Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
В машиностроении широко используется такой метод обработки, как точение. Обеспечение высокой производительности точения при одновременном достижении необходимой точности и шероховатости обработанной поверхности до сих пор сдерживается наличием вибраций, сопровождающих процесс резания. Следует отметить, что в настоящее время проблема вынужденных колебаний при токарной обработке может быть решена на основе проведения необходимых расчетов, не вызывающих существенных затруднений. Возникновение вибраций при точении вызывается возмущающими силами и свойствами упругой системы, взаимным влиянием упругой системы и сил, которые определяют характер связей.
Наиболее распространенным видом вибраций при работе на металлорежущих станках являются автоколебания. Известно, что возникновение автоколебаний в процессе точения можно предотвратить путем снижения скорости резания, что приводит к уменьшению производительности обработки и увеличению себестоимости выпускаемой продукции.
Изучению автоколебаний были посвящены работы следующих ученых: В.В. Агафонова, И.С. Амосова, С.А. Васина, Л.А.Васина, В.Л. Вейца, С. Дои, Н.А. Дроздова, В.Л.Заковоротного, И.И. Ильницкого, А.И. Каширина, П. Като, В.А Кудинова, Л.К. Кучмы, Г.С. Лазарева, Л.С. Мурашкина, С.Л. Мурашкина, В.А. Остафьева, В.Н. Подураева, В.А. Рогова, А.П. Соколовского, Н.И. Ташлицкого, И. Тлусты, С.А. Тобиаса, Шоу, Холкена, М.Е. Эльясберга, А.С. Ямникова, О.А. Ямниковой и др.
Существует несколько причин возбуждения и развития автоколебаний при точении, одной из которых является наличие координатной связи. При этом автоколебания инициируются, как правило, наиболее слабым звеном технологической системы, роль которого часто выполняет режущий инструмент.
До настоящего времени было проведено большое количество исследований в области изучения теории координатной связи при точении и других видах обработки. При этом установлено, что главными причинами возникновения координатной связи в подсистеме «инструмент - заготовка» являются:
- наличие связей обобщенных координат (зависимость между собой отдельных перемещений);
- несовпадение действующей результирующей силы с направлением главных осей жесткости упругой системы.
До настоящего времени остается нерешенной проблема повышения виброустойчивости процесса точения на основе снижения уровня проявления координатной связи. При этом известно, что устранить автоколебания, связанные с проявлением координатной связи, можно на основе ориентации жесткости и диссипации наиболее слабого звена технологической системы по направлению результирующей силы резания. Реализовать при точении рациональную ориентацию осей жесткости подсистемы инструмента как наиболее слабого звена технологической системы, по направлению равнодействующей силы резания для существующих конструкций резцов практически невозможно, а соответственно нельзя устранить автоколебания, связанные с проявлением координатной связи. В связи с этим повышение виброустойчивости токарной обработки на основе снижения уровня проявления координатной связи путем применения токарных резцов со структурированными державками, обладающими анизотропной жесткостью, является актуальной темой работы.
Цель работы заключается в решении научной проблемы обеспечения эффективности процесса точения на основе повышения виброустойчивости подсистемы «инструмент - заготовка» путем разработки резцов со структурированными державками, обладающими анизотропной жесткостью и позволяющими снизить уровень проявления координатной связи.
Объектом исследования являются процессы взаимосвязи заготовки и резца, влияние процесса резания на подсистему инструмента, конструктивные решения в виде структурированных державок, обладающими анизотропной жесткостью уменьшающая влияние проявление координатного взаимодействия, связанные со стабильным формированием обработанной поверхности, для обеспечения возможности автоматизации токарной обработки.
Предмет исследования составляют научные и экспериментальные методические основы механизма принятия решения, обеспечивающие повышения виброустойчивости процесса точения на основе снижения уровня проявления координатной связи при использовании резцов со структурированными державками.
Для достижения вышеуказанной цели в работе были поставлены следующие задачи исследования:
-
Провести анализ эффективности гашения вибраций при точении резцами с многослойными и комбинированными державками, обладающими повышенными динамическими характеристиками.
-
Разработать математические модели процессов вынужденных колебаний подсистемы инструмента для обеспечения возможности прогнозирования виброустойчивости точения на этапе проектирования технологической операции.
-
Провести аналитическое и экспериментальное исследования влияние конструкции резцов со структурированными державками, обладающих анизотропной жесткостью, на снижение уровня проявления координатного взаимодействия при точении.
-
Разработать методику выбора расположения элементов структурированных державок резцов, обладающих анизотропной жесткостью, позволяющих уменьшить влияние проявления координатной связи.
-
Экспериментально создать графические модели, устанавливающие зависимость динамических параметров резца от геометрических характеристик и составов структурированной державки с анизотропной жесткостью для их использования при проведении расчетов по математическим моделям вынужденных колебаний на этапе проектирования токарной операции.
-
Провести моделирование шероховатости поверхности, обработанной при различных режимах резания резцами со структурированными и стальными державками.
-
Экспериментально установить возможность снижения шероховатости, волнистости и погрешности формы при точении резцами со структурированными державками различных конструкций.
-
Провести экспериментальные исследования для определения влияния структурированных державок на стойкость и характер изнашивания резцов при точении.
-
Разработать математическую модель напряженно-деформированного состояния резцов со структурированными державками выдерживаемых ими для установления предельных нагрузок и определения области применения.
