Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние прогнозирования надежности режущего инструмента, применяемого на операциях торцового фрезерования 8
1.1 Основные понятия надежности функционирования режущего инструмента. 8
1.2 Факторы и источники отказов режущего инструмента.Критерии износа режущего инструмента . 10
1.3 Методы и модели оценки стойкости и надежности эксплуатации режущего инструмента. 21
1.3.1 Методы расчета стойкости инструмента. 28
1.3.2 Методы оценки надежности режущего инструмента
2. Математические модели основных видов износа торцовых фрезерования 45
2.1 Математическая модель оценки стойкости режущих элементов торцовых фрез по критерию адгезионного износа. 45
2.1.1 Оценка стойкости режущего инструмента по критерию предельно допустимого износа по задней поверхности. 45
2.1.2 Оценка стойкости режущего инструмента по критерию предельно допустимого износа передней поверхности . 53
2.2 Прогнозирование стойкости режущих кромок зубьев торцовых фрез по критерию усталостного разрушения. 59
2.3 Оценка коэффициентов вариации расчетных значений стойкости режущего инструмента. 68
2.4 Экспериментальная оценка точности и адекватности математических моделей стойкости торцовых фрез . 73
3. Оценка надежности функционирования торцовых фрез методами теории массового обслуживания . 89
3.1 Математические модели надежности функционирования торцовых фрез по преимущественным видам отказов. 89
3.2 Экспериментальная оценка точности и адекватности математических моделей надежности функционирования торцовых фрез . 98
3.3 Применение оценок надежности режущего инструмента. 107
Выводы 118
Выводы 121
Литература 124
Приложения 135
- Факторы и источники отказов режущего инструмента.Критерии износа режущего инструмента
- Оценка стойкости режущего инструмента по критерию предельно допустимого износа передней поверхности
- Экспериментальная оценка точности и адекватности математических моделей стойкости торцовых фрез
- Экспериментальная оценка точности и адекватности математических моделей надежности функционирования торцовых фрез
Введение к работе
В технологических процессах обработки металлов резанием удельный вес операций фрезерования составляет до 35 % от общего количества операций металлообработки, из которых доля операций торцового фрезерования составляет 25%. Данные цифры говорят о том, что операции фрезерования в значительной степени определяют затраты, связанные с изготовлением большой номенклатуры деталей. Недостаточный уровень надежности технологических процессов приводит к увеличению брака обрабатываемых деталей и повышению затрат на устранение отказов режущего инструмента и оборудования. Поэтому необходимо осуществлять прогноз уровня надежности на стадии проектирования технологических процессов, преимущественно без экспериментальных проверок, так как они чрезвычайно дороги и часто неосуществимы. Осуществление прогноза на базе экспериментов, при условии, что в проектируемом технологическом процессе предусмотрено использование специального оборудования, инструмента, потребует фактически внедрения этого процесса. Учитывая, что при запуске в производство нового изделия требуется разработка большого количества технологических процессов, то становится очевидным, что прогноз на базе экспериментов фактически неосуществим. Поэтому задача прогнозирования уровня надежности технологических процессов на стадии их проектирования расчетными методами является актуальной.
Технологические процессы металлообработки представляют собой сложные системы, состоящие из большого количества подсистем. Одной из основных подсистем, определяющих общую надежность технологических процессов, является подсистема режущего инструмента. Так, например, доля отказов, связанная с износом и поломкой режущего инструмента на операциях фрезерования составляет « 40%.
Анализ существующих методов оценки надежности показал, что в настоящее время оценка показателей надежности режущего инструмента осуществляется преимущественно методами параметрической теории надежности. Несмотря на универсальность данных методов, они имеют ряд недостатков, среди которых наиболее существенным является: необходимость проведения значительного количества испытаний для определения показателей надежности и дополнительного обоснования возможности применения полученных результатов для прогнозирования надежности эксплуатации аналогичного режущего инструмента. Одним из возможных направлений решения данной проблемы является моделирование процессов развития преимущественных отказов режущего инструмента системами массового обслуживания. Это позволит получать гарантированные «нижние оценки» надежности эксплуатации режущего инструмента и использовать их в качестве дополнительных критериев при оптимизации процесса торцового фрезерования. Вследствие этого, получение количественных оценок надежности эксплуатации режущего инструмента является актуальной задачей, решение которой позволит повысить эффективность процесса торцового фрезерования и снизить затраты, связанные с технологическим обеспечением операции, как на этапе подготовки производства, так и при его сопровождении.
