Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Применение, конструкторско - технологическая характеристика деталей 8
1.1. Общие сведения о нежестких деталях 8
1.2. Назначение, конструкции и технологические особенности применения магнитных приспособлений для обработки нежестких деталей 15
1.3. Технологические возможности применения инструмента из композитов для обработки нежестких деталей 22
1.4. Технологические особенности обработки нежестких деталей 27
1.5. Цель и задачи исследования 30
ГЛАВА 2. Методика экспериментальных исследований 31
2.1. Детали, материалы, технологическая оснастка, инструментальное и метрологическое обеспечение 31
2.2. Методика выбора и оптимизации контролируемых параметров технологических процессов 44
ГЛАВА 3. Аналитическое исследование точности обработки нежестких деталей на магнитной технологической оснастке 50
3.1. Анализ технологического процесса обработки нежестких деталей на магнитной технологической оснастке (МТО) 50
3.2. Усилия, определяющие деформацию заготовки и приспособления..51
3.3. Упругие деформации магнитной плиты в процессе закрепления и обработки 59
3.4. Упругая деформация заготовки 63
3.5. Характеристика и описание программы расчета на ЭВМ 67
3.6. Проверка адекватности модели (тестовые вычисления) 75
Выводы - 76
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование точности обработки инструментом из композита нежестких деталей 77
4.1. Параметры жесткости магнитной технологической оснастки 77
4.2. Исследование влияния геометрических параметров заготовки на ее деформацию в процессе закрепления на магнитной плите 85
4.3. Исследование влияния упругой деформации нежесткой детали на точность ее изготовления 93
4.3.1. Исследование точности обработки при точении композитом 10 94
4.3.2, Исследование точности обработки при торцовом фрезеровании композитом 10 98
Выводы 103
ГЛАВА 5. Технологическое обеспечение эффективности процессов лезвийной обработки нежестких деталей с применением магнитной технологической оснастки 105
5.1. . Эффективность обработки нежестких деталей инструментами из композитов на магнитной технологической оснастке 105
5.2. Зависимость ожидаемого качества и точности обработки нежестких деталей на МТО инструментами из композитов Ill
53. Рекомендации к проектированию технологии обработки нежестких деталей инструментами из композитов на МТО 117
Выводы 124
Общие выводы 125
Список литературы
- Назначение, конструкции и технологические особенности применения магнитных приспособлений для обработки нежестких деталей
- Методика выбора и оптимизации контролируемых параметров технологических процессов
- Упругие деформации магнитной плиты в процессе закрепления и обработки
- Исследование влияния геометрических параметров заготовки на ее деформацию в процессе закрепления на магнитной плите
Введение к работе
Существующее положение дел в отечественной промышленности, когда после распада Советского Союза мощная, сбалансированная станкоинструмен-тальная промышленность понесла значительный урон, привело к тому, что в девяностых годах в нынешней России сохранилась примерно половина номенклатуры станочного парка. Из-за отсутствия спроса на станкоинструмен-тальную продукцию возникла реальная опасность свертывания производства на многих машиностроительных заводах страны.
Начавшийся подъем промышленного производства в 1999 году, а также прогнозируемый подъем экономики в 2001-2005 годах дает повод ожидать возрастающего выпуска прецизионных машин и механизмов, в том числе и магнитных станочных приспособлений, обеспечивающих повышение производительности обработки с отсутствием экологически вредных выбросов и отходов. Производство таких изделий неразрывно связано с ростом объема изготовления нежестких деталей высокой точности, которые широко используются в станкостроительной, судостроительной и др. отраслях промышленности . В связи с этим появляется необходимость введения в технологический процесс дополнительных операций шлифования и доводки, что не только увеличивает себестоимость изготовления деталей, но и обусловливает появление прижогов, трещин, шаржирования поверхностей. При обработке нежестких деталей использование таких операций может вызвать температурную деформацию и увеличить погрешность обработки.