Методы исследования. Поставленные в работе задачи решались теоретически и экспериментально. Теоретические исследования базировались на основных положениях теории резания и проектирования режущих инструментов, технологии машиностроения, динамики резания, теории колебаний, теории принятия решений, методов математического и компьютерного моделирования, дифференциального и интегрального исчисления. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием импортного и отечественного промышленного оборудования и современных измерительных средств, в том числе комплекта измерительной аппаратуры фирмы “Брюль & Къер” (Дания). Математическая обработка результатов экспериментов проводилась с использованием положений теории вероятности и математической статистики. Реализация проектных расчетов осуществлялась с применением ПЭВМ.
Автор защищает:
-
Комплексный подход к проектированию виброустойчивого процесса точения на основе снижения уровня проявления координатной связи при использовании резцов со структурированными державками, обладающими анизотропной жесткостью.
-
Разработанные математические модели процессов вынужденных колебаний подсистемы инструмента для прогнозирования виброустойчивости процесса точения на этапе проектирования технологической операции.
-
Результаты аналитических и экспериментальных исследований влияния конструкции резцов со структурированными державками на снижение уровня проявления координатного взаимодействия при точении.
-
Методику выбора расположения элементов структурированных державок резцов, позволяющих уменьшить влияние проявления координатной связи.
-
Экспериментально определенные графические модели, устанавливающие зависимость динамических параметров резца (жесткостью, логарифмическим декрементом колебаний, добротностью, собственными частотами) от его вылета и размеров поперечного сечения структурированной державки.
-
Результаты моделирования шероховатости обработанной поверхности при использовании резцов со структурированными и стальными державками с использованием математических моделей в зависимости от режимов резания.
-
Результаты экспериментальных исследований по снижению шероховатости, волнистости и погрешности формы при точении резцами со структурированными державками.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния структурированных державок на стойкость и характер изнашивания резцов при точении.
-
Разработанную математическую модель напряженно-деформированного состояния структурированных державок резцов и области их применения.
Научная новизна заключается в решении, на этапе проектирования технологической операции, проблемы повышения виброустойчивости протекания процесса точения на основе комплексного подхода к снижению уровня проявления координатной связи путем использования резцов со структурированными державками, обладающими анизотропной жесткостью при наибольшем ее значении в направлении действия равнодействующей силы резания и позволяющими повысить точность формы поперечного сечения обработанной поверхности и снизить ее шероховатость, а также теории их проектирования.
Практическое значение результатов работы заключается в:
- разработке математических моделей, процессов вынужденных колебаний подсистемы инструмента с учетом проявления координатной связи, которые используются на этапе проектирования токарной операции при решении проблемы обеспечения виброустойчивости процесса точения;
- установлении экспериментальных зависимостей динамических показателей режущего инструмента (передаточных функций - инертности, добротности, логарифмического декремента колебаний и частоты) от геометрических параметров конструкции, состава и вылета, позволяющих смоделировать и создать принципиально новую подсистему инструмента с наибольшей жесткостью в направлении действия равнодействующей силы резания, уменьшающую проявление координатной связи;
- установлении на основе экспериментов отличительных особенностей колебательных движений вершины резца в процессе резания, возникающих с учетом проявления координатной связи стандартными и структурированными державками;
- установлении особенностей образования шероховатости поверхности и погрешностей формы поперечного сечения при точении резцами со структурированными державками.
- разработке методики выбора конструкций структурированных державок резцов в зависимости от режимов резания;
- разработке математической модели напряженно-деформированного состояния структурированных державок резцов;
- защите патентами конструкций структурированных державок резцов (пат. 2217267 РФ, пат. 2280542 РФ, пат. 2281196, пат. 66706 РФ, пат. 66707 РФ, пат. 68389 РФ, пат. 2013408 РФ и пат. 70471), позволяющих повысить эффективность токарной обработки и обеспечивающих улучшение динамических показателей станка в процессе реализации конкретной технологической операции - лезвийной обработки.
Апробация работы.
Основные положения работы были доложены и получили одобрение на 18 конференциях, в том числе: 8-й научно-технической конференции ТВАИУ (г.Тула, 1991 г.); 26-й Международной конференции и выставки «Композиционные материалы в промышленности» (Украина, Крым, г. Ялта, 2006 г.); Международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики и информатики» (г.Тула, 2006 г.); 7-й ежегодной промышленной конференции с международным участием и блиц-выставки «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях» (Украина, п. Славское, 2007 г.); Международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики и информатики»
(г. Тула, 2007 г.); 7-й Международной электронной научно-технической конференции «Технологическая системотехника» (г. Тула, 2008 г.); 28-й Международной конференции и выставки «Композиционные материалы в промышленности» (Украина, Крым, г. Ялта, 2008 г.); Международной юбилейной науч. техн. Конференции «Инструментальные системы машиностроительных производств», посвященной 105-летию со дня рождения С.С. Петрухина (г. Тула, 2008 г.).
Реализация результатов работы.
Результаты исследования представлены в виде методического материала, разработанных и запатентованных конструкций державок режущего инструмента, информационно-программного обеспечения и технологических рекомендаций, которые прошли апробацию в лабораторных условиях и использованы при внедрении в производство токарных резцов, оснащенных современными формами СМП, на промышленных предприятиях г. Тулы: ГУП «ГНПП «Сплав»», ГУП «КБП», УРАВ в/ч 64176.
Результаты работы внедрены в учебный процесс в ТулГУ, при подготовке инженеров по направлению 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» и специальностям: 151002 «Металлообрабатывающие станки и комплексы» и 151003 «Инструментальные системы машиностроительных производств».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 59 работ, в т.ч. 2 монографии, 8 патентов и 21 статьи, включенных в список ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка литературы из 296 наименований и приложения. Содержит 295 страниц машинописного текста, 97 рисунков, 31 таблицы, приложение на 62 страницах.
