Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1.0. Особенности подготовительного этапа проектирования технологии механической обработки деталей с конструктивно сложными поверхностями .
Обзор литературы. Постановка задачи научного исследования... 13
1.1. Классификация обрабатываемых поверхностей и деталей 13
1.2. Конструктивная и технологическая сложность поверхностей деталей 21
1.3. Обоснование объекта исследования
1.3.1. Общие сведения о деталях класса Тела вращения 26
1.3.2. Общие сведения о деталях класса Корпусные детали 30
1.4. Типовые операции и методы обработки поверхностей деталей
класса Тела вращения и Корпусные детали 33
1.4.1. Общие сведения 33
1.4.2. Обработка цилиндрических поверхностей деталей 34
1.4.3. Обработка плоских поверхностей деталей 37
1.4.4. Основные методы формирования наружных резьбовых поверхностей лезвийным инструментом 38
1.5. Инструментальные материалы для прерывистого резания 39
Выводы по главе 46
ГЛАВА 2.0. Методы исследования конструкции и технологии изготовления конструктивно сложных по верхностей деталей машин 48
2.1. Общие положения 48
2.2. Технологическая оснастка
2.2.1. Расточное приспособление для горизонтально-расточного станка 50
2.2.2. Комплект расточных оправок
Приспособление для настройки на размер расточных резцов 55
Приспособление для скоростного фрезерования резьбы 58
Заточка режущих инструментов 58
Выбор режущего инструмента 60
Резцы 63
Торцовые фрезы 67
Однолезвийные регулируемые развертки 68
Средства измерений контролируемых параметров 70
Контроль за состоянием режущей части инструмента 70
Контроль качества обрабатываемой поверхности 73
Тепловое состояние зоны резания 75
Контроль макрогеометрических отклонений формы 75
Сведения о химическом составе, механических и физических
свойствах материала заготовок 78
Математическая обработка результатов исследований 83
Выводы по главе 85
Разработка метода управления положением режущей части инструмента - главного фактора повышения эффективности процессов механической обработки конструктивно сложных поверхностей деталей 87
Особенности процессов механической обработки конструктивно
сложных поверхностей деталей 87
Кинематика процессов прерывистого резания 93
Разработка метода управления положением режущей части инструмента при обработке конструктивно сложных поверхностей деталей 102
Теоретические основы управления рабочим состоянием режущего инструмента в условиях прерывистого резания 108
Точение наплавленной поверхности 108
3.4.2. Точение поверхности из двух конструкционных материалов 114
3.4.3. Торцовое фрезерование 118
3.4.4. Скоростное фрезерование резьбы («вихревое» точение) 120
3.4.5. Однолезвийное развертывание 124
Выводы по главе 126
ГЛАВА 4.0. Влияние динамики процесса прерывистого резания на работоспособность режущего инструмента из композита 128
4.1. Сведения о полном периоде стойкости инструментального материала композит 10 128
4.1.1. Токарная обработка 129
4.1.2. Фрезерная обработка 136
4.1.3. Однолезвийное развертывание 138
4.2. Термодинамические особенности процесса прерывистого резания..140
4.2.1. Общий подход к проблеме изучения теплового состояния процессов обработки конструктивно сложных поверхностей деталей 140
4.2.2. Изучение теплового состояния поля резания на примере точения конструктивно сложной поверхности детали инструментом
из композита 10 148
4.2.3. Изучение теплового состояния поля резания на примере точения восстановленной наплавкой изношенной поверхности детали инструментом из композита 10 153
4.2.4. Изучение теплового состояния поля резания на примере точения поверхности детали состоящей из металлической основы с пластмассовым наполнителем 157
4.3. Влияние на работоспособность инструмента технологических факторов процесса прерывистого резания 163
Выводы по главе 173
ГЛАВА 5. Формирование качественных показателей процессов прерывистого резания 175
5.1. Формирование заданных показателей шероховатости конструктивно сложных поверхностей деталей 175
5.2. Влияние динамики процесса прерывистого резания на формирование показателей шероховатости обрабатываемых поверхностей 184
5.3. Влияние динамики процесса прерывистого резания на состояние качества поверхностного слоя деталей 187
ГЛАВА 6.0.
