Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса обработки отверстий в титановых сплавах и задачи исследования 11
1.1 Обзор особенностей обработки титановых сплавов средней прочности 11
1.2 Основные методы формообразования глубоких отверстий малого диаметра 17
1.3 Исследование процесса сверления глубоких отверстий малого диаметра с использованием осевых колебаний 28
1.4 Выводы, цели и задачи исследования 34
Глава 2. Теоретическое обоснование применения синхронизированных осевых колебаний при сверлении титановых сплавов 37
2.1 Состояние вопроса 37
2.1.1 Исследование влияния осевой нагрузки на спиральное сверло 37
2.1.2 Теоретическое и экспериментальное исследование спирального сверла на жесткость
2.2 Расчет силовых параметров вибрационного резания 48
2.3 Определение геометрических параметров срезаемого слоя 52
2.4 Определение параметров осевых колебаний при сверлении глубоких отверстий 55
2.5 Выводы 57
Глава 3. Разработка устройства для сверления с использованием осевых колебаний 59
3.1 Обзор основных способов создания осевых колебаний при обработке отверстий 59
3.2 Исследование возможностей постоянных магнитов для создания осевых усилий при сверлении 64
3.2.1 Возможности постоянных магнитов из различных материалов, их достоинства и недостатки 64
3.2.2 Определение характеристик неодимовых постоянных магнитов при их взаимодействии 69
3.2.3 Определение параметров вибровозбудителя с использованием неодимовых магнитов 78
3.3 Разработка устройства для применения колебаний на осевое усилие при сверлении отверстий малого диаметра с использованием неодимовых магнитов 83
3.3.1 Устройства с синхронизированными колебаниями и ременной передачей 83
3.3.2 Разработка устройства для вибрационного сверления с применением планетарной передачи 87
3.4 Выводы 95
Глава 4. Исследование влияния режимов резания и параметров осевых колебаний инструмента на его период стойкости, производительность обработки 97
4.1 Методика проведения экспериментов 97
4.2 Определение стойкости спирального сверла при обработки глубоких отверстий с применением осевых колебаний в титановом сплаве ВТ5 100
4.3 Определение изменения производительности обработки при сверлении с применением осевых колебаний 114
4.4 Разработка опытно – промышленного образца к вертикально – фрезерному станку для обработки глубоких отверстий малого диаметра и рекомендаций по выбору конструктивных и технологических параметров 117
4.5 Выводы 120
Общие выводы работы, рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы 121
Список литературы
- Исследование процесса сверления глубоких отверстий малого диаметра с использованием осевых колебаний
- Определение геометрических параметров срезаемого слоя
- Возможности постоянных магнитов из различных материалов, их достоинства и недостатки
- Определение стойкости спирального сверла при обработки глубоких отверстий с применением осевых колебаний в титановом сплаве ВТ5
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в высокотехнологичных отраслях промышленности нашли широкое применение детали из титана и его сплавов, их сравнительно высокая стоимость компенсируется хорошими эксплуатационными характеристиками и высокой прочностью.
Одной из актуальных проблем является обработка отверстий малых диаметров (до 5 мм) и глубиной обрабатываемого отверстия превышающего диаметр в пять и более раз, поскольку она отличается высокой трудоёмкостью, низкой стойкостью инструмента и производительностью. Процесс сверления сопровождается образованием сливной или комбинированной стружки, её скоплением в отводящих канавках сверла, адгезией элементов стружки и рабочих поверхностей инструмента и высокой температурой в зоне резания. Обработка требует применения галлоидосодержащей смазывающе-охлаждающей жидкости типа РЗ СОЖ-8.
Одним из путей повышения производительности является дробление стружки в процессе обработки, что требует либо проектирование сверл специальной конструкции, либо осуществление прерывания процесса резания (вибрационного резания).
