Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Существующие методы обработки закаленной стали. Цели и задачи исследования 4
1.1 Требования, предъявляемые к формообразующим деталям технологической оснастки 4
1.2 Анализ методов обработки формообразующих деталей технологической оснастки 6
1.3 Фрезерование закаленной стали при изготовлении формообразующих деталей 9
1.3 Л Режимы резания 13
1.3.2 Конструкции инструмента 14
1.3.3 Инструментальные материалы 15
1.3.4 Охлаждение 17
1.3.5 Оборудование 18
1.4 Выводы 19
1.5 Цель и задачи диссертационной работы 21
Глава 2 Температура резания при твердом фрезеровании 22
2.1 Особенности процесса резания закаленной стали 22
2.2 Источники образования тепла и тепловые потоки при резании закаленных сталей 24
2.3 Классификация источников и стоков теплоты 27
2.3.1 Схематизация свойств и теплофизических характеристик обрабатываемого и инструментального материала 33
2.3.2 Схематизация геометрической формы тел 34
2.3.3 Аналитические методы решения теплофизических задач, используемые при описании тепловых явлений в процессе механической обработки 35
2.4 Тепловые потоки в зоне резания при фрезеровании закаленной стали 37
2.4.1 Интенсивность теплообразующих источников 41
2.5 Температура в зоне резания при установившемся теплообмене 44
2.6 Температура резания 49
2.7 Пример расчета температуры резания, температуры обработанной поверхности и температуры стружки при фрезеровании закаленной стали 49
2.8 Управление теплом, образующимся в процессе фрезерования закаленной стали ..„64
2.9 Выводы 66
Глава 3 Экспериментальная проверка теоретических положений 69
3.1 Станок-стенд для опытных работ по фрезерованию закаленной стали 69
3.2 Оценка температуры стружки по цвету ее каления 71
3.3 Определение температуры стружки при фрезеровании закаленной стали.,..79
3.4 Исследование микроструктуры и твердости стали в стружке 82
3.5 Исследование свойств поверхностного слоя обработанной детали 85
3.6 Выводы по экспериментальным исследованиям 86
Глава 4. Методика выбора режимов резания для твердого фрезерования и её апробация в лабораторных и производственных условиях 88
4.1 Методика выбора режимов резания для фрезерования закаленной стали 88
4.2 Апробация методики выбора режимов резания в лабораторных условиях...93
4.3 Апробация методики выбора режимов резания в производственных условиях 99
4.4 Определение требований к техническим характеристикам станка, пригодного для осуществления твердого фрезерования 100
Глава 5 Расчет затрат времени и средств при изготовлении формообразующих деталей с использованием твердого фрезерования 101
5.1 Анализ технологического процесса 101
5.2 Расчет затрат времени на обработку рабочего профиля формообразующей детали 106
5.3 Выводы 113
6. Общие выводы 115
Список литературы 117
Приложение 121
- Фрезерование закаленной стали при изготовлении формообразующих деталей
- Источники образования тепла и тепловые потоки при резании закаленных сталей
- Аналитические методы решения теплофизических задач, используемые при описании тепловых явлений в процессе механической обработки
- Определение требований к техническим характеристикам станка, пригодного для осуществления твердого фрезерования
Введение к работе
Глава 1 Существующие методы обработки закаленной стали. Цели и задачи
исследования , * 4
Требования, предъявляемые к формообразующим деталям технологической оснастки 4
Анализ методов обработки формообразующих деталей технологической оснастки 6
L3 Фрезерование закаленной стали при изготовлении формообразующих
деталей 9
1.3 Л Режимы резания 13
1.3.2 Конструкции инструмента 14
L3-3 Инструментальные материалы 15
Охлаждение 17
Оборудование 18
Выводы 19
Цель и задачи диссертационной работы 21
Фрезерование закаленной стали при изготовлении формообразующих деталей
Используя фрезерование закаленной стали в области изготовления технологической оснастки, можно изменить и ускорить технологический процесс производства за счет сокращения этапов фрезерования электродов и исключением операций электроэрозионной и электрохимической обработки рис. 3 [7]. оораооташкш поверхности величину мжроиершиостен г соответствует "В классу шероховатости поверхности по этом финишная слесарная обработка выполнена менее, чш за одну рабочую В изготовления шарнира равных угловых скоростей, (по данным BMAG-groun [66]). Детали шарнира равных угловых логического процесса Ниже приведены основные операции текшг изготовлении шарнира равных угловых ешроаей. 4, етвердуе точение» наружного дшшетра; 5 «твердое фрезерованием дорожек качании; Технологический процесс ияготшления турнира равных угле скоростей вкяючжч в тея сяедующие операции твердош фрезерования: ;л шарнира равных - «твердое фрезерование» дорожек качения корпуса шарнира раїшмх узловых скоростей (рис. 5 а) - твердое фреіероішше» Д0р0)1 уиюнык. осороаей (рис. 5 б) Рте, 5 Применение твердого фрезерованім ори изготовлении деталей шаршра ртпыл угаошж скоростей [66]. Для фишшюй обработки зубч&тьгк ктт фрезерошім закаленной стали гшшло применение в виде Skiving М#щвд (мегода пшіушеіївд; срезания ТОНКИХ сдоев}.