Выводы по главе 189
Практическое применение результатов диссертационного исследования 192
6.1. Применение инструмента из композита 10 для восстановления утраченной работоспособности деталей 192
6.2. Применение инструмента из композита 10 для обработки поверхностей из разнородных конструкционных материалов 196
6.3. Обработка конструкционно сложных отверстий однолезвийны-ми развертками из композита 10 200
6.4. Замена операции шлифования на торцовое точение 202
6.5. Экономическая оценка эффективности принятых технологических решений
6.5.1. Точение, растачивание и торцовое фрезерование конструктивно сложных поверхностей деталей 207
6.5.2. Восстановление изношенных поверхностей деталей 209
6.5.3. Скоростное фрезерование резьбы 211
Выводы по главе 213
Общие выводы 215
Список литературных источников 220
- Конструктивная и технологическая сложность поверхностей деталей
- Расточное приспособление для горизонтально-расточного станка
- Разработка метода управления положением режущей части инструмента при обработке конструктивно сложных поверхностей деталей
- Изучение теплового состояния поля резания на примере точения поверхности детали состоящей из металлической основы с пластмассовым наполнителем
Введение к работе
Актуальность темы. В России, в последнее десятилетие, предпринимаются практические шаги для подъема машиностроительного производства и его переводу на инновационный путь развития. Необходимость перестройки отечественного машиностроения становится одной из важнейших государственных задач, включающей как производство новых машин и механизмов, так и модернизацию производства на основе реформирования устаревших технологий, оборудования, оснастки и инструментального обеспечения. Ключевая роль принадлежит металлообработке, разработке прогрессивных методов изготовления деталей машин высокой конструктивной и технологической сложности. Наиболее эффективным является путь интенсификации за счет расширения использования инструментов, оснащенных искусственными сверхтвердыми материалами на основе модификаций кубического нитрида бора (торговая марка композиты).
Результаты исследований ученых и практиков, в первую очередь научные труды Боровского Г. В., Васина С. А., Верещаки А. С., Власова В. И., Гречишникова В. А., Григорьева С. Н., Емельянова С. Г., Жедь В. П., Железнова Г. С., Захаренко П. В., Клименко С. А., Кравченко Б. А., Кудряшова Е. А., Маслова А. Р., Молодык С. У., Музыканта А. Я., Муковоза Ю. А., Новикова Н. В., Рыкунова А. Н., Сингеева С. А., Фещенко В. Н. и др. подчеркивают преимущества лезвийных методов обработки современными инструментальными материалами перед технологиями шлифования.
Недостатком операций шлифования является высокая стоимость оборудования, низкая производительность, а также проблемы формирования требуемых показателей качества поверхностного слоя, вследствие специфики работы шлифовального инструмента и тепловых явлений, сопровождающих этот высокоэнергетический процесс обработки.
Процессы лезвийной обработки во многих случаях более производительно и стабильно обеспечивают высокие требования, предъявляемые к точности и качеству обрабатываемых деталей различной конструктивной и технологической сложности, изготовленных из разнообразных конструкционных материалов, их сочетаний, наплавок и др.
Использование технологий механической обработки конструктивно сложных деталей инструментами из композита 10 отвечает требованиям разработчиков наукоемкой конкурентной техники, имеющей тенденцию дальнейшего повышения конструктивной сложности.
Этот прогрессивный инструментальный материал способен не только составить конкуренцию традиционным инструментальным материалам, но и значительно их превосходит по возможности достижения высоких показателей точности и качества обработки. Поэтому совершенствование процессов механической обработки деталей, имеющих на обрабатываемых поверхностях конструктивные элементы прерыва, с созданием особых условий резания методом управления положением режущей части, исключающим негативное влияние динамических нагрузок на инструмент, является актуальной научной и практической задачей.
Научная проблема, решаемая в диссертационной работе, заключается в
определении условий повышения эффективности разрабатываемых процессов механической обработки конструктивно сложных поверхностей деталей.
Цель работы. Повышение эффективности разрабатываемых процессов безударного резания на основе управления положением режущей части инструмента из хрупких сверхтвердых композитов.
Объектом исследования являются процессы безударного резания конструктивно сложных поверхностей деталей.
Предметом исследования являются закономерности и взаимосвязи процессов безударного резания конструктивно сложных поверхностей деталей.
Область исследований. 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» и п.4 «Создание, включая проектирование, расчеты и оптимизацию, параметров инструмента и других компонентов оборудования, обеспечивающих технически и экономически эффективные процессы обработки» специальности 05.02.07 – «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки» паспорта номенклатуры специальности научных работников (технические науки).
Достижение поставленной цели требует решения укрупненных блоков задач:
1. Классификация обрабатываемых поверхностей и деталей.
2. Количественная оценка конструктивной и технологической сложности
деталей классов: тела вращения и корпусные детали.
3. Выбор операций и методов обработки конструктивно сложных
поверхностей деталей.
4. Обоснование марки инструментального материала.
5. Разработка метода управления положением режущей части,
обеспечивающим требуемое, в зависимости от прерывистости резания, рабочее
состояние инструмента из композита 10 в условиях чистовой обработки
конструктивно сложных поверхностей деталей.