Лезвийная обработка позволяет избежать указанных явлений. Однако многие тонкостенные детали (например, поршневые компрессионные кольца) подвергаются термообработке и обладают повышенной поверхностной твердостью, что затрудняет использование для их обработки лезвийного твердосплавного инструмента. С другой стороны, известно, что использование композита дает возможность не только снизить температуру в зоне резания, но и обраба-
5 тывать материалы повышенной твердости при обеспечении высоких показателей точности и качества поверхностей. Поэтому применение инструмента из композита при обработке нежестких деталей является весьма перспективным. Ввиду его повышенной хрупкости это предъявляет особые требования к жесткости технологической системы, в частности, к жесткости закрепления детали в приспособлении. Эти условия при обработке тонкостенных плоскостных деталей может обеспечить магнитная технологическая оснастка (МТО). Силовые характеристики МТО обеспечивают неподвижность заготовки и позволяют в полной мере использовать потенциальные возможности лезвийного инструмента из композита. Однако силы магнитного притяжения, используемые в приспособлениях такого типа для закрепления нежестких деталей, могут вызвать их дополнительную деформацию, и как следствие - погрешность обработки, что недопустимо на чистовых и отделочных операциях. Несоответствие и трудоемкость существующих методик расчета погрешности обработки нежестких деталей на МТО с учетом совместной упругой деформации детали и приспособления затрудняют широкое внедрение этого вида оснастки на операциях лезвийной обработки.
Таким образом, совершенствование теории и практики обработки нежестких деталей композитами с применением магнитной технологической оснастки, создание на этой базе методов прогнозирования и технологического обеспечения заданных качественных показателей, является актуальной научной и практической задачей.
Научная новизна работы заключается в усовершенствовании технологии обработки резанием тонкостенных нежестких деталей, после поверхностной термообработки, с закреплением их на МТО, инструментом из композита с созданием наиболее благоприятных условий контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью.
С использованием теории упру го пластических деформаций и метода конечных элементов построена модель процесса совместной упругой деформации МТО и нежесткой. На основе данной модели разработана программа численно-
го расчета упругой совместной деформации магнитной плиты и заготовки в зависимости от физико-механических свойств материала заготовки и установочной поверхности МТО, силовых параметров процесса обработки резанием. Автор защищает:
Способ высокоэффективной обработки нежестких деталей инструментами из композита, как один из перспективных путей повышения производительности и качества процессов обработки конструктивно и технологически сложных деталей.
Универсальную модель процесса обработки нежестких деталей различной конструктивной и технологической сложности.
Методику численного расчета условий обработки нежестких деталей инструментами из композита, за счет создания оптимального контакта инструмента с поверхностью заготовки.
4. Результаты экспериментальных исследований и промышленного внед
рения технологий обработки нежестких деталей инструментами из композита с
использованием магнитной технологической оснастки.
Автором разработаны и доведены до практического применения рекомендации по проектированию технологических процессов изготовления нежестких деталей различной конструктивной и технологической сложности инструментами из композита.
Практическая ценность диссертационной работы подтверждена результатами внедрения, высокой технологической и экономической эффективностью ее содержания, выводов и рекомендаций.
Суммарный экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы на машиностроительных предприятиях Забайкалья составил 85 тыс. руб. (в ценах 2000 - 2003 гг.).
Диссертационная работа выполнена в рамках региональной программы восстановления промышленного потенциала Забайкалья. Она является составной частью научного направления «Комплексное обеспечение качества продукции машиностроительного назначения Забайкальского региона».
