Введение к работе
Актуальность проблемы. Постоянное повышение требований к качеству изделий современного машиностроения заставляет более широко использовать конструкционные материалы, обладающие высокими эксплуатационными свойствами - жаропрочностью, коррозионной стойкостью, значительной удельной прочностью, а также рядом других специальных свойств.
Такие конструкционные материалы обладают низкой обрабатываемостью резанием, зависящей от особенностей их физико-механических и химических свойств, что существенно повышает износ режущих инструментов и приводит к снижению производительности, точности и качества обработки.
Наиболее перспективными при обработке на станках с ЧПУ в настоящее время являются сборные резцы с механическим креплением сменных многогранных пластин (СМП), устанавливаемых на опорные пластины (ОП) Однако, низкая теплопроводность стыка "СМП - ОП", приводит к нарушению теплового режима работы инструмента, повышению поверхностных контактных и объемных температур и, как следствие - к снижению работоспособности инструмента, и уменьшению точности, качества и производительности механической лезвийной обработки.
Цель диссертационной работы. Повышение износостойкости сборных резцов при чистовых режимах обработки за счет применения новой конструкции СМП повышенной теплопроводности (СМП ПТ).
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
-
На базе ранее выполненных расчетно-экспериментальных работ наметить возможные пути повышения износостойкости сборных резцов, и создать модель более благоприятного распределения тепловых потоков в режущей пластине.
-
С помощью методов компьютерного моделирования выполнить построение компьютерных моделей тепловых полей и распределения напряжений в обычной СМП и СМП ПТ.
3. Смоделировать и экспериментально установить геометри
ческие параметры новой конструкции сменной многогранной пластины
(СМП) с укороченной задней поверхностью (УЗП) повышенной тепло
проводности при обработке различных конструкционных материалов.
4 Экспериментально установить влияние перераспределения тепловых потоков в режущей пластине на температурные деформации резца, а также на усадку стружки.
5. Установить характер изменения термоэлектрических процессов в режущем клине за счет влияния новой биметаллической пары (твердый сплав - медь) в очаге высоких температур.
б Провести сравнительные исследования динамики изнашивания контактных поверхностей стандартных пластин и пластин повышенной теплопроводности.
7. Выполнить проверку эффективности сборных резцов, осна
щенных СМП ПТ, с оценкой надежности полученных результатов
статистическими методами.
8. Дать рекомендации по созданию СМП с высокой эквива
лентной теплопроводностью за счет применения в режущей пластине
композиций из материалов с высокими теплофизическими свойствами,
обеспечивающими повышенные коэффициенты эквивалентной
теплопроводности.
9. Обосновать область применения СМП ПТ и внедрить ре
зультаты исследования в производство.
Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы основные положения теории изнашивания инструментальных твердых сплавов, теории теплофизи-ческих процессов (в том числе термоэлектрических) в технологических системах механической лезвийной обработки, компьютерное моделирование с применением метода конечных элементов (МКЭ), статистические методы оценки достоверности полученных экспериментальных данных, а также результаты исследований других авторов.
Новизна выполненных технических решений подтверждается соответствующими техническими актами, приведенными в работе.
Объект исследования. Объектом исследования в диссертации являются сборные резцы, оснащенные квадратными СМП отечественного и зарубежного производства, работа которых соответствует требуемому периоду стойкости при заданной производительности.
Положения, выносимые на защиту:
-
Результаты сравнительных теоретических и экспериментальных исследований параметров резания сборными резцами, оснащенными стандартными СМП и СМП ПТ, а также характеристики работоспособности сборных резцов.
-
Методика компьютерного моделирования распределения тепловых потоков в СМП в зависимости от их теплопроводности.
-
Новая методика измерения температурного удлинения резцов на станках с ЧПУ.
-
Результаты моделирования тепловых полей и прочности стандартных СМП и СМП ПТ.
-
Выдвинутая модель перераспределения тепловых потоков в СМП ПТ, экспериментально подтвержденная исследованием температурного удлинения резцов, усадки стружки, температур на опорных поверхностях пластин, средних температур стружек а также фотографиями износа, полученными при помощи цифрового микроскопа.