Существующие методы обработки отверстий с применением вибрационного резания основаны на использовании высокочастотных осевых колебаний сверла или заготовки, создаваемых электродинамическим вибровозбудителем, что повышает уровень энергопотребления и себестоимость обработки в связи с затратами на создание и эксплуатацию приспособления сложной конструкции. Вследствие чего, эти методы не нашли широкого применения в отечественном машиностроении.
Из вышесказанного следует, что научная задача, состоящая в создании нового технически эффективного метода дробления стружки при сверлении титановых сплавов, основанного на идее применения осевых колебаний, синхронизированных с числом оборотов инструмента без применения внешнего источника энергии, является актуальной.
Работа выполнена в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых МК-2653.2014.8, а также в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (УМНИК), Курск, 2014.
Научная проблема заключается в низкой работоспособности спиральных сверл при обработке глубоких отверстий в деталях из титановых сплавов.
Степень разработанности темы. Большой научный вклад в исследовании вибрационного резания внесли такие отечественные и зарубежные ученые: В.Л. Татаринов, Н.А. Дроздов, М.Г. Юмштык, В.Н. Подураев, В.А. Вагин, А.М. Безбородов, О.И. Драчев, А.И. Барботько, Д. Кумабэ и др.
Для получения глубоких отверстий малого диаметра в деталях из различных металлов и сплавов в основном используют сверление, электрохимическое и электроэрозионное прошивание. Находят также применение лазерное и электроннолучевое прошивание отверстий.
Цель работы заключается в повышении производительности и периода стойкости инструмента при сверлении глубоких отверстий малого диаметра в
заготовках из титановых сплавов путем подбора рациональной комбинации параметров осевых колебаний и режимов резания.
Объект исследования. Процесс обработки глубоких отверстий малого диаметра в деталях из титановых сплавов.
Предмет исследования. Закономерности влияния параметров осевых колебаний, силы и режимов резания на производительность обработки и стойкость инструмента в процессе сверления глубоких отверстий малого диаметра в титановых сплавах.
Задачи исследования:
-
проведение аналитического обзора разработок в области сверления отверстий малого диаметра с оценкой возможности применения методов вибрационного резания к обработке глубоких отверстий малого диаметра в титановых сплавах;
-
определение на основе теоретических расчётов и экспериментальных исследований предельных значений осевой составляющей силы резания при сверлении титановых сплавов с целью выявления возможности применения осевых колебаний, синхронизированных с числом оборотов инструмента для дробления стружки;
-
установление математических зависимостей, связывающих геометрические параметры сверла, параметры осевых колебаний и выявление на их основе условий, необходимых для рационального дробления стружки и обеспечения её свободного удаления из зоны резания;
-
выполнение экспериментальных исследований осевой силы, действующей на инструмент, получаемой взаимодействием постоянных магнитов, с целью определения возможности их применения для создания осевых колебаний;
-
установление зависимости периода стойкости спирального сверла и производительности обработки от параметров синхронизированных осевых колебаний, осевой подачи и числа оборотов инструмента при обработке глубоких отверстий диаметром 25 мм в заготовках из титановых сплавов и сравнение полученных результатов с традиционным методом обработки;
-
проведение опытной апробации разработанного метода дробления стружки при сверлении отверстий в титановых сплавах с применением осевых колебаний, синхронизированных с числом оборотов инструмента и разработка практических рекомендаций по параметрам конструкции и эксплуатации устройства.
Соответствие паспорту специальности. Содержание диссертации
соответствует П.3 «Исследование механических и физико-технических процессов в
целях определения параметров оборудования, агрегатов, механизмов и других
комплектующих, обеспечивающих выполнение заданных технологических
операций и повышение производительности, качества, экологичности и экономичности обработки» паспорта научной специальности 05.02.07 – Технология и оборудование механической и физико-технической обработки.
Теоретическое значение результатов работы обусловлено разработанным методом рационального дробления стружки при получении отверстий малого
диаметра в деталях из титановых сплавов с применением осевых колебаний, синхронизированных с числом оборотов инструмента.