Целью данной работы является повышение эффективности процесса торцового фрезерования на основе прогнозирования и учета надежности эксплуатации режущего инструмента при подготовке и сопровождении производства.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- разработка математических моделей, позволяющих оценивать средние значения стойкости торцовых фрез до возникновения преимущественных видов их эксплуатационных отказов, таких как адгезионный износ по задней и передней поверхности, усталостное разрушение режущей части;
оценка влияния на стойкость торцовых фрез колебаний физико-механических свойств инструментального материала и материала обрабатываемой заготовки, режимов эксплуатации режущего инструмента;
разработка обобщенных вероятностных моделей возникновения преимущественных видов эксплуатационных отказов торцовых фрез с учетом имеющихся расчетных и статистических данных о причинах возникновения отказов;
оценка влияния колебаний, физико-механических свойств инструментального и обрабатываемого материала, режимов эксплуатации режущего инструмента на надежность инструмента;
разработка программного обеспечения, позволяющего прогнозировать вероятность возникновения преимущественных видов отказов режущего инструмента и вероятность безотказной работы с учетом отсутствия всех видов отказов.
Для решения поставленных задач применялись методы теории резания, методы теории массового обслуживания, методы математической статистики, численные методы, методы теории упругости, методы теории теплообмена.
Научная новизна работы заключается:
в математических моделях оценки стойкости торцовых фрез по критериям адгезионного износа и усталостного разрушения режущих элементов;
в закономерностях, характеризующих влияние на возникновение отказов торцовых фрез таких факторов, как неравномерность распределения напряжений в зоне контакта инструмента с заготовкой, а также изменение физико-механических свойств инструментального и обрабатываемого материала;
в разработанных вероятностных моделях прогнозирования преимущественных видов эксплуатационных отказов торцовых фрез, учитывающих статистические и расчетные данные о причинах их возникновения;
в разработанной модели надежности эксплуатации торцовых фрез, учитывающей взаимосвязь возникновения преимущественных видов эксплуатационных отказов;
в количественной оценке влияния на надежность режущего инструмента возможных колебаний основных технологических параметров и случайных факторов, характерных для процесса фрезерования.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в рекомендациях по:
определению оптимальных размеров партий заготовок, запускаемых в производство, обеспечивающих снижение времени на замену режущего инструмента и сокращению затрат на устранение его отказов;
разработке на стадии технологической подготовки производства научно обоснованных решений по выбору режущего инструмента с учетом надежности его эксплуатации и программы выпуска деталей;
использованию основных показателей надежности функционирования режущего инструмента в качестве дополнительных критериев при его выборе на этапе проектирования технологической операции фрезерования.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах:
1. V научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Рубцовск
2003 г.
2. VI научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Рубцовск
2004 г.
3. IV Всероссийская научно-практическая конференция, Новосибирск 2006 г.
Результаты работы по мере их готовности, а также работа в целом обсуждались и были одобрены на заседаниях кафедр «Технология автоматизированного производства» и «Технология машиностроения» АлтГТУ им. И.И. Ползунова.
Основные результаты работы опубликованы в 7 печатных работах.
Факторы и источники отказов режущего инструмента.Критерии износа режущего инструмента
В результате анализа литературных источников [3,4, 5, 6,7, 8, 9,10, 11, 12, 13, 14, 15] и производственной практики установлено, что преимущественными видами отказов режущего инструмента, используемого на операци ях торцового фрезерования, в условиях налаженных технологических процессов можно считать отказы вызванные: - износом его режущих поверхностей [3-9, 14, 15]; - усталостным разрушением режущей части инструмента в результате циклического воздействия механических напряжений и теплового нагружения и разгружения элементов режущего клина [10,11,12,13]; Таким образом, отказ инструмента однозначно определяется степенью износа или разрушением режущей кромки. В качестве критериев отказа торцовых фрез принимается величина площадки износа по задней поверхности или глубина лунки износа на передней поверхности. В таблице 1.1 приведены принимаемые критерии износа режущего инструмента по данным ряда авторов. В зависимости от условий резания, свойств инструментального и обрабатываемого материала в процессе торцового фрезерования наблюдается износ, как по задней, так и по передней поверхности зуба фрезы, а так же небольшое выкрашивание режущей кромки.
