Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1.Состояние вопроса и обзор предыдущих исследований 10
1.1. Исследования в области создания систем автоматизированного проектирования режущего инструмента и прогнозирования его надежности 10
1.2. Исследование контактных процессов при обработке резанием 23
1.3. Исследование напряженно-деформированного состояния
режущего клина и его расчет на прочность 29
1.4. Выводы по первой главе 31
ГЛАВА 2. Модель напряженно-деформированного состояния режущего элемента в конструкции сборного металлорежущего резца 35
2.1 .Конечно-разностная модель СМП 35
2.2.Граничньте условия для формирования конечно-разностной модели СМП от действия сил закрепления 39
2.3.Граничные условия для формирования конечно-разностной модели СМП от действия сил резания 42
2.4. Граничные условия для формирования конечно-разностной модели СМП от действия сил реакции со стороны опорных поверхностей узла крепления СМП 63
2.5. Выводы по второй главе / 69
ГЛАВА 3. Математическая модель оценки эффективности работы конструкций сборных токарных резцов по параметрам надежности 70
3.1. Объектно-ориентированная модель сборных металлорежущих резцов 70
3.2. Стохастическая модель вероятности безотказной работы сборного металлорежущего инструмента 79
3.3. Выводы по третьей главе 94
ГЛАВА 4. Технико-экономическое обоснование рациональных технико-технологических условий эксплуатации сборных токарных резцов 95
4.1. Анализ вариантов и поиск оптимальной конструкции сборного токарного резца на стадии проектирования 95
4.2.1. Статистические исследования и экономическое обоснование работоспособности инструмента оснащенного СМП, в условиях действующей автоматической линии 111
4.2.2. Обоснование планового периода замены инструмента по технико-экономическим параметрам в условиях действующей автоматической линии 118
4.2.3. Экспериментальное определение прочности по ломающей подаче для различных конструкций крепления СМП 122
4.3. Выводы по четвертой главе 123
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 125
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 127
Приложение I. Контактная задача о сжатии цилиндра с плоскостью 142
Приложение 2. Контактная задача о внутреннем сжатии круговых цилиндров близких радиусов 145
Приложение 3. Общая постановка контактной задачи о сжатии двух плоских тел под действием внецентренной нагрузки 149
Приложение 4. Общая постановка задачи по определению величины момента сил трения и координат полюса поворота 154
Приложение 5. Анализ работоспособности инструмента на автоматической линии фирмы "Ла Салль" по обработке поршней 160
Приложение 6. Анализ работоспособности инструмента на АЛ "Гильдемайстер" по производству поршневых вставок 169
Приложение 7. Анализ работоспособности сборных токарных резцов на автоматических линиях по обработке гильз 179
Приложение 8. Исследование стойкости и характера износа резцов при обработке гильз из хромокремнистого сплава 193
Акты внедрения
- Исследования в области создания систем автоматизированного проектирования режущего инструмента и прогнозирования его надежности
- .Конечно-разностная модель СМП
- Объектно-ориентированная модель сборных металлорежущих резцов
- Анализ вариантов и поиск оптимальной конструкции сборного токарного резца на стадии проектирования
Введение к работе
Современное машиностроительное производство, основным направлением развития которого является автоматизация производства с целью повышения производительности труда в условиях расширения номенклатуры выпускаемых изделий и сокращение сроков их сменяемости, выдвигает повышенные требования к металлорежущим резцам.
Инструменты серьезно влияют на структуру затрат в автоматизированном производстве. Эффективность современных технологических систем определяется не только величиной основного времени, когда наиболее существенным является съем объема материала обрабатываемой детали в единицу времени, но и затратами вспомогательного времени, времени технического обслуживания и времени на подналадку. Таким образом, переменная доля себестоимости операций, связанная с инструментом, зависит от режимов резания, потерь времени на наладку резцов на заданные размеры обработки, стоимости резца за период его стойкости, а также связана со случайным {преждевременным) выходом резца из строя из-за разрушения или неудовлетворительного формирования стружки.