Практическое значение результатов работы составляют:
-
Рекомендации по назначению режимов обработки глубоких отверстий малого диаметра в титановых сплавах, обеспечивающие повышение производительности обработки и стойкости инструмента.
-
Конструкция устройства с планетарным механизмом для сверления с осевыми колебаниями, создаваемыми взаимодействием неодимовых магнитов и практические рекомендации по конструированию и эксплуатации устройства.
По результатам исследований получен патент на полезную модель РФ.
Основные теоретические и практические результаты работы также применяются в учебном процессе «Юго-Западного государственного университета» при изучении дисциплин: «Процессы и операции формообразования»; «Технология машиностроения», «Спецтехнологии в машиностроении» по направлению подготовки бакалавров – 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».
Материалы диссертации, а именно: результаты теоретико-методологического анализа способов повышения производительности сверления в титановых сплавах – внедрены в научно-исследовательскую деятельность ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет», в частности используются в научно-исследовательской работе научно образовательного центра «Управление технико-экономическими системами».
Результаты работы внедрены на предприятиях машиностроительной отрасли города Курска и Курской области: ООО «Комплект», АО «Геомаш» (г. Щигры), АО «Энерготекс» (г. Курчатов), что подтверждено соответствующими актами.
Методы исследований, обоснованность, достоверность. С целью
обеспечения теоретических расчётов и экспериментальных исследований
использованы: положения теории резания; проектирования режущего инструмента;
технологии машиностроения, а также методы планирования многофакторного
эксперимента, обработки результатов экспериментальных исследований;
моделирования с применением ЭВМ и программных продуктов Solid Works, КОМПАС-3D V16.
Обоснованность применяемых методов подтверждается их широким использованием в самых различных прикладных исследованиях.
Достоверность результатов и выводов основана на анализе опытных данных, поступающих при выполнении подобных работ в условии эксплуатации, а также апробацией на научных конференциях различного уровня.
Основные положения научной новизны, выносимые на защиту:
-
Математические зависимости, связывающие геометрические параметры сверла с параметрами осевых колебаний для обеспечения рационального дробления стружки и ее отвода из зоны резания в процессе обработки.
-
Теоретические и экспериментальные зависимости влияния режимов обработки и параметров осевых колебаний (амплитуды, частоты, силы) на производительность обработки и стойкость инструмента.
3. Последовательность расчёта конструктивных параметров устройства для сверления с применением осевых колебаний синхронизированных с вращением инструмента.
Личный вклад автора. Все выносимые на защиту научные результаты получены соискателем лично. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем разработаны: /1/, /2/, /7/, /13/, /14/ - метод дробления стружки для повышения стойкости инструмента при сверлении глубоких отверстий в титановых сплавах; /3/, /6/, /18/,/20/, /21/ - конструкция устройства для сверления глубоких отверстий малого диаметра; /4/, /9/, /15/, /17/ - эмпирические зависимости; /20/ разработка и обоснование практических рекомендаций.
Публикации и апробация работы. По материалам диссертации
опубликована 21 печатная работа, перечень которых приведен в конце автореферата, из них 7 статей в рецензируемых научных журналах и изданиях, получено положительное решение по 1 патенту на полезную модель РФ и подана заявка на полезную модель № 2017107102.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались
на международных научно - практических конференциях: «Машиностроение –
основа технологического развития России ТМ-2013», Курск, ЮЗГУ, 2013г.;
«Современные материалы, техника и технология», Курск, ЮЗГУ, 2013г.;
«Интеграция науки и практики как условие экономического роста», Ульяновск,
УГТУ, 2014г.; «Наука, Техника, Инновации», Брянск, Научно-технический центр
«НДМ», 2014г.; «Инновации в науке, технике и технологиях», Ижевский ГТУ,
2014г.; «Современные инструментальные системы, информационные технологии и
инновации», Курск, ЮЗГУ, 2014; 1-ая Международная научно-техническая
конференция «Молодые учёные – основа будущего машиностроения и
строительства», Курск, ЮЗГУ, 2014; ежегодном областном конкурсе
инновационных проектов «Инновация и изобретения года» в номинации «Инновационная идея», проект: «Устройство для вибрационного сверления», Курск 2014; региональной конференции «Роль молодых учёных в инновационном развитии Курской области», направление «Новые приборы и аппаратные комплексы», Курск, 2014; V-ой Международной научно-практической конференции «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях (04–05 июня 2015 г), Курск, ЮЗГУ; Международная научно-техническая конференция «Молодой инженер – основа научно-технического прогресса»; VI Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки XXI века», Москва, 2016.