В случае, когда температура на передней площадке контакта инструмента со стружкой превышает температуру по задней поверхности, наибольшую интенсивность износа будет иметь передняя поверхность. Критерием износа в данном случае является глубина лунки износа на передней поверхности [4]. Анализ литературы показал, что. за критерий износа инструмента могут приниматься: - размер площадки износа на задней поверхности, - глубина, ширина лунки износа на передней поверхности, - выкрашивание или образование трещины на режущем лезвии, - закругление режущей кромки, - полное разрушение режущей части инструмента, - величина радиального и размерного износа. Данные критерии износа режущего инструмента являются прямыми, т.е. непосредственно определяют состояние инструмента. В настоящее время актуальным вопросом является разработка методов активной диагностики износа режущего инструмента. Вследствие чего рядом авторов предложены косвенные критерии для контроля состояния режущего инструмента, позволяющие получать информацию непосредственно из зоны контакта инструмента с заготовкой, учитывающие: - характер сигнала акустической эмиссии [18,19, 20]; - ЭДС резания и температуру [21, 22, 23, 24, 25]; - изменение силы резания и крутящего момента [18, 26]; - уровень вибраций, электромагнитных волн [26,27, 28]; - изменение силы тока, электрического сопротивления или потребляемой мощности в зоне контакта [18, 29]. Так же в качестве критериев, характеризующих состояние инструмента, используются, так называемые технологические критерии: шероховатость поверхности, размеры, погрешности формы обрабатываемой детали.
Недостатком данных критериев является возможность возникновения погрешно стей при определении износа из-за существенного влияния на результат недостаточной виброустойчивости фрезерных станков, а также возможное уменьшение шероховатости обработанной поверхности за счет сильной пластической деформаций и нагрева до высокой температуры. В процессе торцового фрезерования, режущая часть инструмента может подвергаться хрупкому разрушению, в результате усталости инструментального материала. Установление критерия усталостного разрушения является одним из самых актуальных вопросов. Сравнение ряда критериев усталостной прочности показывает неоднозначность их определения предела усталости. Наибольшей достоверностью обладает критерий, предложенный А.А.Лебедевым [30]: где Ад = ——, c_i - предел выносливости инструментального материала при симметричном цикле нагружения; ау - коэффициент, зависящий от состояния поверхности режущей части инструмента и чувствительности материала к концентрации напряжений; (Уа,(Ут - амплитудное и среднее значение напряжения в цикле; ав - предел прочности инструментального материала. Широкая экспериментальная проверка данного критерия прочности, как на металлокерамических сплавах, так и на других материалах в условиях сложнонапряженпого состояния показала, что его достоверность достигает 92-95%. Различный характер разрушения режущего инструмента определяет метод расчета зуба фрезы на прочность. Анализ литературных источников [4, 31, 32, 33, 34] показал, что в настоящее время для получения действительной оценки прочности режущего инструмента, оснащенного твердым сплавом, целесообразно использовать критерий предельного состояния, предложенный Г.С. Писаренко и А.А. Лебедевым, и, выражаемый формулой
Оценка стойкости режущего инструмента по критерию предельно допустимого износа передней поверхности
Оценка стойкости инструмента по критерию предельно допустимого адгезионного износа передней поверхности осуществляется при следующих основных допущениях: - основным видом износа зуба торцовой фрезы является адгезионный износ по передней поверхности; - средняя температура на площадке физического контакта передней поверхности режущего инструмента с обрабатываемым материалом постоянна в течение времени контакта и определяется в соответствии с зависимостью [55]: где qm - плотность теплового потока от сил трения на передней поверхности; ql - плотность итогового потока теплообмена на передней поверхности. - критерием износа является образование на передней поверхности зуба фрезы лунки износа с предельно допустимым объемом изношенного инструментального материала - [Q]. Величина [Q] определяется из геометрических соображений (рисунок 2.6): зуба фрезы за фактическое время обработки одной детали TJ МОЖНО оценить зависимостью, аналогичной (2.11): О здесь vc - скорость скольжения стружки по передней поверхности инструмента; Е, - коэффициент усадки стружки; rj - относительная доля областей контакта стружки с передней поверхностью режущего инструмента на которых возможно образование адгезионных металлических связей (АМС), опре- . деляется зависимостью (2.5).