Метод приметается /изя чистового фрезерования зубчатых колес ш высокопрочных материалов mm пред картельно фрезерованных шю&гттзх зубьев т яубофрещптх стайках с ЧІІУ. При применении Skiving Метода обработка ирошводшш твердоспяйвньшіг фрезами с отрицательным передним утш. Возможное доешжішое качество моверхшеш зубьев, при использовании Skiving Метода сошжлавуш 7-8 юшееу шерохшаюста ыоверхноеш по ГОСТ 2789-73, Преимущества данной технологии ншкая стоимость станков по сравнению со стоимостью зубооомфовального стайка. Skivmg Метод (твердое фрезерование) позволяет СНИЗИТЬ затраты до 10% от стоимости колеси, несмотря ш относительно высокую стоимость имсірумеїш. Skiving Метол также используется для больших модулей (до 30) для фниишнрокяння и топкого фрезерования перед даяьнейигей шлифовкой. При данном методе обработки возможно устранение всех погрешностей or деформации в припусках боковин яубчатьш колес после тжтш и предварительной обработки до 0,15 мм ма сторону колеса м% дальнейшего шлифования. Кроме снятия припусков метод позволяет получить приемлемое качество шероховатости боковин зуба. При последующей шлифовке время обработки существенно уменьшается. Во многих случаях применение данного метода позволяет фрезеровать без использования СОЖ, что устраняет масляный туман и исключает необходимость удаления масляной пленки с зуба. Фрезерование закаленной стали возможно применять и для обработки деталей общемашиностроительного назначения, которые по технологическому назначению должны иметь твердость более 45HRC. Режимы резания для фрезерования закаленной стали приведены в соответствующих каталогах производителей режущего инструмента, например [44], [64], [65]. Как показывает опыт ряда фирм, внедрение фрезерования закаленной стали в широком диапазоне режимов резания, видов поверхностей и операций связано с длительной отладкой отдельной операции на рабочем месте, а именно выбором режима резания для каждого конкретного случая. Приводимые в каталогах фирм-производителей режущего инструмента режимы резания не всегда позволяют решить технологическую задачу для конкретных условий. Это связано с отсутствием методики выбора режимов резания для твердого фрезерования, которая должна учитывать технологические требования к обработке, возможности оборудования и особенности процесса резания при фрезеровании закаленной стали. Для успешного внедрения фрезерования закаленной стали необходимо разработать научно обоснованную методику выбора режимов резания, которая учитывала бы конкретные условия операции.
Источники образования тепла и тепловые потоки при резании закаленных сталей
В процессе механической обработки возникают тепловые источники как результат перехода в теплоту энергии деформации обрабатываемого материала и работы трения на контактных поверхностях инструмента [42], [43], [45].
Стоками называют источники отрицательной интенсивности» при воздействии которых теплота отводится от твердого тела.
Все источники и стоки могут быть классифицированы по следующим признакам: расположение по отношению к телам, участвующим в процессе обработки, форма, закон распределения интенсивности, скорость перемещения, время функционирования, стабильность основных характеристик источника БО времени.