-
Теоретически обоснованный и экспериментально подтвержденный (с использованием закона Парето) метод повышения точности обработки на станках с ЧПУ за счет снижения температурного удлинения СМП ПТ.
Научная новизна результатов исследований: 1. Автором предложен и с помощью созданной компьютерной модели тепловых потоков в сборном токарном резце, оснащенном пластиной повышенной теплопроводности, обоснован метод повышения работоспособности трибосопряжения w инструмент - заготовка".
2 Предложен новый метод повышения точности лезвийной обработки за счет снижения одной из составляющих суммарной систематической погрешности обработки - температурного удлинения резца.
-
Разработана новая методика измерения температурного удлинения сборных токарных резцов, оснащенных СМП, на станках с ЧПУ.
-
Теоретически установлено, что за счет образования новой термопары (медь - твердый сплав) снижается величина термоэлектрического тока во внутренней (малой) цепи. Это приводит к снижению интенсивности изнашивания режущей пластины по задней поверхности.
5. Экспериментально подтверждена зависимость коэффициен
та усадки стружки от величины теплопроводности инструментального
материала.
Практическая ценность работы.
Сконструирована, изготовлена и испытана в лабораторных и производственных условиях новая сменная неперетачиваемая пластина, отличающаяся от стандартной более высокой эквивалентной теплопроводностью, что обеспечивает:
-
Повышение производительности при лезвийной чистовой обработке деталей.
-
Повышение точности обработки за счет снижения систематических погрешностей (температурное удлинение резца).
-
Повышение экологической безопасности при лезвийной обработке без применения СОЖ.
-
Экономию средств, затрачиваемых на СОЖ, а также связанных с усложнением конструкции станка
Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты исследований, полученные автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками РГАСХМ - Ю.С. Дубровым, М.Г. Грибельным; РГУПС -Г.С. Николаевой.
При этом лично автору принадлежат-
-
Обоснование направления исследований; постановка задач и разработка методологии исследований.
-
Планирование и проведение исследований, связанных с компьютерным моделированием (создание трехмерных моделей, использование конечно-элементного анализа для решения поставленных задач).
-
Результаты моделирования тепловых полей и прочности стандартных СМП и СМП ПТ.
-
Результаты сравнительных теоретических и экспериментальных исследований параметров резания сборными резцами, оснащенными стандартными СМП и СМП ПТ, а также характеристики работоспособности сборных резцов.
-
Разработка и внедрение в промышленности новых сменных многогранных пластин повышенной теплопроводности
Реализация результатов. Предложенные методы повышения эффективности сборных резцов нашли применение в машиностроении на операциях чистовой механической лезвийной обработки (ОАО «Гранит»)
Материалы диссертации внедрены в учебный процесс и используются при подготовке инженеров-технологов по дисциплинам «Резание материалов», «Основы технологии машиностроения», «Математическое моделирование процессов и объектов» на кафедре ТАМ РГАСХМ. По результатам диссертационной работы подготовлена и внедрена в учебный процесс новая лабораторная работа «Исследование температурного удлинения сборных резцов на станках с ЧПУ.
Апробация работы. Диссертационная работа выполнялась с 2001 по 2008 год. Ее результаты докладывались на 12 научно-технических конференциях.
Основные научные положения диссертации доложены на следующих конференциях: XVI международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Ростов-на-Дону, 2003), научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава «Транспорт 2003» (г. Ростов-на-Дону),
XVII международной научной конференции «Математические методы в
технике и технологиях» (г.Кострома, 2004), всероссийской научно-
практической конференции «Транспорт 2004» (г. Ростов-на-Дону),
XVIII международной научной конференции «Математические методы
в технике и технологиях» (г.Казань, 2005), научно-практической конференции «Транспорт 2005» (г. Ростов-на-Дону), XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», (г. Воронеж, 2006), всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2006» (г. Ростов-на-Дону), всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2007» (г Ростов-на-Дону), научно-практической конференции «Современные инновационные технологии в сельскохозяйственном машиностроении» (г Ростов-на-Дону, 2007), XX международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Ярославль, 2007).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 132 наименований, содержит 70 рисунков, 38 таблицы и 4 приложений. Диссертация изложена на 157 страницах машинописного текста.