Большое значение имеет надежность резцов, соответствующая высокому уровню автоматизации механической обработки в условиях гибких производственных систем и автоматических линий.
Перед современным машиностроительным производством стоит проблема повышения технико-экономической эффективности использования твердосплавного инструмента. При черновой обработке на инструмент действуют экстремальные термомеханические нагрузки, что в итоге приводит к повышенному расходу твердого сплава. Требованиям прочности и надежности работы отвечают сборные металлорежущие инструменты с механическим креплением многогранных сменных неперетачиваемых твердосплавных пластин (СМП).
Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные В.Ф. Бобровым, В.А. Тречишниковым, Г.Н. Кирсановым, В.А. Остафьевым, Г.Л.
5 Хаетом, Е.М. Трентом, E.J.A. Armarego, Е. Usui, A. Hirota, М. Masuko, Т. Shira-kaslii, Т. Kitagawa, а также другими отечественными и зарубежными учеными, свидетельствуют, что экономическая эффективность работы сборного металлорежущего инструмента зависит от комплекса технико-технологических, конструкторских и эксплуатационных параметров.
Выбор варианта конструкции сборных металлорежущих резцов ведется на основе укрупненной бальной оценки, что не позволяет учитывать все многообразие факторов при выборе варианта конструктивного исполнения сборного инструмента. При этом многие параметры определены на основе статистических данных по работоспособности сборных резцов для типовых условий эксплуатации и действуют в ограниченном диапазоне исходных данных. Работоспособность инструмента оценивается путем проведения лабораторных и производственных испытаний.
Поэтому существующий подход для выбора рациональных условий эксплуатации инструмента недостаточен, особенно при изготовлении деталей из новых материалов, при модернизации конструкций сборных резцов, при внедрении эффективных технологических процессов и т.д. Кроме того, проведение производственных испытаний сборного металлорежущего инструмента сопряжено с большими материальными и трудовыми затратами. Эффективность работы сборного металлорежущего инструмента может быть обеспечена на основе системного подхода к назначению рациональных условий его эксплуатации. Для этого необходимо иметь соответствующую адекватную модель процесса эксплуатации сборных резцов, которую можно использовать в САПР сборного металлорежущего инструмента при организации АРМ конструктора специального сборного инструмента. Необходимо иметь соответствующее математическое описание физико-механических и теплофизических явлений, адекватно описывающее реальные процессы эксплуатации инструмента. Поэтому разработка методики расчета конструкции сборных твердосплавных резцов с целью назначения их рациональных конструкторско-геометрических параметров и ус- ловий эксплуатации, а также методического обеспечения для компьютерного моделирования процессов, сопровождающих эксплуатацию сборных токарных резцов, является актуальной, представляющей научный и практический интерес.
Производительность обработки будет зависеть от надежности сборного металлорежущего резца. Это особенно важно для черновых токарных операций, когда на режущую пластину действуют экстремальные нагрузки, а ее прочность является основным критерием при определении рациональных технико-технологических условий обработки.
Цель работы. Обеспечить надежность сборных металлорежущих резцов за счет выбора их конструкций и рациональных условий эксплуатации с учетом неоднородности контактного взаимодействия по режущей и опорным поверхностям.
В работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработан метод расчета надежности сборных металлорежущих резцов с целью повышения эффективности их эксплуатации на черновых токарных операциях путем рационального выбора конструкционно-геометрических па раметров инструмента и режимных условий его эксплуатации по экономиче скому критерию.
Получены аналитические зависимости, позволяющие прогнозировать вероятность безотказной работы сборных металлорежущих резцов в зависимости от технико-технологических условий эксплуатации.