На основании результатов работы [9] примем, что эпюра нормальных давлений на передней поверхности режущего инструмента имеет вид (рисунок 2.4): (2.21) где а(т) - переменная толщина срезаемого слоя; sz - подача на зуб фрезы; \//(т) - мгновенный угол контакта инструмента с обрабатываемым материалом. Средняя величина нормальных давлений на площадке контакта в первом приближении равна: стойкости зуба торцовой фрезы Tj, в зависимости от скорости резания и подачи, Оценка стойкости зуба фрезы по критерию усталостного разрушения осуществляется при следующих основных допущениях [108]: - напряженное состояние режущей части инструмента есть плоско-деформированное состояние (рисунок 2.1); - циклом нагружения является один оборот фрезы; - разрушение режущей части инструмента происходит в условиях многоцикловой усталости под действием пульсирующих механических и термических напряжений, действующих в процессе фрезерования. В качестве критерия, определяющего возникновение данного вида отказа режущего инструмента при его эксплуатации, предлагается принять предельно допустимое количество циклов нагружения режущей кромки зуба [N], которое в первом приближении можно оценить зависимостью [74]: где 7Q - предел выносливости инструментального материала при пульсаци-онном цикле нагружения; NQ -базовое число циклов нагружения, соответствующее величине JQ ; Jmax - максимальное напряжение, возникающее в пределах цикла нагружения зуба фрезы; т -постоянная, характерная для инструментального материала. Переходя к стандартным показателям, характеризующим работу режущего инструмента, и учитывая, что предельно допустимое количество циклов нагружения режущей кромки зуба [N] соответствует стойкости инструмента [Л ] = Гз А2 [75], выражение для определения стойкости режущего инструмента в случае торцового фрезерования принимает вид: где п - частота вращения фрезы. Среднее число деталей, обработка которых возможна до усталостного разрушения режущей части инструмента определяется выражением: где т - время обработки одной детали. Напряжения в режущей части инструмента в общем случае определя-. ются как сумма напряжений, возникающих под действием контактных давлений и растягивающих термических напряжений JQ, вызванных неравно мерностью нагрева (рисунок 2.8). Максимальное напряжение в пределах цикла нагружения зуба фрезы атах можно оценить выражением [109]
Экспериментальная оценка точности и адекватности математических моделей стойкости торцовых фрез
Для оценки адекватности разработанных математических моделей были проведены экспериментальные исследования стойкости режущего инструмента, применяемого на операциях торцового фрезерования. Так как величина износа передней и задней поверхности режущего инструмента зависит от времени работы инструмента, скоростей перемещения поверхности резания и стружки относительно его задней и передней поверхностей, при проведении экспериментов решались следующие основные задачи: исследование влияния скорости резания на изменение величины стойкости торцовой фрезы; исследование развития износа режущего инструмента в зависимости от времени его эксплуатации;
Экспериментальные исследования проводились на ОАО «Рубцовский машиностроительный завод». Фрезеровались призматические прямоугольные образцы, выполненные из стали 5ХНМ имеющие структуру, соответствующую закаленному и высокоотпущенному состоянию, предел прочности на разрыв ав = 12б5МПа, твердость НВ380. Габариты обрабатываемой поверхности BxL = 120х365мм. Заготовки закреплялись на столе станка прихватами.
При проведении эксперимента в качестве критерия затупления режущего инструмента была принята величина площадки износа по задней поверхности зуба фрезы [h] = 0,9-10 м. Процесс резания проводился при режимах и условиях, приведенных в таблице 2.4.
Для проведения экспериментальных исследований применялся вертикально-фрезерный станок модели ВМ-127.
