Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель работы и задачи исследований . 7
1.1. Конструкция, геометрические параметры, эффективные области и условия применения твердосплавных метчиков (ТСМ) . 7
1.2. Износ и критерий затупления метчиков 13
1.3. Прочность режущих кромок метчиков 19
1.4. Прочность и жесткость метчиков 24
1.5. Влияние геометрических параметров на процесс резьбонарезания и стойкость метчика 29
Выводы и постановка задач исследования 34
2. Методика экспериментальной работы 37
2.1. Средства экспериментальных исследований 37
2.2. Методика исследований 43
2.3. Обработка результатов измерений 55
3. Анализ геометрических и конструктивных элементов метчика и параметров среза 58
3.1. Анализ задних углов 60
3.2. Угол наклона заборной части 70
3.3. Передние углы 73
3.4. Кинематика резьбонарезания и условия стружкообразования 79
3.5. Выбор формы заборной части 86
3.6. Кинематика резьбонарезания метчиками с криволинейной заборной частью 95
3.7. Исследование напряженного состояния метчиков с налаянными пластинами твердого сплава 98
Выводы 117
4. Экспериментальные исследования стойкости твердо сплавных метчиков и технологических характеристик процесса резьбонарезания в сером чугуне счю 119
4.1. Определение износостойкости твердых сплавов 122
4.2. Износостойкость и прочность режущих кромок метчиков 124
4.3. Влияние геометрических параметров на прочность режущих кромок 129
4.4. Исследование крутящих моментов, точности и качества нарезаемых резьб 131
4.5. Определение работоспособности ТСМК в производственных условиях. 150
4.6. Определение функциональной зависимости стойкости
от элементов режима резания 164
Выводы 178
5. Экономическая эффжшвность от применении твердосплав ных метчиков при нарезании резьб в деталях из серого чугуна 181
5.1. Расчет экономической эффективности в сфере изготовления 186
5.2. Расчет экономической эффективности от применения ТСМ 191
Общие выводы 196
Литература 199
Приложения
- Влияние геометрических параметров на процесс резьбонарезания и стойкость метчика
- Кинематика резьбонарезания и условия стружкообразования
- Исследование напряженного состояния метчиков с налаянными пластинами твердого сплава
- Исследование крутящих моментов, точности и качества нарезаемых резьб
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 года и на период до 1990 года", утвержден-ных ХХУІ съездом КПСС [і], определено увеличить за пятилетие выпуск продукции машиностроения и металлообработки не менее, чем в 1,4 раза, повысить производительность труда на 31-35 процентов. Для решения этой задачи существенная роль принадлежит дальнейшему совершенствованию материалов и конструкции металлорежущих инструментов и условий их эксплуатации.
Одним из трудоемких технологических процессов в машиностроении является резьбонарезание метчиками, так как метчики из быстрорежущих сталей обладают сравнительно невысокими режущими свойствами и в условиях автоматизированного производства не отвечают требованиям высокой стойкости инструмента. Как показывают исследования, в настоящее время появились соответствующие современному уровню техники условия для решения проблемы путем изготовления метчиков из твердых сплавов.
Однако, из-за пониженных прочностных характеристик и отсутствия достаточно обоснованных данных для проектирования твердосплавных метчиков (ТСМ) и по условиям их рациональной эксплуатации при обработке серого чугуна, эффективность ТСМ пока не соответствует высокой износостойкости твердых сплавов. Имеющиеся недостатки в работе ТСМ (разброс стойкости в больших пределах, частые поломки в процессе работы, увеличенный расход твердого сплава, высокий процент брака обрабатываемых изделий), а также потребности производства в методах количественной и качественной оценки их эксплуатационных показателей, требуют решения комплекса вопросов, связанных с теоретическим исследованием и оптимизацией геометрических и конструктивных элементов ТСМ, условий их изготовления и эксплуатации.
В связи с этим, целью работы является совершенствование на базе теоретических и экспериментальных исследований конструкции и условий работы твердосплавных метчиков для повышения эффективности процесса нарезания резьб в деталях из серого чугуна.
Для повышения сопротивления разрушению режущей части и более эффективного использования износостойкости твердых сплавов необходимо обеспечить во всех сечениях режущей части ТСМ оптимальные геометрические параметры, достаточную жесткость и прочность конструкции инструмента, правильно выбрать марку сплава, критерий затупления ТСМ, состав СОЖ и режимы резания. Это, в свою очередь, требует комплексного изучения геометрии режущей части метчика, ее влияния на конструкцию режущих кромок, распределение нагрузки на длине режущей части метчика и, следовательно, на характер износа и прочность режущей части метчика, стойкостные и силовые зависимости процесса резьбонарезания метчиками, точность и качество нарезаемых ими резьб. Решению этих вопросов и посвящена настоящая работа.