Расположение и форма источников. По расположению источники теплоты можно разделить на внешние, действующие на поверхностях тел, и внутренние, действующие в их массе [43],
В реальных технологических условиях источники и стоки теплоты возникают в объемах и областях, форму и размеры которых не всегда можно точно обрисовать. При теплофизическом анализе реальные источники заменяют идеализированными, форма которых приближена к фактической. Такие идеализированные источники могут быть трехмерным, двухмерными, одномерными и точечными. В трехмерных (объемных) источниках теплота распределена но некоторому объему. Они могут иметь форму различных пространственных тел с различными законами распределения теплоты.
Если размер объемного источника в направлении одной из осей координат настолько меньше размеров в других направлениях, что им можно пренебречь, то источник полагают двумерным. В зависимости от вида поверхности на которой расположен источник, последний может быть плоским, цилиндрическим, сферическим, коническим и т.д. В каждом из них теплота распределена по занимаемому им участку поверхности по тому или иному закону [43].
Одномерными (линейными) называют источники, один из размеров которых настолько превышает другие, что размерами последних можно пренебречь, полагая их равными нулю. Так образуются источники в виде прямой линии, дуги окружности и т.п.
Если все размеры источника по отношению к размерам интересующей области твердого тела малы, источник можно полагать точечным.
Закон распределения интенсивности одна из важных характеристик источника. Интенсивность - тепловая мощность (количество теплоты, образующейся в единицу времени), приходящееся на единицу объема, площади или длины, соответственно для трех-, двух- и одномерного источника. В процессах механической обработки возникает несколько источников теплоты. Чтобы для каждого из них установить тепловую мощность Q [кал/с], необходимо: определить общую тепловую мощность процесса и распределить последнюю между конкретными источниками, возникающими в данной технологической операции, т.е составить прихлдиую часть теплового баланса.
Общая тепловая мощность процесса 0 = Q, где мощность Q возникает вследствие преобразования в теплоту механической работы.
Между механической мощностью процесса JV (кгсЪг/с) и ее тепловым эквивалентом Q (кал/с) теоретически нет полной количественной идентичности, так как часть механической энергии переходит в поглощённую энергию деформации кристаллической решетки обрабатываемого материала [42], [43]. Однако, при больших степенях деформации, характерных для процессов механической обработки, поглощённая энергия незначительна, и с достаточной для практики точностью можно полагать, что вся работа переходит в теплоту, эквивалент тепловой энергии.
Приходная часть теплового баланса при механической обработке может быть представлена как: где Q% - теплота, эквивалентная работе деформации; Qj? - теплота, эквивалентная работе трения на каждом из га участков, где оно возникает.
Если тепловая мощность данного источника распределена по некоторому объему, расположенному в некоторой системе координат X, Y, Z, то между элементом тепловой мощности и интенсивностью q(x,y,z) существует соотношение [43]:
В реальных технологических процессах распределение интенсивности источников описывается сложными закономерностями. При теплофизическом анализе прибегают к некоторым идеализированным законам распределения источников и стоков в пространстве и времени.
Далее рассмотрим некоторые идеализированные законы, часто встречающиеся при теплофизическом анализе процессов механической обработки. Рассмотрим законы распределения теплоты, характерные для лезвийной обработки. Равномерное распределение наиболее простое, когда интенсивность источника до не зависит от координат и времени. Используя формулу (2) получаем, например, интенсивность для двухмерного источника:
Экспоненциальное распределение интенсивности источника. На рис. 9 приведен двухмерный источник с распределением интенсивности по экспоненциальному закону д{х)=да -єхр[-кх] по оси ОХ и равномерно - по оси OY.
Аналитические методы решения теплофизических задач, используемые при описании тепловых явлений в процессе механической обработки
При математическом описании тепловых явлений реальную форму твердых тел, участвующих в процессе механической обработки, идеализируют и относят к одной из следующих разновидностей: - неограниченное пространство; пространство, ограниченное одной плоскостью или поверхностью (полупространство); - неограниченная пластина; - клин, ограниченный в двух направлениях; - неограниченный вдоль оси цилиндр; - стержень не ограниченный в одном направлении; - тело, ограниченное поверхностями или плоскостями, образующими замкнутый объем [43],
Чем сложнее конфигурация тела, тем при прочих равных условиях труднее математическое описание процесса распространения теплоты в нем. Поэтому схематизируя форму обрабатываемого предмета, инструмента или стружки, не следует без необходимости заменять их сильно ограниченными телами.