Разработана математическая модель поверхностных контактных напряжений на передней поверхности режущего элемента от действия сил резания для условий непрерывного точения с целью повышения точности моделирования и расширения функциональных возможностей модели за счет учета нерав-
7 номерности распределения напряжений по ширине и длине зоны взаимодействия стружки с передней поверхностью в зависимости от процесса точения.
4. Разработан алгоритм проведения вычислительных экспериментов для расчета вероятности безотказной работы сборных металлорежущих резцов с учетом трибологических отказов и отказов по параметрам прочности.
6. Разработано методическое обеспечение АРМ конструктора специальных сборных токарных резцов (для агрегатных станков и автоматических линий), позволяющее проводить вычислительные эксперименты для оценки конструкции инструмента по технико-экономическим параметрам в диалоговом режиме.
7.Произведено внедрение результатов исследований в производство.
Методы исследования. Для решения указанных задач использовались: теория резания металлов; теория упругости; теория контактного взаимодействия твердых тел; метод конечных элементов (МКЭ); методы планирования экспериментов.
Экспериментальные исследования осуществлялись путем лабораторных и производственных испытаний сборных токарных резцов.
Научная новизна работы. Разработана модель расчета напряженно-деформированного состояния режущего элемента сборного токарного резца, учитывающая особенности контактного взаимодействия СМП с корпусом инструмента. Основные отличия модели сформулированы следующим образом: определено влияние неравномерного характера распределения контактных давлений по ширине и длине поверхности взаимодействия стружки с передней поверхностью; установлено распределение реакций со стороны опорных поверхностей пластины с гнездом корпуса при различных способах закрепления и нагруже-
8 ния силами резания, что позволяет повысить точность расчетов и выявить опасное сечение в теле пластины; - разработана методика, позволяющая прогнозировать надежность работы сборных резцов по параметрам прочности и проводить эвристический поиск рациональной конструкции и условий эксплуатации.
Практическая ценность. Разработано математическое и программное обеспечение для расчета контактных напряжений на передней поверхности режущего лезвия; для оценки конструкции сборных резцов по технико-экономическим параметрам с целью увеличения ресурса работы сборного металлорежущего инструмента на операциях чернового точения.
Реализация работы. Проведены лабораторные и производственные испытания, результаты которых подтверждают адекватность теоретических разработок. Результаты работы реализованы на ОАО «Костромской завод «Моторде-талъ», ОАО «Костромской завод автоматических линий и специальных станков», ОАО «Строммашина» в виде рекомендаций и автоматизированной подсистемы.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ:
1. Михаилов А.Ю., Шведенко В.К Расчет контактных напряжений на перед ней поверхности инструмента при несвободном резании// Сб. тр. Костр. гос. технол. универ. Системный анализ. Теория и практика. Кострома: КГТУ, 2001, стр. 165-174.
2. Михайлов А.Ю. Оптимизация условий эксплуатации сборного металло режущего инструмента// Сб. тр. Костр. гос. технол. универ. Системный анализ. Теория и практика. Кострома: КГТУ, 2001, стр. 191-203.
3. Михайлов А.Ю. Оптимизация работы сборного твердосплавного инстру мента по технико-технологическим критериям // Тезисы докладов Все российской научно-технической конференции "Современные технологии
9 и оборудование текстильной промышленности" (Текстиль — 2001) — М., МГТУ им. АЛ. Косыгина, 2002, стр. 120-121.
4. Михайлов А. 10., Шведенко В.Н., Хрушков А.А. Теоретическое прогнозиро вание вероятности безотказной работы сборного металлорежущего инст румента // Сборник научных трудов молодых ученых КГТУ. Выпуск 3. Кострома: КГТУ, 2002, стр. 139-142.
5. Михайлов А.Ю., Хрушков А.А. Автоматизированный расчет напряженно- деформированного состояния режущего элемента сборного металлоре жущего инструмента современными компьютерными средствами // Сбор ник научных трудов молодых ученых КГТУ. Выпуск 3. Кострома: КГТУ,
2002,стр. 142-145.