6. Исследование влияния термодинамических особенностей процесса
прерывистого резания на работоспособность инструмента из композита 10.
7. Создание методологической и модельной среды процесса прерывистого
резания, включая модели:
а) первоначального контакта режущей части инструмента с
обрабатываемой конструктивно сложной поверхностью детали при различных
методах обработки;
б) формирования теплового поля в условиях термодинамических
особенностей обработки;
в) зависимости стойкости инструмента от изменения условия контакта резец-
деталь, геометрии режущей части и режимов резания;
г) формирования требуемых показателей шероховатости обрабатываемой
поверхности от основных факторов процесса прерывистого резания.
8. Исследование формирования требуемых показателей шероховатости
обрабатываемых конструктивно сложных поверхностей деталей.
9. На основе разработанных моделей создать программный комплекс для
поиска качественных и количественных показателей процесса прерывистого
резания и выбора управляющих параметров.
10. Предложить конструкторско-технологические решения для повышения
эффективности процессов обработки конструктивно сложных поверхностей
деталей инструментом из композита 10.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений теории резания, технологии машиностроения, статистического планирования первого и второго порядка экспериментальных работ, математической обработки результатов исследований, с применением современной вычислительной техники. Экспериментальные исследования проведены в лабораторных и производственных условиях с применением технологического оборудования, оснастки, инструментального оснащения и контрольно-измерительной аппаратуры, отвечающих цели и задачам диссертационного исследования.
Обработка результатов экспериментов проводилась средствами вычислительной техники с использованием методов планирования эксперимента и регрессионного анализа.
Достоверность полученных научных положений, результатов теоретических и экспериментальных исследований подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов, не вступающих в противоречие с отдельными результатами других авторов, работающих в данном научном направлении.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается:
- в разработке комплексного научно обоснованного подхода с точки зрения теории резания к решению проблемы обработки конструктивно сложных поверхностей деталей инструментом из хрупких сверхтвердых материалов – композитов, в условиях заданных показателей качества, точности и ресурса изделий с прерывистой поверхностью, на основе решения сопряженных задач выбора условий применимости и поддержания работоспособности лезвийных инструментов с использованием предложенных комплексных решений:
создании механизма управления положением режущей части инструмента в процессе прерывистого резания, исключающим негативное действие ударных нагрузок на режущий элемент;
разработке принципов регулирования работоспособности инструмента по условиям контакта режущего элемента с обрабатываемой конструктивно сложной поверхностью детали;
моделировании рациональных условий эксплуатации лезвийных
инструментов из хрупких сверхтвердых материалов для получения высоких
показателей точности и качества конструктивно сложных изделий по критериям
качества, по комплексным показателям и параметрам производительности и
оценки работоспособности по критериям эффективности.
Теоретически обоснованы технологические методы эксплуатации хрупких сверхтвердых материалов – композитов при токарной, фрезерной обработке и развертывании конструктивно сложных поверхностей, в том числе прерывистых, наплавленных, состоящих из нескольких разнородных конструкционных материалов.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в
разработанных:
методе управления положением режущей части инструмента из хрупких сверхтвердых материалов – композитов, позволяющим рассчитывать для различной конструкционной сложности поверхностей оптимальные условия механической обработки;
алгоритмах, позволяющих путем моделирования рассчитать рациональные условия осуществления процессов механической обработки конструктивно сложных поверхностей деталей;
технологических приемах, позволяющих расширить области режимов резания прерывистых поверхностей деталей, обеспечивающих повышение эффективности процесса точения, растачивания, торцового фрезерования и развертывания;
создании на уровне технических решений (пат. №143126) конструкции инструмента, позволяющего повышать эффективность обработки прерывистых поверхностей и обеспечивающего повышение производительности обработки;
- технологических рекомендациях по выбору рациональных условий
осуществления технологических процессов изготовления конструктивно сложных
деталей;
- обосновании преимуществ новой технологии, доведенной до
промышленного применения, подтвержденными актами промышленных
испытаний и внедрения результатов диссертационной работы в объеме более 10
млн. руб.
На защиту выносятся:
-
Метод управления положением режущей части инструмента, при котором передняя поверхность установлена по отношению к обрабатываемой поверхности детали таким образом, чтобы врезание происходило более прочной областью режущей части.
-
Конструкция инструмента из композита 10, принцип действия которого основан на использовании положений метода управления режущей частью инструмента для придания оптимальных условий резания конструктивно сложных поверхностей деталей.
3. Комплекс аналитических и графических моделей, теоретических
зависимостей для определения стойкости инструмента, шероховатости
поверхностей деталей, от состояния геометрических параметров режущей части
инструмента из композита 10 и режимов резания, при различных методах
обработки конструктивно сложных поверхностей деталей.