Результаты, представленные в диссертации, докладывались в 2001-2003 г.г. на ряде международных, республиканских и внутривузовских конференциях: Всероссийской научно-техническая конференции "Материалы и технологии XXI века ", 2001 г.,г. Пенза; Международной научной молодежной конференции" Гагаринские чтения", 2002г., г. Москва; Международной научной молодежной конференции "Новые идеи - новому тысячелетию", 2001 г.,Г- Чита; VI Международной молодежной конференции "Талант и труд молодых родному Забайкалью", 2002 г.,г. Чита; VII Международной научной молодежной конференции "Молодежь Забайкалья", 2003 г.,г. Чита; Всероссийской выставке -ярмарке научно - исследовательских работ и инновационной деятельности аспирантов и молодых ученых Высших учебных заведений Российской Федерации, г. Новочеркасск, 2003 г. - диплом 1 степени за инновационную научно -техническую разработку.
Основные результаты, полученные в диссертации при выполнении комплекса исследований, обобщены в 7 статьях в периодической научно-технической печати, в трудах конференций различного уровня.
Назначение, конструкции и технологические особенности применения магнитных приспособлений для обработки нежестких деталей
В современном машиностроительном производстве для обработки нежестких деталей применяют различные конструкции станочных приспособлений.
Большой вклад в развитие науки и практики применения станочных приспособлений внесли отечественные ученые: Алексеев А.Н., Ансеров Ю.М., Блюмберг В.А., Константинов О.Я., Корсаков B.C., Маталин А.А., Фираго В.П., Яхин А.В. и другие, [4, 22, 43, 45, 62, 72].
В зависимости от вида производства, технологических требований, конфигурации обрабатываемых заготовок, их размеров и условий применения станочные приспособления подразделяют на несколько типов: специальные (СП); универсальные (УП); специализированные; универсально-сборочные (УСП); универсально-наладочные; сборно-разборные приспособления (СРП); сборно-разборные универсально - переналаживаемые (УПП); групповая переналаживаемая оснастка ГПТО, а также видов привода, и подгруппы, рис. 1.6.
Для практического пользования классификация должна удовлетворять следующим основным требованиям: 1) обобщать всю совокупность приспособлений; 2) являться основой последующей унификации и стандартизации конструкции приспособлений; 3) способствовать снижению себестоимости и трудоемкости на этапах проектирования и изготовления приспособлений; 4) являться базой для последующего совершенствования классификации, в том числе и за счет появления станочных приспособлений нового поколения [43].
Из известных классификаций станочных приспособлений особое место имеет объемная классификация, предложенная профессором Константиновым О.Я. рис. 1.7. На рис. 1.7. показаны: а) подгруппы приспособлений: 0- крепежные, базирующие и прижимные элементы; 1-центры; 2-оправки; 3-патроны и планшайбы; 4- тиски и приспособления тисочного типа; 5-столы, плиты; б-кондук-торы; 7- делительные головки и устройства; 8-базовые детали и узлы приспособлений; 9-резерв; б) типы приспособлений: О-универсальные, 1-специализированные; 2-специальные одноместные; 3-специальные многоместные; 4-универсально-сборные; 5-унифицированные-наладочные; 6-грутшовая переналаживаемая технологическая оснастка; 7-сборно-разборные приспособления; 8 и 9 резерв; в) виды приводов приспособлений: О-механический небыстродей-ствующий; 1-механический быстродействующий; 2-пневматический; 3-гидравлический; 4-электромагнитный; 5-магнитный (с постоянными магнитами); 6-элект.родинамический; 7-вакуумный; 8-электростатический; 9-резерв.
В объемной классификации впервые магнитные приспособления выделены не только по типу, но и по виду привода.
Управление магнитным потоком осуществляется шунтированием (литые магниты) и нейтрализацией (оксидно-бариевые магниты). Нарис. 1.8 и табл. 1.1 показана классификация магнитных приспособлений по способу управления магнитным потоком.
Применение магнитных станочных приспособлений обеспечивает не только стабильную заданную точность размеров на настроенных станках, значительно расширяя их технологические возможности, но и создает условия для механизации и автоматизации операций, при этом существенно повышает производительность труда и снижает себестоимость обрабатываемых деталей [1,4, 16, 34, 41, 44, 81, 90]. Для закрепления заготовки или выполнения иных функций, в магнитных приспособлениях используется энергия магнитного поля, источниками которого могут быть постоянные магниты или электромагниты.