В процессе исследования было установлено, что для обеспечения равномерного распределения нагрузки и уменьшения износа и выкрашивании режущих кромок необходимо, чтобы заборная часть ТСМ имела ступенчатую форму, которая может быть заменена близкой по эффективности и более технологичной в изготовлении криволинейной формой, образованной дугой окружности. Предложена методика расчета заборной части таких метчиков.
Анализ напряженного состояния метчиков позволил установить оптимальные соотношения между основными конструктивными элементами метчика и размерами пластин твердого сплава, исходя из условия прочности и жесткости конструкции инструмента. Разработана методика и алгоритмы решения задачи о кручении инструментов с налаянными пластинами твердого сплава с помощью ЭВМ.
Установлены оптимальные марка твердого сплава для оснащения метчиков при нарезании резьб в сером чугуне, критерий их износа, состав COS и скорости резания, величины геометрических и конструктивных параметров, отвечающих условиям наибольшей износостойкости и достаточной прочности режущих кромок и рациональной эксплуатации тем.
Получены функциональные зависимости износа и стойкости TGM от элементов конструкции и режимов резания, поправочные коэффициенты на скорость резания, учитывающие форму заборной части, марку твердого сплава и размер метчика, которые позволяют распространить результаты стойкостных исследований на ряд подобных метчиков.
Предложенные методы расчета заборной части, напряженно-деформированного состояния метчика,, а также полученные в работе функциональные зависимости могут быть использованы в системе автоматизированного проектирования метчиков с напаянными пластинами- твердого сплава.
Рекомендации по совершенствованию геометрических и конструктивных параметров метчиков и условиям их эксплуатации, полученные при проведении экспериментальных исследований на ордена Трудового Красного Знамени Карагандинском заводе отопительного оборудования игл. 50-летия СССР, позволили повысить их работоспособность и стабильность режущих свойств и получить годовой экономический эффект по заводу 50328 рублей.
Влияние геометрических параметров на процесс резьбонарезания и стойкость метчика
Передний и задний углы в статическом состоянии инструмента измеряются в плоскости, перпендикулярной оси метчика [3,481. Передняя поверхность оформляется по плоскости, а задняя поверхность -по одной из шести типов (классификация д.т.н.Матвеева В.В.[3] ) затылочных кривых. Наиболее распространены затылование по дуге окружности (3 способа) и Архимедовой спирали.
Передние и задние углы переменны на длине заборной части и уменьшаются в направлении к калибрующей части от 20...25% [35] до Ъ0% [66]. Следовательно, назначаемые на рабочих чертежах метчиков передние и задние углы, без указания сечения, к которому они относятся, не обеспечивают необходимой точности их выполнения на метчике.
По общему мнению исследователей такая закономерность в изменениях передних и задних углов благоприятна для начальных резцов заборной части, выполняющих черновую работу с большими сечениями стружек и, наоборот, ухудшает условия резания и увеличивает износ последних формирующих и калибрующих резцов метчика.
В работах [34,41] А.А.Трудов установил, что интенсивность износа метчиков при нарезании резьбы как в стали, так и в сером чугуне пршлерно одинаковая. При этом стоіїкость метчиков, нарезающих резьбу в чугуне, почти в 2 раза выше (Т=55 мин) при допуститлом большем (в 1,5 раза) износе. В связи с этим влияние геометрических параметров метчиков на их стойкость при обработке сталей и чугуна считает тожественными. Игл установлено, что стойкость метчика Т (мин) связана с задним углом ОС и толщиной срезаемого слоя " СС " следующим образом:
Величина оптимального заднего угла по стойкости для метчиков, нарезающих резьбу в сквозных отверстиях с толщинами срезов до 0,1...0,15 мм, лежит в пределах от 18 до 20 [41]. Такая величина заднего угла неприемлема для метчиков, затылованных по Архимедовой спирали, так как это ведёт к недостаточной стабильности процесса нарезания из-за значительного уменьшения величины резьбовых поверхностей метчика, контактирующих с изделием. В связи с этим увеличенные значения оптимального заднего угла ОС = =18...20 против рекомендуемых #=4...6 ГОСТами 1604-71 и 3266-81, а также рядом других литературных истошпшов #=3...8 [6], 6...8 [10], 8...12 [48], предлагается создавать в непосредственной близости от режущей кромки, затыловывая спинку пера комбинированным способом (по Архимедовой спирали и дуге окружное ти).