-
Модели первоначального контакта резец – обрабатываемая поверхность детали, для придания режущей части инструмента оптимального расположения в условиях прерывистого резания.
-
Граничные условия и критические значения показателей рациональной эксплуатации инструмента из композита 10.
-
Метод определения положения передней поверхности инструмента TUVS, при котором температура резания меньше, чем при обработке гладких поверхностей, что позволяет интенсифицировать режимы резания и повысить показатели эффективности процесса прерывистого резания.
-
Конструкторско-технологические решения для повышения эффективности процессов обработки конструктивно сложных поверхностей деталей
инструментом из композита 10.
Реализация результатов. Полученные в диссертационном исследовании теоретические положения, результаты экспериментальных исследований, аналитические и графические модели, программное обеспечение, рекомендации, нашли практическое применение на ряде промышленных предприятий при разработке технологии механической обработки различных изделий машиностроительного назначения. Экономический эффект, подтвержденный Актами промышленных испытаний и внедрения результатов диссертационной работы, составил свыше 10 миллионов рублей в ценах 2012 - 2015 годов.
Отдельные результаты диссертационной работы используются в ВУЗах (ВГТУ, БГТУ, ЗабГУ и др.) при подготовке бакалавров, магистров и специалистов машиностроительного профиля.
Апробация диссертационной работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
ежегодных международных конференциях «Кулагинские чтения», «Новые материалы и технологии в машиностроении», «Инструмент и технологии ХХI века», «Технологии, наука и экономика», г. Чита, Забайкальский государственный университет, 2002-2008 годы;
конференциях МНПК «Броня-2011 (2012)», г. Москва, Академия военных наук;
конференции «Информационно-измерительные и управляющие системы
военной техники», г. Москва, 2012 г.;
международной научно-практической конференции «Современные
инструментальные системы, информационные технологии и инновации», г.
Курск, Юго-Западный государственный университет, 2010-2012 годы;
международной научной конференции «Наука: теория и практика»,
Польша, 2014 г.;
международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы
в машиностроении», г. Новосибирск, 2014 и 2015 годы;
международном технологическом форуме «Инновации. Технологии.
Производство», г. Рыбинск, 2015 г.
Диссертационная работа была заслушана в полном объеме на расширенном заседании кафедры «Технология транспортного машиностроения и эксплуатация машин» ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения», г. Новосибирск, кафедры «Машиностроительные технологии и оборудование», ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет», г. Курск, кафедры «Технология машиностроения» ВГТУ.
Публикации. Общий объем публикаций по теме работы составляет свыше 40 печ. л., из них соискателю принадлежит свыше 28 печ. л.
По теме диссертации опубликовано 40 печатных работ, в том числе 2 монографии, 18 статей в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент РФ, 2 заявки на предполагаемые изобретения, 1 свидетельство на регистрацию программы для ЭВМ.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит:
Личный вклад автора: в диссертационной работе и публикациях представлены научные результаты, в получении которых личный вклад соискателя
был доминирующим (постановка научной проблемы, цели работы и ее достижение, включая совместные исследования для различных методов обработки конструктивно сложных поверхностей деталей с последующим анализом полученных результатов).
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных результатов и выводов работы, списка литературных источников из 274 наименований и 6 приложений. Она выполнена на 286 страницах и содержит 112 рисунков, 51 таблицу.
Конструктивная и технологическая сложность поверхностей деталей
В итоге, полученную суммарную оценку конструктивной и технологической сложности детали рассматриваем в качестве количественного показателя, при помощи которого, на этапе предпроектных исследований, может быть проведено: кодовое обозначение и ранжирование обрабатываемых поверхностей по порядку возрастания суммарной сложности, отсеивание не характерных для данного класса деталей, обоснование методов обработки, выбор марки инструментального материала и др. Таким образом, итоги классификации конструктивно сложных поверхностей позволяют сделать вывод о том, что при всем многообразии они созданы ограниченным сочетанием поверхностей первого и второго порядка с второстепенными элементами, создающими прерывистость резания.
Присвоение кодового обозначения существенно упрощает порядок систематизации элементов формы конструктивно сложных поверхностей деталей, а также перевод их количественных и качественных показателей из физического состояния в математическую форму, удобную для электронной обработки результатов исследования.
Из обширного количества реальных деталей наиболее близки к исследуемой форме поверхностей, детали классов Корпусные детали и Тела вращения. Можно с уверенностью предположить что детали перечисленных классов в полной мере отвечают задачам диссертационного исследования.