В соответствии с правилами испытаний на стойкость торцовых фрез по ГОСТ 26596-91 в качестве режущего инструмента применялась однозубая торцовая насадная фреза с механическим креплением пятигранных твердосплавных пластин D = 125мм, конструкция и размеры которой соответствуют ГОСТ 26595-91. Фреза оснащалась сменными пластинами из твердого сплава Т15К6 формы 10113-110408, выполненные в соответствии с ГОСТ 19064-80. Геометрические параметры режущей части инструмента, после установки зубьев в корпус фрезы: у--П\ а-11; р = 67; Л = 11.
Поскольку высота площадки износа неравномерна вдоль режущей кромки, то измерялась ее максимальная величина. Контроль площадки износа осуществлялся с помощью микроскопа прибора Бринелля типа МПБ-2 с ценой деления шкалы 0,05 мм, который позволяет с достаточной степенью точности производить измерения. Техническая характеристика данного прибора приведена в ГОСТ 23677-79.
Проведенные экспериментальные исследования показали, износ торцовых фрез происходит как по задней, так и передней поверхностям зубьев. В ходе эксперимента установлено, что наиболее интенсивно протекает износ по задней поверхности режущего инструмента с образованием фаски износа. В ряде случаев износ сопровождался выкрашиванием лезвий, имеющим характер сколов, переходящих на переднюю поверхность, причинами которых может служить наблюдаемое в процессе резания схватывание поверхностей обрабатываемого материала с передней поверхностью зубьев фрезы. Ширина фаски износа относится к изменяющимся параметрам процесса резания, которая постепенно возрастает на протяжении всего процесса резания. Через промежуток времени, равный обработке одной заготовки, 5,8 мищ процесс резания прерывался, производился съем инструмента, и с помощью микроскопа Бринелля проводились измерения высоты площадки износа. Начальный износ зубьев торцовой фрезы проявлялся в виде образования относительно ровной фаски по задней поверхности, которая равномерно увеличивалась до величины 0,1-0,15 мм (рисунок 2.15а). В первые 5-6 минут непрерывной работы фрезы образовывалась стружка серебристого цвета, которая легко сходила по передней поверхности инструмента и удалялась из зоны резания. Износ фрезы в данный момент времени происходил без заметных вы крашиваний. Через 10-15 минут работы на задней поверхности зубьев фрез появляются небольшие углубления и поверхность фаски износа становится пилообразной (рисунок 2.156). При продолжении фрезерования, через 20-25 минут, наряду с увеличением ширины фаски износа и ее неравномерности вдоль задней поверхности, образуется ясно видимый износ по передней поверхности (рисунок 2.16). В результате чего был отмечен рост вибраций. Так же наблюдалось приваривание стружки к передней поверхности режущего инструмента. Последующая работа фрезой, имеющей ширину фаски износа по задней поверхности 0,55-0,65 мм, приводит к более интенсивному развитию износа режущего инструмента. Основными признаками, предшествующими достижению предельно допустимого износа задней поверхности явились: увеличение вибраций и появление мелкой стружки синего цвета.
Одной из задач эксперимента, как отмечалось ранее, было исследование влияние факторов процесса резания на стойкость торцовых фрез. При проведении исследований основным фактором процесса резания, определяющим стойкость режущего инструмента, была принята скорость резания. Варьируя данный параметр в пределах 60-200 м/мин, добивались износа инструмента до принятого критерия затупления, при этом определялось время работы инструмента до достижения данного критерия, соответствующее каждому значению скорости резания. Остальные факторы процесса резания сохранялись строго постоянными. Стойкость режущего инструмента определялась для 8 значений скоростей резания. Для каждой скорости резания было получено 5 значений времени работы инструмента до отказа (таблица 2.5), по которым была определена средняя стойкость фрезы. При проведении эксперимента применялись заготовки, описанные выше.