Ранее в работах [40] также было указано на существенное влияние принципиальных схем затылования на стойкость и производительность заточенных метчиков. Однако, подробный анализ и проведенные В.В.Матвеевым [3] специальные эксперименты не выявили влияния типа затылочной кривой на стойкость метчика при обработке сквозных отверстий.
Динамические испытания показывают [66,67], что с уменьшением заднего угла, начиная с 10...12, происходит налипание мелких частиц обрабатываемого материала и увеличиваются крутящие моменты. Увеличение Ы. свыше 10...12 значительного снижения крутящих моментов не обеспечивает.
Исследованиями точности резьбонарезания метчиками [41,68,69] установлено, что величина разбивания при нарезании резьбы в чугуне значительно меньше по сравнению с работой по стали. По данным (41,69] изменение заднего угла метчика в пределах от 5 до 19 не оказывает существенного влияния на точность резьбонарезания.
С увеличением переднего и заднего углов уменьшаются величина разбивания и зона рассеивания размеров резьбы [68]. Выявленные закономерности можно объяснить определяющим влиянием сил, возникающих в процессе работы метчика. Уменьшению разбивания способствует снижение осевых сил, отнесенных к единице площади опорных элементов резьбы метчика, за счёт снижения сил трения в подвижных частях станка из-за уменьшения крутящего момента.
Изучение износа метчиков показывает, что метчики с передними углами у =0...5 имеют несколько меньшую интенсивность износа и большую стойкость, чем метчики с передними углами Y = =10...15 [70].
Кинематика резьбонарезания и условия стружкообразования
В и диаметром отверстия под резьбу, между резцами заборной и калибрующей частей метчика. По количеству режущих кромок на отдельном резце все формирующие резцы метчика наїж разделены на три группы С76]. К первой группе отнесены резцы в начале заборной части, формирующие Л ВСЯ. Резцы этой группы имеют главные кромки вг .. б0, увеличивающиеся по длине от резца к резцу, и вспомогательные кромки одинаковой (кроме первого резца) длины вп. Угол между ними составляет 120-ср(для метрической резьбы) или П730 -ср (для трубной резьбы). Наибольшая длина главной кромки где If ($/6) +0 774[м-Uj)„ для метрической резьбы, и /f = ($/б)] +0,62 (Л}"d1) - для трубной резьбы. Длина правой (по схеме) вспомогательной кромки
Для этой группы длина главной кромки каждого предыдущего резца, в порядке вступления в работу, меньше длины каждого последующего на величину:
Резец с наименьшей длиной В1 будет представлять собой первый резец заборной части с длиной вспомогательной кромки:
Ко второй группе можно отнести резцы, формирующие профиль BCNM, Для резцов этой группы характерны по три кромки на каждом режущем клине: главные В+j...Bf , уменьшающиеся по длине от резца к резцу и вспомогательные оп и ил . Угол между левой и главной кромками составляет 120+ if (для метрической резьбы) или П730/+ + Ср (для трубной резьбы). Длина левой кромки
Для длин главных кромок где д = (fysin)/cos(у-%). Длина главной кромки последнего резца группы может іметь величину в пределах вг вк вг+9 где B Ce Cos jcos -h /2) - наименьшая возможная длина главной кромки у вершины N профиля ВС/ИМ. Здесь длина площадки на вершине резьбы метчика, соответственно, с метрической или трубной резьбой.
В последнюю группу входят резцы, формирующие вершину резьбового профиля (калибрующие резцы t30]). Первый калибрующий резец 6Н1 в зависимости от величин (см.рис.3.14) может иметь от двух до четырех кромок (С-расстонние от левой вершины резьбы до вр , измеренная в направлении правой боковой поверхности профиля). При c + 6n/f вп первый калибрующий резец окажется и последним, т.е. формирование вершины профиля нарезаемой резьбы будет осуществляться одним калибрующим резцом. Если 6ntc 0 С+вцк йп этот Резеп- ЗУДет иметь три рабочих кромки: в2, &7ікж &4 определяемые по соответствующим формулам (3.10),(3.11) и (3.9). Если же при этом c+Bnix 6n, длина левой вспомогательной кромки будет меньше 6JJ и определяется по формуле
При Вт=0, С 6п формирование вершины резьбы осуществляется резцом с двумя рабочими кромками Єг ж л (если С= бп ) или 6ЛК (если С 6п)г определяемых по формулам (3.10),(3.9) и (3.12).