6. Михайлов А.Ю. Анализ надежности конструкции узла крепления СМП сборного металлорежущего инструмента современными компьютерными средствами // Тезисы докладов всероссийской научно-практической конференции "Инновации в машиностроении - 2001"- Пенза, 2002, стр. 67-69,
Исследования в области создания систем автоматизированного проектирования режущего инструмента и прогнозирования его надежности
При технологической подготовке производства важным этапом является обоснованный выбор металлорежущего инструмента с комплексной оценкой его технического уровня и качества. При этом следует учитывать производительность, качество обработки и экономические факторы.
Сборный металлорежущий инструмент с механическим креплением твердосплавных сменных неперетачиваемых пластин (СМП) соответствует таким требованиям. Однако возможности сборного твердосплавного инструмента могут отрабатываться не в полном объеме по причине недоиспользования его эксплуатационных возможностей. Если рассматривать в комплексе задачу рационального выбора режимов эксплуатации, необходимо устанавливать ранее неучтенные ограничения, имеющие место в практике металлообработки, и разработать методику выбора рациональных конструктивных вариантов инструмента. Также важно учитывать процессы изнашивания и разрушения режущей части инструмента и отдельных его конструктивных единиц
В соответствии с предъявляемыми требованиями производства необходима многокритериальная оценка параметров технологической системы. При этом оптимизацию проводят с учетом экономических критериев. Без научного анализа, обобщения достигнутых результатов невозможно дальнейшее развитие инструментального производства.
Возросшая сложность машиностроительного производства, его автоматизация, включая автоматизацию проектирования, высокие требования к экономичности принимаемых решений и срокам проектирования обусловливают необходимость системного подхода к анализу и выбору конструкции сборного металлорежущего инструмента [57]. Системный подход требует, чтобы не только объект проектирования, но и процесс его создания был достаточно полной системой, обеспечивающей достижение поставленной цели.
В общем случае в системах автоматизированного проектирования режущего инструмента (САПР РИ) выделяют [59] четыре основных типа задач:
- подбор инструмента для заданных условий его эксплуатации из имеющегося стандартного инструмента;
- проектирование стандартного инструмента;
- проектирование специального инструмента;
- создание принципиально новых видов (типов) инструмента.
Решение задач первых трех типов занимает важное место в технологической подготовке производства, позволяет при высокой степени автоматизации освободить конструкторов и технологов от выполнения рутинной, непроизводительной работы и передать ее ЭВМ. Эти вопросы достаточно хорошо разработаны практически по всем известным типам инструмента [144, 58, 23, 40, 139 и др.]. Существует ряд работ, посвященных общеметодологическим вопросам автоматизированного проектирования режущего инструмента [59, 2, 66, 22,41, 36]. Задачи первого типа решаются с помощью информационно - поисковых систем и создания баз данных по режущему инструменту [23, 73, 105, 140].
Наиболее сложной является задача четвертого типа, решение которой носит творческий характер и предполагает использование эвристических методов, создание экспертных систем с большими банками данных. Указанные методы мало разработаны, используются в настоящее время недостаточно. Особенно это относится к проектированию сборного металлорежущего инструмента.
Стремление повысить качество и производительность процесса обработки приводит к необходимости постоянного совершенствования известных и поиску новых конструкций инструмента. Задача целенаправленного поиска новых тех 12 нических решений разрабатывается довольно давно. В настоящее время известно множество эффективных методов решения этих задач: метод "проб и ошибок"; "мозговой штурм"; метод контрольных вопросов, упорядочивающий перебор различных вариантов решений; морфологический анализ; алгоритм решения изобретательских задач, представляющий определенную систему решений творческих изобретательских задач и др.
Результатом обобщения этих методов является так называемый "обобщенный эвристический алгоритм поиска новых технических решений" [82]. Однако для практического применения этот метод, по мнению самого автора, является излишне громоздким, и для решения определенного класса задач необходима его конкретизация.