Экспериментальная оценка точности и адекватности математических моделей надежности функционирования торцовых фрез
Возможность использования систем массового обслуживания для моделирования процессов возникновения преимущественных видов отказов торцовых фрез и оценки вероятности их безотказной работы при обработке заданной партии деталей основана на предположении о том, что как потоки случайных событий, оказывающих влияние на возникновение отказов инструмента, так и сами отказы подчиняются закону распределения Пуассона случайных величин. Для проверки данного допущения были проведены экспериментальные исследования, целью которых являлось установление характера распределения отказов режущих элементов торцовых фрез. В рамках экспериментальных исследований осуществлялась обработка заготовок из стали 5ХНМ, фрезой, оснащенной пятигранными неперетачи-ваемыми пластинами из твердого сплава Т15К6. Контролировалось возникновение отказов по критериям адгезионного износа и усталостного разруше ния режущих кромок пластин фрезы. В качестве критериев, характеризующих состояние инструмента, были приняты (рисунок 3.9): - высота площадки износа по задней поверхности [h] = 0,9-10 м; - поломка режущей пластины. Процесс резания проводился при следующих режимах и условиях: - режимы резания - скорость v = 120м/мин, подача sz =0,1мм/зуб, глубина резания / = 1мм; - диаметр фрезы Иф = 125мм, z = 8; ширина фрезерования В = 120мм; Для проведения эксперимента использовались образцы, описанные в 2.3. Известно, что стойкость режущего инструмента есть функция его износа, который всегда имеет случайные реализации. На рисунке 3.10 показаны некоторые реализации износа торцовых фрез. Характер кривых износа режущего инструмента отражает физические закономерности самого процесса износа. Для получения количественных характеристик процесса износа тор цовых фрез проанализируем полученные экспериментально кривые износа.
По представленным данным можно сделать выводы, что скорость износа испытываемых инструментов разная, так как с увеличением времени эксплуатации происходит разделение кривых износа. Данное разделение реализаций износа позволяет сделать предположение о том, что применяемый инстру- . мент различного качества, что может быть связано с нестабильностью технологического процесса его изготовления. При проведении экспериментальных исследований по установлению закона распределения отказов режущего инструмента, фрезы испытывались до принятого критерия предельного состояния. Анализ результатов испытаний данных инструментов показал, что среди них имеются фрезы с весьма низкой стойкостью, это могло быть вызвано дефектами их изготовления или инструментального материала. Преимущественным видом отказа, возникающим в процессе эксплуатации, явился износ режущего инструмента по , задней поверхности. В процессе испытаний 7% фрез вышли из строя, не дос 102 тигнув установленного критерия затупления, произошло выкрашивание по передней поверхности и скол режущей пластины на полную толщину в результате усталостного разрушения. Гистограмма распределения стойкости фрез приведена на рисунке 3.11. Для построения гистограммы полученные значения стойкости режущего инструмента были разбиты на интервалы, количество которых определялось зависимостью []: i = l + 3,222lgn (3.7) После установления числа разрядов производился подсчет количества фрез, отказавших в определенном интервале времени. Максимальное значение стойкости, полученное в результате эксперимента, составило Ттах=60мин, минимальное Ттіп=11мин. Среднее значение стойкости Т = 41,4мин, соответствующее среднеквадратическое отклонение у = 11мин. Для вычисления статистических характеристик распределения Т и 7 применялись формулы: где 7) -наблюденные значения стойкости торцовых фрез, полученные в ходе проведения эксперимента, п - количество испытываемого инструмента. По полученным экспериментальным данным была построена эмпирическая кривая распределения плотности вероятности безотказной работы режущего инструмента (рисунок 3.12). На рисунке 3.13 представлены расчетные значения вероятности безотказной работы режущего инструмента и функция распределения стойкости торцовых фрез, полученная в результате статистической обработки экспери ментальных данных. Максимальное несовпадение экспериментальных и расчетных данных не превышает и 10%. Для обработки статистических данных на соответствие закону Пуассона наблюдаемые фрезы были разбиты на партии. Контролировалось количество фрез, отказавших в заданном интервале времени, результаты данного контроля приведены в таблице 3.2. Принимаем допущение об отсутствии различия между эмпирическим распределением и теоретическим. Для проверки предположения о подчинении распределения стойкости торцовых фрез закону Пуассона применяем критерий согласия % . Для того, чтобы принять или отклонить данную гипотезу с помощью принятого критерия, устанавливаем уровень его значимости q = 0,05. Таким образом, область допустимых значений критерия согласия выразится вероятностью:
Похожие диссертации на Повышение эффективности процесса фрезерования на основе прогнозирования надежности эксплуатации торцовых фрез