Автор является победителем программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (УМНИК), Курск, 2014.
В полном объеме диссертация была заслушана и одобрена на расширенном заседании кафедры машиностроительных технологий и оборудования Юго-Западного государственного университета.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,
четырех глав, основных выводов и результатов работы, рекомендаций, списка
литературы, включающего 107 наименований. Объем основной части
диссертационной работы составляет 147 страниц машиностроительного текста и содержит 60 рисунков, 17 таблиц, 2 приложения.
Исследование процесса сверления глубоких отверстий малого диаметра с использованием осевых колебаний
Однако даже при соблюдении всех описанных мероприятий режимы резания, особенно скорости, должны быть снижены по сравнению с обработкой сталей в 3 – 4 раза для обеспечения приемлемой стойкости инструмента, особенно при обработке на станках с ЧПУ.
Усилия резания и температуры в зоне резания могут быть существенно снижены механоводородной обработкой, включающей в себя наводороживание, механическую обработку и вакуумный отжиг. Легирование титановых сплавов водородом приводит к значительному снижению температур в зоне резания, уменьшению сил резания, повышению стойкости твердосплавного инструмента в 2 – 10 раз в зависимости от режимов резания и природы сплава. Этот позволяет повысить скорость резания в 1,5 – 2 раза при сохранении других параметров резания или применять более высокие подачи и глубины резания, не меняя скорости резания [66].
Малая пластичность титановых сплавов приводит к тому, что при их обработке образуется специфическая стружка, по внешнему виду похожая на сливную, имеющая трещины, которые разделяют ее на очень слабо деформированные элементы, прочно связанные между собой тонким и сильно деформированным контактным слоем. Образование такой формы стружки объясняется тем, что с ростом скорости резания пластическая деформация не успевает протекать в основном объеме, концентрируясь в контактном слое, где возникают высокие давления и температуры. В связи с этим, в отличие от обычных сталей у титановых сплавов меняется вид стружки с ростом скорости резания в обратном направлении: сливная стружка переходит в элементную. Это изменение формы стружки у менее пластичных титановых сплавов или при обработке с большими подачами происходит при меньших скоростях резания.
Так, при обработке титанового сплава ВТ2 элементная стружка образуется при меньших скоростях резания, чем при обработке сплава ВТ1 [65].
В связи с осбенностью образования стружки (элементная, но со связанным элементы между собой тонким деформированным контактным слоем) при глубоком сверлении необходимо добиться дробления стружки, для упрощения ее вывода из зоны резания.
При обработке титановых сплавов средней прочности возникать подобная стружка и для удаления из зоны резания её нужно дробить на части. Поэтому, для экспериментальных исследований решено применять титановые сплавы средней прочности, такие как: ВТ5; ВТ6.
При высоких температурах, которые развиваются в зоне резания, титановая стружка и обрабатываемая деталь окисляются. Окисление стружки создает проблемы, связанные с её очисткой при вовлечении отходов в плавку и других способах её утилизации. Окисление поверхности обрабатываемых деталей в недопустимой степени может привести к снижению эксплуатационных характеристик.
При изготовлении деталей и конструкций из титановых сплавов применяют все виды механической обработки: точение, фрезерование, сверление, шлифование, полирование.