Допустимость той или иной идеализации формы реальных тел определяется в основном соотношением между размерами источника и стока теплоты и размерами тела, на поверхностях или в объеме которого они действуют, и степенью влияния условий теплообмена на граничных поверхностях на температуру интересующей области.
Аналитические методы решения теплофизнческих задач, используемые при описании тепловых явлений в процессах механической обработки.
Для каждого из тел, участвующих в теплообмене должно быть написано и для конкретных обстоятельств проинтегрировано дифференциалыюе уравнение теплопроводности. Если принято, что теплофизические характеристики материала не меняются с температурой [43], то: В этом виде уравнение температуропроводности имеет бесчисленное множество решений, т.е. может описывать процесс распространения теплоты в любом твердом теле. Для того, чтобы конкретизировать задачу и выбрать решение, которое соответствует процессу распространения теплоты в интересующем случае, к этому уравнению нужно присоединить краевые условия, описывающие геометрическую форму и свойства тела, граничные и начальные условия. К числу аналитических методов решения дифференциального уравнения теплопроводности с заданными краевыми условиями относится классический метод, операционные методы и метод источников теплоты. "Классический метод" состоит в нахождении совокупности частных решений, удовлетворяющих уравнению (10) и краевым условиям, а затем их наложении (суперпозиции) для отыскания интересующей функции. При этом каждое из частных решений ищется в виде произведения двух функций, одна из которых зависит только от времени, а другая - от координат. Однако использование классического метода ограничено из-за чисто математических трудностей, возникающих при его использовании, даже для простых технологических схем. Операционные методы, в частности метод интегрального преобразования Лапласа, используется для решения некоторых задач теплофизики процессов механической обработки [42], [43]. При этом изучается не сама функция (оригинал), а сё изображение, полученное путем умножения оригинала на экспоненциальную функцию, и интегрируется изображение в определенных пределах. После решения задачи в изображениях, нахождение оригинала, т, е, функции описывающей температурное поле, производится путем обратного преобразования. "Метод источников тепла наиболее распространен в технологической теплофизике. Он представляет собой удобный в инженерных приложениях математический аппарат, позволяющий описывать тепловые явления, происходящие при механической обработке сталей [42], [43], [45], "Метод источников" рассматривался в литературе [7], [42], [43]. Основные положения метода источников состоят в следующем: 1) источник или сток тепла любой формы, движущийся или неподвижный может быть представлен как система точечных мгновенных источников (стоков) тепла; 2) процесс распространения теплоты в теле ограниченных размеров может быть представлен как часть процесса распространения теплоты в неограниченном теле путем дополнения к фактически действующим источникам некоторой системы фиктивных источников или стоков. В основе математического аппарата "метода источников" лежит описание температурного поля, возникающего в неограниченном геле под действием теплоты, внесенной импульсом в виде мгновенного точечного источника. Это температурное поле описывается выражением [43]: где e[x4y,zj) - температура тела с координатами х, yr z, возникающая через время t? с после того, как в точке с координатами хи, }% іи имел место тепловой импульс; R= (XH -xf + ІУи -У? +( "zf - расстояние от точки до источника, см; Л и со -(соответственно кал/[см С С) и см1/с) теплофизические характеристики тела. Выражение (11) является фундаментальным решением уравнения (10), Пользуясь этим решением, можно описывать температурные поля, возникающие под действием различных источников теплоты.