Для решения задачи в области проектирования режущего инструмента наиболее методически разработанным является подход, описанный в работах [59, 140], где предлагается использование так называемого поэлементного принципа проектирования.
Методологической основой поиска новых технических решений является решение задачи анализа и синтеза технического объекта независимо от принятого подхода к проектированию объекта. При выполнении анализа объекта не создается новая конструкция РИ, а изучается ранее известная или новая его конструкция, найденная в результате поиска, и дается оценка ее основных свойств.
.Конечно-разностная модель СМП
Несмотря на большое количество исследований, до настоящего времени не было разработано методики расчета конструкции сборных металлорежущих резцов, оснащенных многогранными неперетачиваемыми пластинами, направленных на рациональный выбор параметров конструкции резца и условий его эксплуатации. Эффективность работы резцов может быть обеспечена на основе системного подхода к назначению рациональных условий их эксплуатации. Конструктивно сборные резцы состоят из корпуса, узла крепления и режущей пластины. Стандартами определены типовые конструкции пластин (ГОСТ 19042-80) и заданы схемы и способы крепления СМП в корпусе резца (ГОСТ 26476-85). Условные обозначения способов крепления СМП в зависимости от их конструктивных особенностей приведены в таблице 2 в соответствии с ГОСТ 26476-86 и международной классификацией.
В соответствии со стандартами, инструментальными заводами разработаны различные конструкции узлов крепления пластин. Нв.рис.5 приведены эскизы некоторых конструкций узлов крепления пластин в корпусе сбор-пых токарных резцов.
Одним из вариантов решения задачи по определению рациональных условий эксплуатации сборных резцов является исследование конечно-разностной модели и расчет на прочность наиболее слабого звена конструкции сборного резца. Надежность слабого звена конструкции будет определять надежность инструмента в целом. Как свидетельствует опыт машино 36 строительных предприятий, наиболее слабым звеном в конструкции сборных металлорежущих резцов обычно являются режущие пластины [127].
Объектно-ориентированная модель сборных металлорежущих резцов
При разработке программного обеспечения в настоящее время широко используется технология объектно-ориентированного программирования (ООП), которая предполагает наличие соответствующей модели объекта с заданным уровнем декомпозиции и детализации его структуры. Модель "сущность-связь", используемая в ООП, в наибольшей степени подходит к описанию конструкции сборного металлорежущего резца. Модель в ООП предназначена для логического представления объектов и их свойств и определяет значения данных в контексте их взаимосвязи с другими данными. Модель позволяет построить логическую структуру объекта для его системного анализа и разработки программного обеспечения (ПО) в соответствующей системе программирования.
В ООП под понятиями сущность понимают объект, который может быть идентифицирован неким способом, отличающим его от других объектов. Набор сущностей представляет множество сущностей одного типа (обладающих одинаковыми свойствами). Сущность состоит из множества атрибутов которые описывают свойства всех членов данного набора сущностей. Связью является ассоциация, установленная между несколькими сущностями. То число сущностей, которое может быть ассоциировано через набор связей с другой сущностью, называют степенью связи. Другой важной характеристикой связи помимо ее степени является класс принадлежности входящих в нее сущностей или кардинальность связи.
Для визуального представления и облегчения изучения предметной области, модель "сущность-связь" представляется в виде графической схемы. Существует несколько вариантов обозначения элементов диаграммы "сущность-связь" называемых нотациями.
Для проведения структурно- параметрической оптимизации сборного металлорежущего резца проводится процесс декомпозиции, с целью получения модели конструкции в виде диаграммы "сущность-связь". Эта диаграмма показана на рис.32. Для ее построения использована нотация Чена (обозначение сущностей, связей и атрибутов) и нотация Мартина (обозначение степеней и кардинальности связей).