Важной особенностью механической обработки деталей из титановых сплавов является необходимость обеспечения ресурсных, в особенности усталостных, характеристик, которые в решающей степени обусловлены качеством поверхностного слоя, образующегося после обработки резанием. Из-за больших усилий резания для механической обработки титана и его сплавов применяют, в основном, станки крупных моделей (ФП-7, ФП-9, ФП-27, ВФЗ-М8 и др.).
Сверление титана и его сплавов также осуществляется с трудом из-за налипания стружки титана на рабочие поверхности инструмента и ее скопления в отводящих канавках сверла, что приводит к сильному повышению сопротивления резания и быстрому износу сверл. Поэтому при сверлении глубоких отверстий необходимо периодически выводить инструмент для очистки его от стружки. Для сверления применяют инструмент из быстрорежущих сталей Р9К5, Р9К10, Р18Ф2, Р9Ф5, Р6М5К5, Р9М4К8, Р12Ф2К8МЗ и твердого сплава ВК8. Рекомендуемые геометрические параметры сверл: = 0 - 3; = 12 - 15; 2 = 120 - 130; 20 = 70 - 80, угол наклона спиральной канавки 25 - 30.
Для увеличения производительности механической обработки титановых сплавов резанием и повышения стойкости режущего инструмента применяют галлоидосодержащие смазывающе-охлаждающие жидкости типа РЗ СОЖ-8. Охлаждение обрабатываемых деталей осуществляют методом обильного полива.
Использование галлоидосодержащих жидкостей при механической обработке приводит к образованию на поверхности титановых деталей солевой корки, которая при повышенных температурах и одновременном действии напряжений вызывает солевую коррозию. Поэтому детали, обрабатываемые с применением РЗ СОЖ-8, после механической обработки подвергают облагораживающему травлению со снятием поверхностного слоя толщиной 0,005 - 0,010 мм.
Определение геометрических параметров срезаемого слоя
Анализ методов расчета металлорежущего инструмента на жесткость при сверлении показал, что для расчета критической силы сверла (максимально возможная осевая нагрузка, которое может выдержать сверло) целесообразно применять зависимость. (1). Определим разницу между расчетной осевой силой резания и критической для получения диапазона возможных усилий для примененных колебаний.
Согласно источникам [16], [46], осевая сила резания при сверлении определяется зависимостью: , (9) где – коэффициенты и показатели степени для вычисления осевой силы при сверлении и рассверливании; D – диаметр сверла, мм; S – среднее значение подачи инструмента, мм/об.; kp – поправочный коэффициент, учитывающий влияние механических свойств материала на силу резания. Результаты расчета критической силы, осевой силы и возможной силы осевых колебаний при сверлении приведены в таблице 3. Графики зависимостей критической силы и осевой силы при сверлении представлены на рисунках 19, 20. График зависимости силы колебаний от диаметра сверла представлен на рисунках 21, 22. Для удобства представления результатов исследований, диапазон диаметров сверл разбит на 2 части (1 – 5 мм) и (5 – 20 мм). Таблица 3
Таким образом, получен диапазон и максимально значение допустимых усилий колебаний [79]. Следует заметить, что для малых диаметров сверл (до 3 мм), диапазон возможных усилий осевых вибрации невелик, и лишь, начиная со сверла диаметром 4 мм, наблюдается значительный рост возможных усилий колебаний.
Выполненное исследование позволит определить силовые параметры при сверлении с применением осевых колебаний, с учетом жесткости осевого инструмента, и в дальнейшем позволит определить параметры обработки отверстий в титановых сплавах. 2.3 Определение геометрических параметров срезаемого слоя
С целью определения параметров проектируемого вибровозбудителя на основе постоянных магнитов, необходимо определить требуемую амплитуду и частоту колебаний, для этого необходимо предварительно оценить параметры получаемой стружки при сверлении, [22].