Именно детали классов Корпусные детали и Тела вращения имеют в своей форме конструктивно сложные поверхности такие как: шлицевые и шпоночные, а также элементарные гладкие и прерывистые плоские поверхности и поверхности вращения, в сочетании с второстепенными сквозными и глухими, симметричными и асимметричными отверстиями, лысками, пазами разных диаметров и размеров и, следовательно, они могут выступать в качестве объекта исследования под общим названием базовые детали, табл. 1.7.
Согласно технологическому классификатору деталей машин машиностроения и приборостроения, к деталям класса Тела вращения относят детали класса 71: Валы, Полые цилиндры, Диски, из которых наиболее распространены валы гладкие и ступенчатые, валы с конструктивно сложным профилем (на основной поверхности могут находиться в различном сочетании и расположении поверхности прерыва), табл. П.2.1, Приложение 2, [16, 157, 226, 227, 234].
Детали класса Тела вращения различны по служебному назначению, конструкции, размерам и материалу. Объединяющим признаком деталей этого класса является то, что они образованы в основном наружными, внутренними и торцовыми поверхностями, имеющими общую ось вращения. Конструктивное разнообразие вызвано различным сочетанием элементарных поверхностей с элементами прерыва. Последние, в сочетании с телом детали, образуют конструктивно сложные поверхности, при точении которых инструмент работает в осложненных технологических условиях, совершая прерывистое резание. Наличие элементов прерыва осложняет процесс резания, вносит определенные трудности в подбор марки инструментального материала, влияет на выбор и назначение рациональной геометрии режущей части инструмента и режимов обработки, рис. 1.9. [25, 151, 231, 236, 237].
В зависимости от служебного назначения и конструкции, к поверхностям деталей класса Тела вращения предъявляются следующие требования:
1) точность размеров: точными поверхностями валов являются опорные шейки, сопрягаемые цилиндрические поверхности деталей, передающие крутящий момент; точность исполнения этих поверхностей IT6... IT8 с параметрами шероховатости обработанной поверхности Ra = 1,25...0,63 мкм;
2) точность взаимного расположения поверхностей: должны обеспечиваться нормативные требования к соосности рабочих поверхностей и к отклонению от перпендикулярности рабочих торцов к базовым поверхностям; допуск радиального биения шеек под зубчатые колеса относительно шеек под подшипники не более АА.884.2.4.3.2.0.4.8. Рис. 1.9. Наличие элементов прерыва у деталей класса Тела вращения (Валы) 0,25...0,50 допуска на диаметральный размер; допуск соосности шеек под подшипники 0,01...0,02 мм; 3) качество поверхностного слоя: шероховатость базовых поверхностей должна составлять Ra = 3,2...0,40 мкм; рабочих торцов Ra = 3,2..1 ,,60 мкм, остальные поверхности Ra = 12,5... 6,3 мкм.
Наиболее трудоемкими в изготовлении являются ступенчатые валы, имеющие шейки под подшипники и зубчатые колеса, шпоночные канавки и радиальные отверстия [25, 178, 220]. При обработке таких деталей решается задача по достижению показателей качества и точности в строгом обеспечении заданных отклонений от соосности поверхностей и расположения торцов относительно оси детали [157, 227, 234, 235, 249].
Указанные требования обеспечиваются обработкой соосных отверстий с одной установки; обработкой в два установа: сначала наружных, а затем внутренних поверхностей с базированием детали по наружной поверхности; обработкой детали в два установа: сначала внутренней, а затем наружной поверхности с базированием по внутренней поверхности [16, 52, 57, 62, 82, 83].
Особое положение среди деталей класса Тела вращения занимают группы деталей образованных сочетанием разнородных конструкционных материалов и восстановленных после износа покрытиями (наплавками).
Помимо элементов прерыва, детали из разнородных конструкционных материалов обладают разнообразием форм, размеров и комбинациями расположения на обрабатываемой поверхности участков металла и полимеров [105, 151, 177, 231].
Расточное приспособление для горизонтально-расточного станка
Для получения достоверных результатов экспериментальных исследований, выбор рациональной марки, из обширного перечня инструментальных материалов, может быть сделан лишь при наличии исчерпывающей информации о ее физико-механических свойствах и особенностях применения. Опыт отечественной и зарубежной металлообработки подчеркивает преимущества искусственных сверхтвердых материалов на основе кубического нитрида бора.
Краткая история создания и развития говорит о том, что впервые кубический нитрид бора был получен в США в 1957 г., в 1959 г. он был синтезирован в СССР в Институте физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина АН СССР. Промышленная технология получения этого сверхтвердого материала была впервые разработана в ЛПО «Абразивный завод» Ильич» и, начиная с 1965 г., лезвийный инструмент, оснащенный сверхтвердыми материалами, стал выпускаться серийно промышленным методом.