Использование электромагнитных плит и патронов ограничено следующими факторами: 1) имеется сильное электромагнитное поле, вследствие этого намагничиваются узлы станка и металлорежущий инструмент; 2) необходима непрерывная подача электроэнергии во время работы плиты; 3) возможен нагрев приспособления. Плиты на постоянных магнитах лишены перечисленных недостатков. Опыт использования магнитной технологической оснастки (МТО) машиностроительными предприятиями показывает, что в различных типах производства на операциях механической обработки и на операциях транспортировки, сборки и контроля успешно используются различные приспособления на постоянных магнитах, рис. 1.9. [19, 73, 104 - 109].
Методика выбора и оптимизации контролируемых параметров технологических процессов
Статистические методы планирования эксперимента позволяют в значительной степени исключить интуитивный подход, заменить его планом проведения экспериментального исследсівания, включающего объективную оценку результатов эксперимента на всех последовательных этапах исследования [3,26,65,80,99].
Цель настоящей методики — применить на практике методы планирования экспериментов для получения линейной математической модели при определении контролируемых параметров сложных технологических процессов, к которым и относится технология обработки нежестких деталей инструментами из композитов с применением магнитной технологической оснастки.
Анализ литературных источников, результаты настоящих исследований свидетельствуют о том, что существенное влияние на формирование шероховатости оказывают подача S, скорость резания V, главный угол в плане ф и радиус скруглення вершины режущего элемента г, [91, 92 , 100-103].
Чистовым точением резцом из композита 10 с использованием магнитного патрона обработана партия в количестве 8 штук нежестких деталей «Кольцо» (группа 5), (табл. 2.6). В результате реализации плана эксперимента 24"1 получена зависимость между параметром шероховатости Ra и технологическими факторами, определяющими условия обработки (табл. 2.11 и 2.12);
Затем необходимо выбрать сочетание tpr, которому соответствует наибольшее значение целевой функции ZmaN, определить значение режимов резания, обеспечивающее достижение заданного параметра S = exp(Y ), V = ехр(Х ), (2.6) где Y и X - координаты точки факторного пространства, которой соответствует Zmax. Условия осуществления исследований процессов точения и торцового фрезерования нежестких деталей инструментом из композитов с применением магнитной технологической оснастки, представлен схемой (рис. 2.5.).
Схема методов проведения экспериментальных и аналитических исследований состоит из трех блоков.
Первый, заключающийся в анализе конструкции и технологии обработки нежестких деталей, в том числе с применением инструмента из композита и магнитной технологической оснастки, реализован в Главе 1.
Второй блок — разработка методики экспериментальных исследований, выбор и обоснование необходимого режущего инструмента и оснастки, создание экспериментального стенда, обработка результатов исследований с помощью современной вычислительной техники и др., (Глава 2).
Третий блок - поиск оптимальных решений и разработка рекомендаций по практическому использованию результатов исследований в промышленно сти представлен в Главе 4 и 5. \
Целью аналитических исследований является выявление возможности обеспечения производительности обработки нежестких деталей, инструментом из композита с использованием МТО. Требуется установить теоретическую зависимость суммарной погрешности обработки от технологических факторов процессов резания.
Обработка нежестких деталей на магнитной технологической оснастке имеет свою специфику, влияющую на характер формирования погрешности. Например, при закреплении детали ее деформация обусловлена наличием зазора между опорной поверхностью и зеркалом магнитной плиты, образующегося погрешностями формы, макро- и микронеровностями контактирующих поверхностей.