Глубину срезаемого слоя одной режущей кромкой для спирального сверла за один оборот численно можно принять [3]: , (10) где Sо – подача на оборот, мм/об. При обработке титановых сплавов рекомендуются подачи 0,15-0,3 мм/об, при небольшой скорости резания – 6–10 м/мин [29].
Для обеспечения разделения стружки на отдельные сегменты необходимо обеспечить амплитуду колебаний равным половину подачи Sо (мм/об.) для спирального сверла с двумя основными режущими кромками. Следовательно, поперечный размер элемента стружки (рисунок 25) численно равен удвоенной толщине срезаемого слоя t.
Для определения параметров срезаемого слоя при сверлении с применением осевых колебаний необходимо определить геометрические параметры осевого профиля сверла исходя из соотношения сторон прямоугольного треугольника, представленного на рисунке 23 [90]. где D – диаметр сверла, мм; f – глубина режущей части сверла, мм; 2 – угол режущей конической части сверла (двойной угол в плане). Рисунок – 23 Схема осевого профиля сверла Следовательно: , (12) Длина режущей кромки сверла c (мм) определяется по формуле: , (13) Сверло под воздействием периодических постоянных колебаний от вибровозбудителя дробит стружку на сегменты, что позволяет удалять элементы стружки, не прекращая сверления.
При сверлении с применением осевых колебаний, совершаемых сверлом под действием колебаний на глубину режущей части сверла получим, при условии кратности 0,5 числа колебаний на один оборот сверла, следующую форму элементов стружки, в математически идеализированном виде (рисунок 24). Определим геометрические параметры элемента стружки, представленные на рисунке 25: где nk – количество колебаний сверла за один оборот. Рисунок Высоту элемента стружки h, мм, (при допущении, что форма элемента стружки близка к правильной пирамиде) определяем по формуле: ; (15) Следовательно, h=с. Боковую сторону элемента стружки можно выразить через формулу: ; (16) Следовательно, поперечный размер b (мм) можно выразить следующим образом: ; (17) где h1 – длина стороны тетраэдра, мм. Данный размер является определяющим для обеспечения удаления элементов стружки из зоны резания. От величины размера b стружки зависит возможность размещения элемента стружки в канавке сверла и его экстракции из зоны резания.
Возможности постоянных магнитов из различных материалов, их достоинства и недостатки
Раннее были проведены исследования, целью которых было выявить требуемое усилие осевых колебаний при сверлении отверстий малого диаметра с использованием в качестве инструмента спирального сверла.
Таким образом, зная влияние габаритных параметров, амплитуду колебаний и требуемое усилие для осевых колебаний нами были выбраны диапазоны конструктивных параметров для устройства, позволяющего выполнить процесс сверления отверстий малого диаметра с применением осевых колебаний. После чего была составлена матрица эксперимента, представленная в таблице 6, и проведена серия экспериментов, согласно данной таблице, которые позволили получить эмпирическую зависимость влияния технологических параметров на устройства для сверления отверстий малого диаметра на усилии осевых колебаний. Полученная эмпирическая зависимость представлена ниже: (28) где Dм – диаметр магнита, мм; Hм – высота магнита, мм; LM – расстояние между магнитами, мм. Результаты эксперимента показывают влияние расстояния между магнитами на усилие колебаний и использованы при выборе и расчете конструктивных особенностей устройства для сверления с колебаниями [75].
Данные исследования позволили проанализировать влияние различных параметров и выявить диапазон изменения, который учитывает характеристики технологического процесса сверления отверстий малого диаметра в титановых сплавах. Таблица 6
После проведения эксперимента со статично установленными магнитами для дальнейшего исследования необходимо произвести эксперимент с динамическим воздействием магнитов, для того чтобы определить возможность использования создаваемых переменных усилий для реализации колебаний.
С целью получения данных для проектирования устройства для сверления с применением осевых колебаний был организованы и проведены опыты на устройстве, элементы которого изготовлены с применением аддитивных технологий, оснащенном постоянными магнитами (рисунок 40).
