нагрева в режущем инструменте и в зоне резания и снижать вибрации в процессе резания. Таким образом, обеспечивается высокая производительность процесса и высокое качество обработанной поверхности.
С этой целью в данной главе проведено экспериментальное вибрационное исследование сборных токарных резцов для вылетов 41, 47, 50, 56 и 65 мм.
Результаты были сравнены с результатами, полученными при компьютерном моделировании. Так как по данным экспериментальным исследованиям частота колебаний резцов иногда в несколько раз меньше расчетных, следовательно, необходимо экспериментально определить значения собственных частот колебаний сборных токарных резцов.
Описание стенда и проведение экспериментального вибрационного исследования для определения значения собственных частот колебаний сборных токарных резцов
Собственные частоты колебаний державок сборных токарных резцов определялись при помощи специального стенда. Резцы закреплялись зажимными винтами в резцедержателе токарно-винторезного станка 16К20ВФ1, который жестко закреплен на Т-образной плите. На нижнюю сторону рабочей части резца наклеивался пьезоэлектрический акселерометр KD-35 с помощью специального клея. Возбуждение свободных затухающих колебаний по концу резца осуществлялось легкими ударами резинового молоточка. Датчик KD-35 фиксировал эти колебания и передавал на многофункциональный анализатор спектра A17-U8 для измерения параметров спектральных составляющих сигналов, корреляционной структуры сигналов и генерации электрических сигналов с нормированными метрологическими параметрами. С помощью специального программного обеспечения ZETLab, установленного на персональном компьютере заданы параметры анализа и расшифрованы полученные данные. Для частотного анализа сигнала использовалась программа «Узкополосный спектр», которая входит в программный пакет ZETLAB [12].
Схема стенда для определения частот собственных колебаний сборных токарных резцов На рис. 4.12 показано рабочее окно программы, которое отображается после запуска программы «Узкополосный спектр» из меню «Анализ» панели ZETLab. Над графиком спектра отображались величины частоты и уровня сигнала.
Окно программы «Узкополосный спектр» Таблица 4.3 показывает сравнение значений частоты собственных колебаний сборных токарных резцов, полученных при эксперименте и компьютерном моделировании. Как видно из таблицы увеличение вылета резца уменьшает величину частоты собственных колебаний. К тому же отклонение результатов между экспериментальными данными и данными полученными компьютерным моделированием не превышает 10%.
Вибрационные исследования
При увеличении скорости резания уменьшается площадь контакта инструмента со стружкой, поэтому количество тепла, уходящего в инструмент со стороны передней поверхности, уменьшается.
В зависимости от теплопроводности обрабатываемого материала и работы резания распределяется тепло между деталью, инструментом и стружкой и окружающей средой. Наибольшее количество тепловыделение происходит в зоне стружкообразования. При резании теплота распределяется неравномерно и её количество в некоторых зонах концентрируется и повышает их температуру. При этом резец теряет свою твердость, затупляется, деформируется и структура слоя обработанной поверхности изменяется.
Тепловой поток, возникающий в режущем инструменте, является одним из основных действующих тепловых потоков. Под действием теплового потока в инструменте возникает тепловая деформация и тепловое перемещение, величины, которых имеют определяющее значение при резании, так как они оказывают большое влияние на точнсть получаемой детали. Поток теплоты можно регулировать и воздействовать на процесс резания; таким образом, облегчается работа режущего инструмента и, следовательно, повышается качество обработанной поверхности.
Термическое исследование при резании металла сосредоточивается на определении тепловыделения, его распределения в зоне резания и максимальной температуры. Существует три метода, используемых для определения тепловыделения:
Аналитический: В аналитических исследованиях эмпирические взаимосвязи используются для определения выделения тепла и распределения температуры. Аналитические методы расчета выполняют при упрощенных предположениях.
Экспериментальный: Экспериментальные методы, такие как метод термопар, метод электрического моделирования и т.д. обеспечивают изучение теплового распределения в зоне резания. Результаты экспериментальных работ, главным образом, зависят от калибровки используемого инструмента. Численный: Распределение температуры в зоне резания изучается с использованием методов конечных элементов, конечных разностей и метода граничных элементов. Упрощенные аналитические методы имеют ограниченное применение, и они не могут быть использованы для сложных процессов резания. Экспериментальный подход к изучению процесса обработки металлов резанием является дорогим и трудоемким, особенно при широком диапазоне параметров как геометрии инструмента, материалов, режимов резания и так далее. Разработаны также альтернативные подходы: математическое моделирование, где используются численные методы. Среди этих численных методов, метод конечных элементов является более полезным и широко используется. Различные результаты и характеристики процесса резания металла, такие как сила резания, напряжение, температура, стружкообразование и т.д. могут быть предсказаны с помощью метода конечных элементов, аналитически без проведения эксперимента.
Метод конечных элементов, в основном, определяется делением континиума системы на малые элементы, описыванием свойств элементов в качестве матрицы и суммирования их, для составления системы уравнений, решение которых дает описание поведения системы в целом.
Проведение компьютерного исследования температурных полей режущего инструмента при помощи программы Solidworks и Solidworks Simulation Чтобы реализовать решение задачи определения теплового состояния режущего инструмента методом конечных элементов, использован программный комплекс SolidWorks Simulation version 2012, входящий в программу SolidWorks version 2012. Твердотельные модели исследуемых резцов создавались с помощью программы Solidworks Version 2012. Были созданы эскизы сечением 150 25 25 мм, а затем их 3D модель.
Как показали исследования, температура резания при чистовой обработки может достигать 400 С.При тепловом анализе температура резания и начальная температура соответственно приняты 400 С и 15 С. При проведении анализа модели определены материал детали (закаленная сталь 40); ограничения; температуры; контактные поверхности и характеристики контакта; создана сетка в модели и выполнены расчеты. Результатом теплового анализа являются распределение температуры, напряжения (эквивалентные, главные, нормальные и касательные), перемещения узлов конструкции; деформации.
Компьютерный анализ проведен для цельнометаллической модели, модели с отверстием во вставке державки резца и модифицированных моделей, заполненных нормальным, жестким и пластичным синтегранами.
Рисунки 3.3-3.5 показывают поля распределения температуры режущего инструмента моделей за одну секунду для вылета 50 мм. Эти карты показывают, что при резании режущий инструмент нагревается непрерывно. На передней поверхности режущего инструмента возникает наибольший нагрев, который расположен в середине контактной площади. Маскимальная температура концентрируется в этом же участке. Температура на вершине режущего инструмента тоже значительна, но она меньше по сравнению с темперетурой на передней поверхности. В течение времени температура в режущем инструменте уменьшается. По данным этих карт построен график (рис.3.6) распределения температуры в режущем инструменте. Как видно из графика, температура в зоне резания для модели с отверстием во вставке державки быстрее уменьшается по сравнению с цельнометаллической моделью и моделям с синтеграном, т.к. благодаря наличию отверстий во вставке державки резца тепло быстро отводится из инструмента. А в модифицированных моделях тепло по сравнению с цельнометаллической моделью отводится быстрее.