Установлено [43], что при использовании магнитной технологической оснастки нагрев плиты происходит только после 90-120 мин работы, причем основным источником является тепло, выделяемое в процессе резания. В то же время в работе [52] указывается, что при прерывистой обработке композитами тепло распространяется в деталь на незначительную глубину: уже на глубине 20. ..25 мкм наблюдается уменьшение температуры в 5- 8 раз. Из этого следует, что процесс тепловыделения при обработке композитами незначителен, поэтому его влияние на погрешность обработки с использованием МТО в расчетах не учитывалось.
Влияние вибраций, возникающих в процессе фрезерования, на точность обработки определяется частотой и амплитудой вибраций. Известно [36], что на отклонения формы, главным образом, влияют низкочастотные колебания тех нологической системы (менее 5 Гц). Однако, обработка композитами, как правило, выполняется с большой скоростью резания (св. 300 м/мин); поэтому частота вынужденных колебаний, обусловленных периодическими входом-выходом зубьев из контакта с заготовкой, высока (более 100 Гц); при этом собственная частота колебаний МТО также достаточно велика (свыше 380 Гц). Поэтому колебания, возникающие в процессе торцового фрезерования с использованием МТО и инструмента с режущей частью из композита, в основном, влияют на образование микрогеометрических погрешностей и в расчете суммарной погрешности обработки они не учитывались [36].
Упругие деформации магнитной плиты в процессе закрепления и обработки
При исследовании жесткости магнитных плит [4, 18, 42, 43] установлено, что деформация плиты в процессе нагружения носит сложный характер; основными элементами, определяющими жесткость магнитной плиты, являются узел, на который устанавливается заготовка (в данном случае — верхний блок) и межэлементные стыки. Суммарная деформация магнитной плиты при ее нагруже-нии состоит из ПЛ=ПСГі + СГ2+ПЛу.,М (3.9) где WCTI - упругие перемещения в стыке магнитная плита - стол станка, м; wcn - упругие перемещения в стыках магнитной плиты, м; w/гл.у — упругая деформация верхнего блока плиты, м [34].
Величина смещений в стыках зависит от среднего давления, направления следов обработки, вида обработки, отклонений от правильной геометрической формы сопрягаемых поверхностей и т.п. Упругие перемещения в межэлементных стыках магнитной плиты по данным работы [4] могут быть определены как: WCJI=K- wnjjy, м где А=0,27...0,62 в зависимости от длины и ширины плиты. Заметное влияние на точность "обработки оказывает стык между магнитной плитой и столом станка. Податливость стыка рассчитывается по формуле : еСТ = (1 + 0,005 -ВПЛ)-\0 г )М/Па. (3.11) Перемещение в стыке можно определить по зависимости (3.12) wCr2 ryd- ЄСТ-, где Руд удельное давление в стыке при наибольшем значении нагружающего усилия, Па, [34].
Упругая деформация верхнего блока плиты wnny зависит от его конструктивных особенностей, а также от размеров заготовки [34, 43] и ее положения на магнитной плите. Её аналитический расчет осложнен тем, что тело магнитных блоков неоднородно (состоит из чередующихся стальных и алюминиевых или пластмассовых слоев и магнитов). Кроме того, магнитный блок прикреплен винтами по периметру к корытообразному корпусу МТО. Поэтому расчет упругой деформации верхнего блока плиты wnn.y был проведен методом конечных элементов [31]. Этот метод позволяет достаточно полно учитывать все особенности конструкции магнитных блоков плиты. Исследования показали, что расчет можно производить аналогично расчету анизотропной плиты и при этом использовать приведенные физические характеристики, определенные по методу «смеси» (модуль упругости, коэффициент Пуассона).