Устройство представляет собой два фланца с установленными в отверстия магнитами, одинаковыми полюсами друг к другу. Верхняя часть устанавливается в шпиндель вертикально-фрезерного станка, нижняя прикреплена к прибору весоизмерительному МИ ВДА/А-12ЕSS. Опыт проводился как в статичном режиме, так и динамично, при различном числе оборотов шпинделя, рисунок 41. Рисунок – 41 Фрагмент исследования взаимодействия постоянных магнитов
Магниты располагались на окружности диаметром 80 мм, диаметр магнитов 20 мм, высота 10 мм. Данные параметры выбирались на основе данных, полученных ранее из опыта со стационарно закрепленными магнитами.
В результате проведенного исследования были получены зависимости создаваемого усилия магнитами, от расстояния между магнитами и угла относительного поворота между ними. В таблице 7 и на рисунках 42, 43 представлены полученные зависимости создаваемых усилий от расстояния и угла поворота:
2010 мм) Если рассмотреть усилия отталкивания/притягивания, создаваемые магнитами в проекции сверху, можно представить график в виде следующей эпюры, представленной на рисунке 44. Усилие отталкивания нарастает при совмещении осей магнитов, а при повороте до 45 переходит в силу притяжения, тем самым образуется колебательный импульс, который в дальнейшем может быть использован для создания осевых колебаний. Рисунок 44 Эпюра изменения усилия отталкивания/притягивания магнитов при их взаимном повороте На рисунке 45 представлено суммарное взаимодействие силы резания (см. рисунок 19) и осевой силы колебаний, создаваемой установкой, что не превышает допустимой осевой нагрузки для сверл более 1 мм. Рисунок – 45 График зависимости критической и суммарной силы взаимодействия для сверл от 1 до 5мм
По полученным данным можно сделать вывод, что усилия, создаваемого магнитами, в количестве четырех штук или более и расположенном на близком расстоянии друг от друга, могут создавать необходимое усилие в десятки ньютонов для выполнения вибрационного импульса в осевом направлении.
Также следует отметить, что в промежуточном положении магниты, при условии достаточного расстояния между ними, показывают тенденцию к притяжению, хотя в и 5 – 6 раз слабее отталкивания.
Следует отметить, что с ростом скорости вращения детали с установленными магнитами относительно неподвижной детали с магнитами – антагонистами не проявлялся эффект инерции. Амплитуда колебаний подвижной части не уменьшалась. 3.3 Разработка устройства для применения колебаний на осевое усилие при сверлении отверстий малого диаметра с использованием неодимовых магнитов
В процессе разработки устройства были рассмотрены различные его компоновки с целью применения колебаний в процессе сверления. Разработка вариантов конструкции выполнялась для анализа возможностей, оценки характеристик устройства.
Принципиальная схема первого варианта устройства для выполнения обработки сверлением с применением колебаний представлена на рисунке 46.
Схема экспериментального устройства для сверления с применением осевых колебаний: 1 – магниты в подвижном роторе; 2 – магниты в корпусе, нижние; 3 – магниты в корпусе, верхние Принцип его работы заключается в том, что колебании создаются за счет взаимодействия подвижных и неподвижных неодимовых магнитов. Неподвижные магниты закреплены в верхней и нижней половине корпуса. Подвижные магниты закреплены в шкиве ротора, совмещенного с выходным валом. При вращении ротора магниты взаимодействуют друг с другом последовательно. Особенностью данного устройства является необходимость выполнения корпуса и валов из немагнитных материалов (нержавеющая сталь, алюминиевые сплавы). Комплекс допускается устанавливать на сверлильные, а так же вертикально-фрезерные станки различных модификаций, трехмерная модель представлена на рисунках 47 и 48 [63].