При 0+Вп/( Вл в формировании вершины профиля нарезаемой резьбы участвуют не менее двух резцов. Если отношение C+8n/f к 8п больше I, но меньше или равно 2, число калибрующих резцов будет равно двум; если же это отношение находится в пределах от 2 до 3
Исследование напряженного состояния метчиков с налаянными пластинами твердого сплава
Для определения рациональных величин конструктивных элементов метчиков и направлениям их совершенствования большое значение имеет анализ напряжений, возникающих в процессе их работы. Впервые такое исследование с целью определения влияния диаметра сердцевины, толщины и высоты пластины твердого сплава на напряженно-деформированное состояние метчиков 1/2" труб, и Ж2 было проведено В.М.Этптейном в работах /13,61/ (см.1.4.). Им был использован один из бурно развивающихся, но недостаточно разработанных применительно к режущим инструментам, методов теории упругости - метод конечных элементов. В результате было установлено, что наибольшие напряжения возникают на наружном контуре твердосплавных пластин, т.е. на наружном контуре скручиваемого стержня, что, однако, не согласуется с теорией кручения упругих тел и в работе не объяснено. Кроме того, расчет полных касательных напряжений по разности, а не по сумме квадратов компонентов касательных напряжений /61/, искажает действительную картину распределения напряжений.
В связи с этим, с целью уточнения и обобщения результатов исследований напряженного состояния метчиков с напаянными пластинами твердого сплава на метчики средних размеров с числами перьев =6 и 8, нами в работе использован один из наиболее обоснованных и универсальных [63,65j методов теории упругоети--метод конечных разностей, который широко применяется [3,57,59] к исследованию цельных метчиков. В число исследуемых параметров,; кроме диаметра сердцевины, размеров пластины, включены число и ширина перьев, которые определяют форму перьев и существенно влияют на напряженное состояние метчиков.
Анализ конструктивных элементов метчиков проводился на основе общего решения задачи о кручении стержней, составленных из различных материалов, при помощи функции напряжения U(X,y) и сопряженной функции кручения (х,у). Разработанная методика расчета функции U(xty) и t(x,y) , удовлетворяющих условиям решения задачи, и её реализация на ЭВМ описаны в Приложении 2. На основании полученных значений функции Ufcy) и (х,у) , по известным формулам [86J рассчитывали жесткость С метчика, относительные углы закручивания 9, касательные напряжения 1г та коэффициенты Кг в исследуемых точках поперечного сечения и разрущающий крутящий момент Мра5 .
Отработка методики расчета метчиков с напаянными пластинами твердого сплава с применением метода конечных разностей (ІЖР). Для этой цели, а также сравнительного анализа с результатами работы [ІЗ] , был выбран метчик 1/2" труб, с параметрами, представленными на рис.3.27 в) (см.ниже) и в табл. 3.3 (1Х-вари-ант). представлен профиль пера этого метчика с рассчитанными на ЭШ значениями функции (x,y)t (распечатки программ см.Приложение 2), а на рис.3.24 и 3.25 - функциями U(xty), соответственно, в узлах сетки и в серединах квадратов сетки. С использованием этих данных вычислены касательные напряжения т 1 и их коэффициенты /Г изолинии которых представлены на рис.3.26.
Как видно из рис. 3.26, наибольшее напряжение возникает в пластине твердого сплава на месте пересечения её передней поверхности со стружечной канавкой, где =5,67. На наружном контуре пластинки наибольшее напряжение возникает в точке, где ft f" -=4,05, которое, однако,меньше наибольшего напряжения у стружечной канавки в 1,4 раза.
Такой характер распределения напряжений всецело соответствует известным положениям Г86] о том, что наибольшие напряжения возникают на контуре сечения, и если контур имеет выступающие и входящие углы, то в вершинах выступающих углов касательные напряжения равны нулю, а в вершинах входящих углов теоретически-бесконечно велики. Для приближённого определения местных напряжений в вершинах входящих углов используются различные экспериментальные способы или увеличивают число исследуемых точек в окружности вершины [88]. Наїли, с этой целью при расчётах использована достаточно густая сетка из 1600 узлов (40x40) и максимальное напряжение в точке "перелома" [57] линии разделов у передней поверхности пластинки, с учётом скачкообразного изменения первой производной определялось экстраполяцией соседних касательных напряжений вдоль линий разделов на точку "перелома".
В табл. 3.2 представлены расчетные величины разрушающих крутящих моментов, полученные методами МЕР и 1ЖЭ [61] , и их сравнение с экспериментальными разрушающими моментами по нашим: исследованиям Мэ =215 Н М и по данным [61] , Мэ =230 Нм.