Значительная роль в создании новых марок инструментальных материалов и режущих инструментов на их основе принадлежит Институту сверхтвердых материалов им. В.М. Бакуля НАН Украины, ВНИИ инструмент и др., [1, 17, 20, 33, 35, 78,91,99,172].
Появление новых инструментальных материалов вызывает постоянный интерес как со стороны ученых, так и производственников. Уже в семидесятых годах научные издания «Алмазы и сверхтвердые материалы», «Синтетические алмазы», «Металлорежущий и контрольно-измерительный инструмент» становятся своеобразной школой по изучению и обобщению опыта исследований и промышленного применения искусственных сверхтвердых материалов.
В технологии машиностроения, в металлообработке, формируется новое научное направление, связанное с разработкой конструкций инструментов из искусственных сверхтвердых материалов и изучением методов обработки ими деталей из различных конструкционных материалов.
Начальному периоду характерно появление различных марок сверхтвердых материалов на основе кубического нитрида бора: эльбор-Р, белбор, исмит, гекса-нит-Ридр.,рис. 1.18. [99].
Разнообразие марок объяснялось тем, что ни в одном инструментальном материале не совмещалась высокая прочность и технологичность с необходимыми показателями режимов, особо скорости резания, и теплостойкости, для достижения показателей точности и качества, соответствующих чистовой и отделочной обработке. Стремление к созданию лучшей марки инструментального материала, при отсутствии единой нормативной базы, привело ко многим неточностям и противоречиям как в научных исследованиях, так и в практической деятельности. Как необходимая мера, ВНИИ инструментом была проведена классификация имеющихся в промышленном производстве марок искусственных сверхтвердых материалов с присвоением наименования композиты, а также сформулирован перечень требований, предъявляемых к качеству инструментального материала, определяемому комплексом физико-механических параметров. В перечень вошли следующие физико-механические параметры искусственных сверхтвердых материалов: пределы прочности при сжатии, растяжении и изгибе; плотность; модуль упругости; коэффициент Пуассона; теплопроводность; удельная теплоемкость; устойчивость к нагреванию на воздухе; микротвердость; коэффициент трещино-стойкости и др.
К отличительным особенностям композитов относится не только наивысшая твердость. Этим инструментальным материалам свойственны высокая износостойкость,
Классификация инструментальных материалов на основе нитрида бора [99] низкий коэффициент трения и, следовательно, малый износ, инструментальная стойкость, теплопроводность, коррозионная устойчивость, надежность, долговечность и большой ресурс, табл. 1.12.
Из общей группы композитов выделяется композит 10, обладающий рядом преимуществ перед другими инструментальными материалами.
Преимущества физико-механических характеристик композитов перед другими инструментальными материалами позволили повысить производительность различных методов металлообработки, в том числе: при токарной обработке деталей разной конструктивной сложности, при точении порошковых покрытий и наплавок, при торцовом фрезеровании, при резьбообразовании, при обработке отверстий растачиванием и развертыванием [2, 11, 43, 90, 248, 252].
Предметом диссертационного исследования становятся вопросы теплового состояния, прерывистости резания, жесткости деталей, достижения высокого качества поверхностного слоя деталей из различных конструкционных материалов [51,65,131,140,245].
Обобщение результатов исследования закономерностей процесса лезвийной обработки деталей инструментом из композитов, представлено фундаментальными трудами: докторскими диссертационными работами [87, 107, 165, 195] и коллективными монографиями [20, 34, 80, 144, 160, 161, 164, 196].
Содержание научных работ изложено таким образом, что подавляющее число исследователей строит эксперимент по принципу подбора лучшей марки инструментального материала для каждого обрабатываемого материала, метода обработки и конкретного состояния жесткости технологической системы. Мотивация такого подхода заключается в устойчивом мнении об отсутствии универсальной марки инструментального материала, способного обеспечить высокую работоспособность режущего инструмента при различном характере условий его эксплуатации.
Разработка метода управления положением режущей части инструмента при обработке конструктивно сложных поверхностей деталей
Рассмотрим на примере торцового фрезерования действие метода управления положением режущей части инструмента. режущей кромки; условия контакта Исходные данные: диаметр фрезы D = 200 мм; ширина обрабатываемой поверхности детали В = 150 мм; угол резца в плане ф = 85о; осевой передний угол уос= 7o; радиальный передний угол ур= - 4o; / =0,5D sins; c =1,33; X- угол наклона главной зуба фрезы и обрабатываемой поверхности приведены в табл. 3.1.