Определение стойкости спирального сверла при обработки глубоких отверстий с применением осевых колебаний в титановом сплаве ВТ5
Определяем число степеней свободы k=r-3 и, задаваясь уровнем значимости q=1-, находим при помощи MS Excel (ХИ2.ОБР). Для вероятности ошибки q=0,05 и k=5 критическое значение 2=11,07. Согласно е у критерию 2, eсли , то расхождения результатов достоверны (значимы). Рекомендовано производить обработку на оборотах до 250 об./мин, поскольку при данных режимах сохраняется эффект повышения производительности и стойкости инструмента. Измерение объема (массы) срезаемого слоя материала производилась путем взвешивания удаленного материала после его обезжиривания на аналитических весах в лаборатории. Проведенные измерения показывают, что производительность вибрационного сверления выше традиционного при начальных параметрах обработки около 95%, однако, при увеличении числа оборотов производительность уменьшается, достигая значения ниже, чем при традиционном сверлении.
Результаты проведенного исследования могут быть применены в металлообрабатывающей промышленности для обработки деталей из титановых сплавов (ВТ-4, ВТ-5, ВТ-6). На многих предприятиях при обработки титановых сплавов в связи с малой стойкостью стандартного инструмента применяют другие виды обработки такие как: электроэрозионная обработка. Данный вид обработки отличается высокой трудоемкостью и высокой себестоимостью. Проведенные исследования показали, что при сверлении с применением осевых колебаний доаустимо в качестве альтернативного способа в обработки деталей из титановых сплавов.
С целью внедрения сверления с осевыми колебаниями глубоких отверстий малого диаметра в промышленное производство разработан комплект конструкторской – технологической документации на изготовление опытного аппаратного комплекса к вертикально – фрезерному станку модели 675, образец устройства представлен на рисунке 60 (заявка на полезную модель № 2017107102).
При подготовке выполнения операций сверления с осевыми колебаниями необходимо отрегулировать зазоры в подвижных механизмах и передачах. При установки приспособления на станок необходимо проконтролировать соосность оси патрона комплекса и оси шпинделя станка. Радиальное биение установленного инструмента в приспособлении не должно превышать 0,05 мм. Число оборотов шпинделя ограничено значениями 40 – 360 об/мин. Диапазон осевых подач 0,02 – 0,4 мм/об. Превышение данных режимов обработки не рекомендуется, поскольку приведет к снижению стойкости инструмента. Сверление с применением осевых колебаний в этих диапазонах обеспечивает стабильность технологической обработки, что в свою очередь, позволит обеспечить выпуск качественной продукции.
Использование в механизме устройства постоянных магнитов накладывает ограничение на выбор материалов для основных деталей устройства. Корпусные детали рекомендуется выполнять из алюминиевого сплава АК12 или немагнитных нержавеющих сталей, детали планетарной передачи из бронзы БрОЦС6-6-3.
В связи с вертикальным исполнением устройства необходимо применение подшипников качения закрытого типа для удержания смазки.
Регулировка механизма осуществляется следующими способами: амплитуда колебаний регулируется установкой прокладок между крышкой и корпусом различной толщины. Количество импульсов за один оборот регулируется изменением числа магнитов.
Для смазки элементов планетарной передачи рекомендуется применять смазочные вещества для червячных редукторов (Трансол – 200 и др.).
Хранение аппаратного комплекса рекомендуется аналогично хранению заводским станочным приспособлениям. Планово – предупредительный ремонт производить после 150 часов эксплуатации.
Вес аппаратного комплекса составляет менее 22 кг, следовательно, не требуется применения подъемно – транспортных средств для установки на станок. Устройство может применяться в обрабатывающей отрасли, на машиностроительных предприятиях, в авиастроении, инструментальном производстве. Данный продукт может быть востребован на таких предприятиях региона как: ЗАО «ЭЛАТ-ИНСТРУМЕНТ»; ОАО «Авиаавтоматика им В.В. Тарасова»; ОАО «Электроагрегат»; ООО «Комплект»; ООО НПО «Композит»; АО «Геомаш», г. Щигры; АО «Энерготекс», г. Курчатов.