Введение к работе
Актуальность. В современном судовом машиностроении, особенно при производстве судовых машин и систем энергетических установок, работающих при высоких температурах, больших нагрузках и в агрессивных средах, все большее применение находят коррозионно-стойкие и жаропрочные стали и сплавы. Они относятся к числу труднообрабатываемых и характеризуются низкой обрабатываемостью резанием.
Получение качественных внутренних поверхностей в деталях из таких материалов сопряжено со значительными трудностями, вызванными интенсивными вибрациями упругой системы станок-приспособление-инструмент-деталь (СПИД). Процесс усложняется еще и тем, что здесь крайне затруднено стружкоудаление, затруднен доступ смазочно-охлаждагощей жидкости (СОЖ) в зону резания. Все это предопределяет низкие: производительность и точность обработки, качество обработанной поверхности, стойкость инструмента и эксплуатационные характеристики изделий. Существующие методы стабилизации ограничены особенностями процесса. Применение специальных инструментов, дефицитных смазок в качестве СОЖ позволило лишь частично улучшить удаление стружки из зоны резания и незначительно повысить стойкость инструмента. Операцию стали выполнять на станках, но при пониженных режимах резания и при использовании специальных СОЖ. Таким образом, существенных преимуществ применение такого инструмента не дало.
Детальное изучение результатов экспериментальных работ показало, что указанная проблема не будет качественно решена, если будут продолжать выполнять исследования только на экспериментальном уровне. Необходимо качественное решение данной проблемы. Решение задачи по повышению эффективности обработки внутренних поверхностей изделий из труднообрабатываемых материалов возможно только при наличии научно- обоснованной теории динамических процессов при резании, методики управления уровнем интенсивности автоколеба-яий.
Вопросы динамики в течение уже длительного времени занимают внимание ученых, исследователей-технологов. Среди них можно вылетать работы А. И. Каширина, А.П. Соколовского, М.Э. Эльясберга, В.
Н. Подураева, В. А. Кудинова, И. Г. Жаркова, С.Л. Мурашкина и др. Основная масса этих исследований посвящена вопросам обработки деталей на токарных и фрезерных станках. Вопросы же динамики процессов обработки внутренних поверхностей изучены совершенно недостаточно. При сравнении вышеуказанных видов обработки можно заметить, что обработка внутренних поверхностей имеет особенности, не характерные для токарных и фрезерных операций. Это: затрудненные доступ СОЖ в зону резания и стружкоудаление, низкие скорости резания, высокая частота автоколебаний технологической системы, низкая жесткость и прочность режущего инструмента, незначительные размеры режущей части инструмента, ограниченные размерами обрабатываемой поверхности, некруглое сечение рабочей части инструмента, что вызывает депланацию поперечного сечения при кручении в процессе обработки, большая площадь контакта инструмента с обрабатываемой деталью, многолезвийность режущего инструмента и ряд других. До последнего времени не было не только методики одновременного учета всех этих особенностей при исследовании и оценке динамического качества технологической системы, но и надежных теоретических средств для расчета параметров автоколебаний технологических систем и методики управления уровнем интенсивности автоколебаний. Нет достаточно строгой теории, объясняющей влияние вибраций на точность и производительность обработки, качество обработанных поверхностей с учетом одновременного изменения скорости резания, толщины среза, а также дополнительных перемещений инструмента, вызванных вибрациями.
Поэтому исследования, направленные на оптимизацию и научное обоснование динамических процессов при обработке внутренних поверхностей в труднообрабатываемых материалах с целью повышения производительности и точности обработки, качества обработанных поверхностей являются актуальными.
Ознакомление с опытом работы многих промышленных предприятий показывает, что из всех видов обработки внутренних поверхностей машинное нарезание внутренних резьб является наиболее "узким" местом в технологии обработки деталей. Кроме того, процесс нарезания резьб метчиками наиболее сложный и наиболее полно отражает характерные черты , общие для большинства процессов обработки внутренних поверхностей. Исходя из этого в работе в качестве базового для ос-
новных исследований принят процесс резьбонарезания.
Автор выражает признательность своему учителю заведующему кафедрой "Технология машиностроения" Балтийского государственного технического университета "Военмех" им. Д.Ф. Устинова доктору технических наук, профессору 1 Игорю Григорьевичу Жаркову | за помощь в подготовке рукописи.
Цель работы. Совершенствование существующих и разработка новых научно обоснованных технических и технологических решений направленного повышения производительности и точности обработки, качества поверхностей при машинной обработке внутренних поверхностей изделий из труднообрабатываемых материалов, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса и позволяет сократить материальные затраты в машиностроительном производстве.
Научная новизна.
1. Теоретически обоснована и внедрена в производство новая методика исследования динамических процессов при обработке внутренних поверхностей.
2.Решены аналитические задачи определения: характеристики силы трения инструмента с заготовкой, учитывающей депланацию его поперечных сечений при резании ; влияния динамики процесса на параметры технологической системы при резании с учетом переменности фактической скорости резания, толщины среза, а также дополнительных перемещений инструмента при вибрациях.