На рис. 3.17. показаны теоретически возможные варианты первоначального контакта режущей части зуба торцовой фрезы с обрабатываемой поверхностью детали. Схема возможных вариантов первоначального контакта режущей части зуба фрезы с обрабатываемой поверхностью детали 1) осевой передний угол уос 0, то контакт на поз. 9 невозможен; 2) осевой передний угол + уос, контакт на поз. 8 невозможен; 3) радиальный передний угол и угол первоначального контакта равны, т.е. ур = , а / = 6,98 мм, то контакт на поз. 7 возможен. При условии ур , согласно данным табл. 3.1, должны иметь место наиболее благоприятные условия контакта на поз. 3, 4, 6. Рассмотрим эти случаи: а) вариант контакта поз. 6 (U - V контакт линейного характера), tg = c или = -53,2. Для этого значения из табл. 3.1. может быть выделено два возможных варианта контакта: поз. 3 или поз. 4 (у ). Но принимая во внимание, что для рассматриваемого примера tg c, фреза вступает в контакт с деталью в условиях Y контакта, поз. 4; б) для полной обработки плоскости детали при ширине фрезерования В = 150 мм, величина / должна находиться в пределах от B-D/2 до D/2. Тогда: sinyoc = (D - 2B)/D или sinyoc= (200-300)/200 = -0,5; следовательно уос= 30. Между полученными значениями находится угол линейного контакта Yос1= 8j= -53,2. Оба граничных значения уос(уос1) меньше радиального переднего угла ур, так они отрицательны (у ), следовательно эти условия соответствуют вариантам контакта 1, 2, 5, а именно: - при угле 53,2о существует контакт 5, контакт TS линейного характера; ве личина / = b - 0,5D sinyoc или / = 150-0,52000,802 = 69,8 мм. Для значений между B - D/2=150 -100 = 50 мм и / = 69,8 мм tg c, что соответствует услови ям Т-контакта (контакт 2); при / 69,8 мм имеет место S контакт (контакт 1), табл. 3.1.
Задачей исследования является нахождение методом управления положением режущей части оптимального сочетания геометрии инструмента и угла поворота в резьбофрезерной головки, при котором обеспечивается требуемое условие контакта передней поверхности резца с обрабатываемой поверхностью заготовки.
Как следует из рис. 3.18. резец вступает в контакт с поверхностью заготовки в точке С и выходит из контакта в точке А.
Рассмотрим положение вершины инструмента относительно обрабатываемой поверхности на этапах врезания, установившегося резания и выхода резца из контакта с заготовкой при условии, что угол поворота резьбофрезерной головки в 0, рис. 3.19.
На рис. 3.18. и 3.19.: ОиА = гд; ОиР = d; AM = b; BN = Ьь В и Bj - положение вершины резца относительно обрабатываемой поверхности заготовки в зависимости от изменения толщины стружки по нормали к оси симметрии заготовки, ОиВ= = Гд + а; 03В = r3; а - толщина стружки.
Известно универсальное уравнение прямой на плоскости в координатных осях tgygk, позволяющее с помощью зависимостей (3.23) - (3.31) представить уравнения двух прямых на плоскости, выходящих из одной точки Оэ (центр заго 123 товки) и дающих характеристику условиям контакта на входе (врезании) и выходе резца из заготовки [200, 201, 241]:
Из рис. 3.20. следует, что любые сочетания углов резца X и у, располагающиеся между линиями TU и UV, образуют наиболее благоприятные условия для работы инструмента (TUVS) - «темная зона». Все остальные возможные варианты сопровождаются уменьшением работоспособности инструмента. где: R, мм - радиус отверстия; t, мм - глубина резания; х, мм - смещение вершины инструмента поворотом режущей пластины на угол в касанием с боковой поверхностью паза; a = VR2+x2-OE2;b = OE;Knp - коэффициент прерывистости обрабатываемой поверхности, Кпр = 1,2 (см. табл. 1.2).
Определяя по формуле (3.38) угол поворота и разворачивая на его величину режущую пластину однолезвийной развертки, можно находить положение вершины инструмента относительно обрабатываемых конструктивно сложных элементов отверстия, при котором вероятность удара практически исчезает. Такое положение настройки является существенной модернизацией способа резания [43, 208].
Изучение теплового состояния поля резания на примере точения поверхности детали состоящей из металлической основы с пластмассовым наполнителем
В условиях прерывистого резания, на режущую часть инструмента оказывают одновременное циклическое воздействие динамические и тепловые нагрузки, частота и продолжительность действия которых определяются наличием на обрабатываемой поверхности элементов прерыва.
Так, при чистовом точении композитом 10 конструктивно сложных поверхностей с элементами прерыва и, в сравнении, наплавленных поверхностей, увеличение холостого пробега инструмента до 40 процентов общей площади обработки, способствует снижению температуры в зоне резания от 720-800С (гладкая поверхность) до 580-500С (поверхность с элементами прерыва), до 600-550С (наплавленная поверхность), при сходимости опытных и расчетных температур в пределах 12 процентов, табл. 4.6, рис. 4.16.