При построении модели сборного резца родительским элементом принят его корпус, а все остальные компоненты приняты как дочерние. При описании связей следует учитывать, что резцы с одинаковым названием могут иметь корпуса различной конструкции узла крепления. В зависимости от метода крепления пластины определяются соответствующие крепежные элементы (прихваты, рычаги, винты). Одни и те же крепежные элементы могут устанавливаться в различные корпуса. В конструкции сборного резца возможно применение опорной пластины, которая закрепляется к корпусу винтом или свободно устанавливается в гнезде корпуса. Аналогично в конструкции резца может быть использована опорная пластина и винт крепления определенного типа.
Режущая пластина, устанавливаемая в гнезде корпуса, имеет различную форму (квадратную, треугольную, пятигранную, шестигранную, круглую, ромбическую) и конструктивное исполнение для соответствующего типа крепления (без отверстия, с цилиндрическим или тороидальным отверстием).
Анализ вариантов и поиск оптимальной конструкции сборного токарного резца на стадии проектирования
В качестве примера рассмотрим последовательность действий при эвристическом поиске рациональных геометрических параметров (углое в плане (р и р/. переднего угла у, угла наклона передней реоісущей кромки Я, радиуса при вершине г) сборного токарного резца и технологических параметров (подачи S) по параметрам прочности. Резец используется на операциях чернового точения вала для установки КИД - 600 (рис.47). Расчет проводится для наружного точения заготовки из стали марки 40Х резцом, оснащенным пластиной из твердого сплава Т15К6. Скорость резания V 90 м/мин, глубина резания t=2 мм, подача S=0,5 мм/об, без применения СОТС, вероятность безотказной работы по параметрам прочности для данных условий принимаются равной 95% (указанной вероятности безотказной работы P(t)=95% соответствует интенсивность отказов Xs=5,l № ) .
В качестве исходного варианта принимается стандартная конструкция резца. Конструктивное исполнение узла крепления соответствует типу крепления Р — крепление через отверстие (ГОСТ 26476 - 85) (рис.48).
Для используемого варианта крепления и конструктивного исполнения применяются пластины режущие сменные многогранные твердосплавные квадратной формы с отверстием (ГОСТ 19051 - 80). Рассмотрим ряд пластин со следующими геометрическими параметрами: толщина s= 4,76 мм, ширина (диаметр вписанной окружности) l=d= 15,875 мм, диаметр отверстия dt=6,35 мм, радиус при вершине г=1,2; 1,6; 2,0; 2,4.
Схема и способ крепления СМП по стандарту ИСО и ГОСТ 26476-85, эскиз конструктивного исполнения схемы крепления
Первым этапом является построение конструкции инструмента с помощью современных компьютерных пакетов на экране монитора (рис.49). Экран работы с системой конструирования 3-D модели сборного
После завершения построений конструкции необходимо перейти к пакету расчета нагрузок, действующих на резец в процессе резания (рис.50). Расчет проводится в соответствии с методикой изложенной в главе 2 настоящей работы с помощью специально разработанной программы.
После расчетов, модель конструкции и расчетные значения нагрузок экспортируются в комплекс расчета конструкции на прочность (рис.51, 52).
После проведения расчетов напряженно-деформированного состояния и интенсивности отказов по параметрам прочности производится анализ результатов (рис. 53), и конструктор выбирает дальнейшее направление совершенствования конструкции. Для внесения изменений возвращаются в систему конструирования и вносятся коррективы в модель конструкции, после чего повторяется расчет напряженно-деформированного состояния в описанной последовательности. Окончательные результаты расчета сохраняются в файле, где хранится описание составных частей конструкции (материал, физические константы материала, масса детали, габаритные размеры и т.п.), условия контактирования соприкасающихся поверхностей, условия закрепления и структурные нагрузки, результаты расчетов в графической и табличной форме.
Похожие диссертации на Обеспечение надежности сборных токарных резцов за счет выбора их конструкций и рациональных условий эксплуатации