-
На основе многофакторных методов математического планирования экспериментов разработаны полиномиальные модели влияния технологических параметров на силы резания и качество обрабатываемых поверхностей. Учтено совместное влияние геометрических параметров инструмента и технологических параметров системы СПИД.
-
Разработана математическая модель крутильных автоколебаний технологической системы при обработке внутренних поверхностей. Получено аналитическое выражение для расчета параметров вибраций технологической системы СПИД при резании. Впервые учтены: нелинейность характеристики силы; "запаздывание" изменения силы резания от изменения толщины среза при вибрациях, волнообразный след на поверхности резания, оставленный предшествующими зубьями инст-
румента.
5. Теоретически обосновано и экспериментально исследовано
влияние амплитуды и частоты автоколебаний технологической системы
на точность и производительность обработки, качество обработанных
поверхностей.
-
Разработана методика управления интенсивностью автоколебаний технологических систем. Дано теоретическое обоснование новых способов повышения динамического качества технологической системы СПИД для достижения высокой точности и производительности обработки, качества отверстий.
-
Аналитически решена задача устойчивости системы СПИД при обработке внутренних поверхностей.
-
Разработаны, защищены и внедрены: новые технологии обработки внутренних поверхностей изделий из труднообрабатываемых материалов, технологичные промышленные конструкции эффективных высокопроизводительных инструментов и оснастки.
Практическая ценность состоит в разработке методики управления интенсивностью автоколебаний, которая открывает большие возможности целенаправленного повышения производительности и точности обработки, стойкости инструмента, улучшения качества обработанной поверхности изделий, сокращения числа поломок инструментов, в разработке методов создания новых типов мерного инструмента и технологической оснастки, что подтверждено авторскими свидетельствами (А.С. 1222443, 1431902, 1535681, 1590232, 1609563, кл. В 23G 5/06, А.С. 1286361, 1646682, кл. В. 23В 31/04) и патентом РФ 93032134/08, в разработке новых прогрессивных методов обработки отверстий в труднообрабатываемых материалах. Методика включает комплекс методов повышения виброустойчивости наименее жесткого звена динамической системы СПИД, использовании свойств ее компонентов и разработанного комплекса средств рационального сочетания в одном процессе различных способов воздействия на динамику, в разработке математических моделей и алгоритмов, реализованных в виде аналитических зависимостей и расчетных данных для применения в технологических процессах обработки отверстий в труднообрабатываемых материалах, в инженерных расчетах.
На защиту выносятся:
обоснование методов исследования динамических процессов при обработке внутренних поверхностей;
обоснование динамических характеристик сил резания и трения;
математическая модель крутильных автоколебаний технологической системы СПИД, основанная на учете депланации поперечного сечения инструмента при кручении в процессе обработки, изменения фактической скорости резания при вибрациях и волнообразного следа на поверхности резания;
закономерности изменения амплитуды и частоты автоколебаний в зависимости от параметров технологической системы СПИД;
- обоснование влияния динамического качества технологической
системы на производительность и точность обработки, качество обрабо
танных поверхностей и стойкость режущего инструмента при обработке
внутренних поверхностей изделий из труднообрабатываемых материа
лов;
методика управления интенсивностью автоколебаний технологических систем;
результаты практической реализации результатов исследований.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзной конференции "Интенсификация технологических процессов механической обработки" (г. Ленинград, 14-16 октября 1986 г.), научно-техническом семинаре "Динамика и адаптация технологических систем машиностроения" (г. Тольятти, 1986 г.), научно-техническом семинаре "Новое в инструментальном производстве" (г. Ленинград, 1986 г.), научно-техническом семинаре "Прогрессивные инструментальные комплексы для механической обработки деталей в ГПС" (г. Ленинград, 1987 г.), научно-техническом семинаре "Управление качеством изделий и технологических процессов в машиностроении" (г. Махачкала, 1988 г.), научно-техническом семинаре "Повышение эффективности использования нового режущего инструмента в машиностроении" (г. Ленинград, 1990 г.), коллегии Министерства промышленности, транспорта и связи РД (г. Каспийск, 1994 г.), Международном семинаре-симпозиуме "Технологии инструментального производства - 97" (г. Санкт-Петербург, 25-26 ноября 1997 г.), региональных научно-технических семинарах в 1987-1997 гг.
Полное содержание диссертации обсуждалось на заседаниях кафедр технических комплексов и САПР, технологии машиностроения и технической кибернетики ДГТУ и на совместном заседании кафедр технологии судового машиностроения и материаловедения и технологических конструкционных материалов в СПбГМТУ.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 42 печатных работах. По теме диссертации получено 7 авторских свидетельств на изобретения и один патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 8ми глав, ^выводов, приложений. Диссертация изложена на 285 страницах машинописного текста, включает 66 рисунков, 16 таблиц и 27 страниц приложений. Библиография - 204 наименования.