Исследование крутящих моментов, точности и качества нарезаемых резьб
Влияние конструкции заборной части,как и следовало ожидать, обнаруживается только на участках ее входа (I) и выхода (ІУ) из нарезаемого отверстия. Так как начальные резцы ТОМ с криволинейной заборной частью работают с большими сечениями срезов по сравнению с аналогичными резцагли метчика с конической заборной частью, вначале сила сопротивления резанию будет больше,чем при резьбона-резании метчиком с обычной заборной частью. В связи с этим для внедрения одинакового с обычным метчиком количества резцов (одинаковой длины заборной части) в нарезаемое отверстие метчику с криволинейной заборной частью требуется большее на величину л Рос осевое усилие, а возникающий при этом момент сопротивления резанию будет больше на величину Мкр. По этой же причине при выходе начальных резцов метчика с криволинейной заборной частью из . нарезаемого отверстия,осевая сила и крутящий момент снижаются более резко,чем при нарезании резьбы обычным метчиком.
На участке П в работу последовательно вступают начальные калибрующие резцы, которые производят окончательное формирование нарезанной заборной частью резьбы. При этом крутящий момент и осевая сила постепенно увеличиваются. Последующие витки калибрующей части в формировании витков нарезанной резьбы не участвуют, а лишь направляют метчик в отверстии, о чем свидетельствует участок Ш, где крутящий момент и осевая сила увеличиваются незначительно. Очевидно, это связано с увеличением трущихся поверхностей по мере внедрения в нарезанную резьбу витков калибрующей части.
После выхода последнего формирующего резца из нарезанной резьбы, крутящий момент и осевая сила будут иметь место только вследствие трения витков резьбы метчика и заготовки (участок У). На этом участке крутящий момент соответственно количеству трущихся витков постепенно уменьшается, а осевая сила практически отсутствует, что указывает на уравновешенность шпинделя станка и работу метчика самозатягиванием.
Таким образом, на участках П, Ш и У конструкция заборной части не оказывает влияния на крутящие моменты и осевую силу. Следовательно, максимальные величины крутящих моментов и осевых сил, учитываемые при их исследованиях, при одинаковой эффективной длине заборной части от ее конструкции не зависят.
На рис. 4.9 представлены результаты измерения среднего диаметра образцов, нарезанных метчиками различных конструкций. Как видно из рисунка, все витки нарезанной резьбы по среднему диаметру в обоих случаях больше среднего диаметра резьбы метчиков. Величина разбивки наибольшая у первого заходного витка (выходит за пределы допуска на резьбу класса В), затем у второго витка (средний диаметр близок к верхнему пределу класса В) и далее несколько стабилизируется, постепенно уменьшаясь в направлении к выходному торцу. Средние диаметры последних трех витков находятся в поле допуска класса А. Такая закономерность в изменении величины разбивки характерна всем отверстиям, нарезанным метчиками, в свя-с чем в ГОСТе 18107-72 оговаривается, что при контроле допускается ввинчивание калибра НЕ на два оборота и средний диаметр определяется по третьему витку.
Влияние конструкции заборной части выражается в том, что ве« личина разбивки образцов, нарезанных метчиками с криволинейной заборной частью, на всей длине резьбы больше на 11$, чем у образцов, нарезанных метчиками с конической заборной частью. Это происходит потому, что величина разбивки первых витков зависит от степени отклонения реального движения метчика от закона его движения, которая в свою очередь зависит от величин сил, действующих в начале резьбонарезания. Как было выше установлено, как осевая сила, так и крутящий момент, возникающие в начале резьбонарезания метчиками с криволинейной заборной частью, больше аналогичных сил при работе метчиками с конической заборной частью (см. рис. 4.8). Следовательно, и их влияние на разбивку больше, чем у обычных метчиков.
Точность последующих витков резьбы, нарезанной метчиком по методу самозатягивания, зависит во многом от точности первых витков, так как каждый вступающий в работу виток метчика центрируется и направляется витками образца, нарезанными предыдущими витками метчика, т.е. точность резьбового отверстия предопределяется точностью первых витков нарезаемой резьбы. Изложенное подтверждают результаты производственных испытаний (см. 4.5): при обработке резьб IV4" труб, в жестко закрепленной заготовке с принудительной подачей от копирной гайки не удалось обнаружить влияния конструкции заборной части на точность резьбы, что свидетельствует об устранении влияния осевых и радиальных сил на ориентацию метчика в начале работы.