С увеличением прерывистости обработки тепловое состояние стабилизируется. При точении поверхности детали, состоящей из комбинации двух конструкционных материалов, фактор прерывистости резания практически теряет значимость, так как комбинированная поверхность не имеет элементов прерыва, табл. 4.7, рис. 4.19.
Указанные особенности динамики процессов прерывистого резания нашли отражение и при аналитических расчетах теплового состояния зоны обработки (см. формула 4.14), наплавленной поверхности (см. формула 4.15), комбинированных поверхностей (см. формула 4.20). Введение в вышеуказанные математические зависимости в качестве основного фактора показателя прерывистости, позволяет уточнить искомые показатели качества обработки конструктивно сложных поверхностей.
Анализ математических зависимостей шероховатости обработанных поверхностей и графических моделей прерывистого резания позволяет сделать вывод о существенном влиянии на формирование заданного качества формы контакта режущей части инструмента с обрабатываемой поверхностью детали. Кроме этого, следует принимать во внимание и точку замера шероховатости, так как ее расположение существенно влияет на величину параметра Ra, табл. 5.4.
Судя по полученным результатам (табл. 5.4) наблюдается закономерность -при врезании инструмента в обрабатываемую поверхность (точки №1, №4), шероховатость больше, чем на этапе резания (точки №2, №5). На выходе инструмента из контакта с деталью (точки №3 и №6), шероховатость выше, чем на этапе резания, но меньше чем при врезании, что объясняется приработкой инструмента, условиями прерывистого резания, стружкообразования и др. Однако, во всех случаях, шероховатость обработанной поверхности соответствовала предельно допустимым значениям Ra 1,25 мкм в пределах границ стойкости инструментального материала композит 10: h3 = 0,40 мм.
Таким образом, работоспособность инструментального материала композит 10 в условиях динамики процесса прерывистого резания полностью удовлетворяет условиям чистовой обработки конструктивно сложных поверхностей деталей.
Рассмотрим это положение на примере точения поверхности детали состоящей из комбинации металла и полиамида.
Экспериментально установлено, что при установившемся процессе точения, изменение условий контакта режущего элемента и обрабатываемой поверхности от оптимального TUVS передней поверхностью инструмента к точечному контакту V, T или S вызывает ухудшение качества (параметр Ra), табл. 5.5.
Изменение условий контакта резец-деталь на Т контакт, приводит к работе на грани риска брака (Ra 1,25 мкм), а при S контакте (вершина режущего элемента) во всех случаях (табл. 5.4) фиксировалось несоответствие качества обработки принятым критериальным условиям: Ra 1,25 мкм, при износе инструмента по задней поверхности h3 0,40 мм, из-за резкого падения стойкости инструмента.
В зоне оптимизации (рис. 5.4.) находится следующая геометрия режущей части инструмента: радиус при вершине г=0,5 мм, большие значения приводят к ухудшению точности обработки из-за вероятных вибраций, а меньшие значения ослабляют режущую кромку; передний угол у=-8; задний угол а=12; главный угол в плане ф=45 (значения ф 35 не следует применять, поскольку возрастает радиальная сила Ру, возможно появление вибраций и искажение формы деталей); вспомогательный угол в плане (p1=15, большие значения не рекомендуются, так как возрастает высота микронеровностей на обрабатываемой поверхности.
Шероховатость наплавленных поверхностей при чистовом точении резцами из композита 10 зависит от следующих технологических факторов, перечисленных в порядке степени убывания их влияния на параметры микропрофиля: условия контакта резец-деталь; скорость резания; подача; радиус при вершине резца; передний угол.
При скоростях резания менее 3,0 м/с конструктивно сложных поверхностей деталей работоспособность инструмента падает, а размерный износ увеличивается. Низкая работоспособность инструмента и ухудшение шероховатости наблюдается при скоростях резания более 8 м/с, когда лидирующим фактором становится не износ, а хрупкое разрушение режущей части инструмента.
В исследованном диапазоне режимов резания минимально возможному значению шероховатости обработанной поверхности соответствуют минимальное значение подачи и максимальное значение скорости резания. Однако, в эти данные следует вносить поправку при помощи коэффициента Кпр, учитывающего фактическое состояние конструктивной сложности обрабатываемой поверхности (табл. 1.2), поскольку минимальные подачи существенно снижают производительность процесса, а верхний предел скорости резания лимитирует состояние конструктивной сложности обрабатываемой поверхности и требования, предъявляемые к точности обработки.