Определение требований к техническим характеристикам станка, пригодного для осуществления твердого фрезерования
На основании проведенной апробации методики назначения режимов резания при твердом фрезеровании, в условиях реального производства, можно предложить научно обоснованные технические требования к станкам, пригодным для осуществления твердого фрезерования: 1, Учитывая, что при фрезеровании закаленных сталей наиболее предпочтительно работать с высокими скоростями резания (до 400м/мин), что подтверждено расчетом температуры резания и экспериментальными исследованиями технологических возможностей, необходимо обеспечение быстроходности привода главного движения, т.е. максимальное число оборотов шпинделя, при использовании торцевых фрез диаметром от 40 мм., должно быть не менее 4000 об/мин. 2. Так как, торцевое фрезерование закаленных сталей предпочтительно производить с глубиной резания до 3 мм., в зависимости от ширины фрезерования, подачей па один зуб от 0,05 до 0,15 мм/зуб, необходимо обеспечить приводами подач равномерное линейное перемещение с требуемой скоростью. 3. Экспериментальными исследованиями процесса торцевого фрезерования закаленной стали фрезами, оснащенными твердосплавными пластинами отечественного производства, показали, что точность обработки в направлении оси Z обусловлена, в основном износом режущих лезвий фрезы. Таким образом можно полагать, что торцевое фрезерование закаленных сталей на режимах резания рассматриваемых в настоящей работе может быть осуществлено на станках типа обрабатывающий центр классов точности Н и П по ГОСТ 8-82. 4. Экспериментальные исследования шероховатости обработанной поверхности показали, что при торцевом фрезеровании закаленной стали на станке класса точности Н по ГОСТ 8-82 возможно получить величину шероховатости Ra = 0,3.-0,6 мкм. 5.
Производственная проверка методики выбора режимов резания для фрезерования закаленной стали на трех различных поверхностях тремя различными инструментами показала, что возможно получение шероховатости поверхности до Ra = 0,32 мкм., твердость обработанной поверхности отличается от исходной на 1„2 HRC. Для обоснования улучшения экономичности процесса изготовления деталей из закаленной стали был проведен анализ и сравнение технологического процесса изготовления формообразующей детали с использованием твердого фрезерования и технологического процесса, применяемого в условиях реального производства- Был проведен расчет затрат времени и средств. Рассмотрим процесс изготовления формообразующей детали преесформы для изготовления разделочной доски, чертеж детали «Матрица подвижная» приведен в приложении. Технологический процесс изготовления детали «Матрица подвижная», разработанный на ОАО «Станкоагрегат» представлен в таблице 17, - шероховатость рабочей поверхности матрицы и точность её обработки сравнивалась соответственно после операций электроэрозионной обработки и твердого фрезерования. Из сравнения двух технологических процессов видно, что применение твердого фрезерования позволяет сократить количество операций, сократить основное время обработки детали, сократить время на слесарную обработку рабочей поверхности матрицы- Шероховатость рабочей поверхности и точность её обработки значительно лучше в случае применения твердого фрезерования. Для определения основного времени обработки рабочего профиля детали «Матрица подвижная» использовалась программа Power Mill 6,0, которая позволяет создавать управляющие программы для станков с ЧПУ, по представленной CAD-модели. В программе Solid Works 2006 была создана трехмерная твердотельная модель детали «Матрица подвижная», рис 25. Где tB - основное время, tj-c - время на установку и снятие детали, t& - время на закрепление и раскрепление детали, W .- время позиционирования при обработке детали, 1сн - время смены инструмента, t ,- время замены изношенного инструмента, toK - время операционного контроля, t - время включения и выключения оборудования, В дальнейших расчетах будем пренебрегать временем операционного контроля и временем включения/выключения оборудования. Тогда: Так как, станок не имеет системы автоматической смены инструмента, установка и снятие детали, а также закрепление и раскрепление детали осуществляется вручную, то в рассматриваемом случае нормы времени на соответствующие работы будем назначать по [36], а время позиционирования при обработке детали и время позиционирования для смены инструмента назначим из паспорта на станок (см. таблицу 22), 2. Применение твердого фрезерования позволяет сократить основное время за счет использования режимов резания, выбранных при помощи методики предложенной в главе 4, а также за счет сокращения основного времени финишной слесарной обработки. 3. Снижение материальных затрат па изготовление детали, при применении твердого фрезерования обусловлено исключением затрат на изготовление электрода-инструмента. 4. При внедрении твердого фрезерования на конкретном предприятии могут возникнуть дополнительные затраты на переоснащение, а именно: приобретение нового современного станочного оборудования или модернизация старого, приобретение современного режущего инструмента и оснастки.