Для расчета упругой деформации пластины она разбивается на прямоугольные конечные элементы длиной Ъ = L/(N-1) и шириной а = Ь/(М-1), где N и М - число узлов на длинной и короткой сторонах. Границы конечных элементов совпадают с краями полюсников, что дает возможность учесть различие физических свойств материалов стальных полюсников и алюминиевого заполнителя. Для каждого элемента был принят обход узлов против часовой стрелки. Узлы обозначены буквами і (первый узел),], к, 1. На рис. 3.4. для і-го узла пока- заны три степени свободы. Обобщенные перемещения имеют вид: {б;}= [wn(dw ) &%{ & )dy )J, (3.13) "\ где T- по тексту обозначает операцию транспонирования. Рис. 3.4. Схема разбив}шя пластины на конечные элементы Для каждого элемента вычислена матрица жесткости: (3.14) где [В], [D] — матрицы градиентов и упругих постоянных элемента приложение П 3; 5" -площадь элемента В плоскости XY, определенные по методике [101]. Для каждого элемента вычислен вектор внешних сил (см. приложение ПЗ): W= \Mq-dx-dy, (3.15) sc где q(x,y) - интенсивность распределенной внешней нагрузки; [N]T ={N} - вектор-столбец функции формы. Все матрицы [К \ заносятся в глобальную матрицу жесткости: м=И е=\ (3.16) где т — число элементов. Аналогично, векторы внешних сил заносятся в глобальный вектор нагрузки: W t\ (3-І?) После формирования глобальной матрицы жесткости [К] и глобального вектора нагрузки {F} для вычисления прогибов и углов поворота пластины используем систему линейных уравнений: [KJ-{X}-{FJ, (3.18) где {X} — глобальный вектор обобщенных перемещений. Данное уравнение позволяет получить искомые прогибы и углы поворота для каждого узла пластины при соблюдении граничных условий [83].
Вследствие пространственного характера деформации плиты, перемещения различных ее точек будут отличаться, и положение узла с наибольшей величиной прогиба будет зависеть от условий нагружения и закрепления пластины. В общем случае определить аналитически положение этого узла, равно как и саму величину максимальной деформации, не представляется возможным. Поэтому эти параметры определяются после расчета прогибов во всех узлах пластины с учетом условий нагружения и закрепления затем из этих значений выбирается максимальное и оно принимается в качестве величины деформации верхнего блока плиты wmy и равна максимальному значению прогиба узлов пластины:
Исследование влияния геометрических параметров заготовки на ее деформацию в процессе закрепления на магнитной плите
Повышение эффективности обработки нежестких деталей достигается за счет быстродействия МТО, многоместной обработки, совмещения основного и вспомогательного времени и относительно простой загрузкой приспособлений, в том числе и автоматизированным способом, а также заменой шлифования на чистовую и отделочную обработку лезвийным инструментом композитов. Силовые характеристики МТО обеспечивают неподвижность заготовки и позволяют в полной мере использовать потенциальные возможности лезвийного инструмента из композита, т.е. производить чистовое точение и торцовое фрезерование на оптимальных режимах.
Целесообразность замены окончательной обработки шлифованием на точение и торцовое фрезерование композитом - несомненна. К достоинствам новой технологии следует отнести не только повышение производительности, но и резкое улучшение качества, а также исключение возможных при шлифовании прижогов и шаржирования абразивом обработанной поверхности. В результате для нежестких заготовок, имеющих высокую склонность к упругим и температурным деформациям, гарантировано повышение точности за счет уменьшения погрешностей формы эле_ментов"деталей и их поверхностей.
Процессы обработки нежестких деталей с применением традиционных станочных приспособлений характерны тем, что при наличии, как правило, малых припусков имеет место коробление обрабатываемых поверхностей. Наблюдается количественная соизмеримость заданных допусков на обрабатываемые поверхности детали с ее упругой и температурной деформацией, возникающей в процессе обработки. Поэтому в технологический процесс механической обработки нежестких деталей вынуждено вводится дополнительное количество операций, смягчающих действие указанных технологических факторов.
Следовательно, главной технологической задачей, в реальном производстве, является создание таких условий, при которых разработанный технологический процесс изготовления неже.сткой детали на МТО содержал бы оптимальное количество операций механической обработки и в полной мере обеспечивал максимально возможную производительность и качество обработки.
Известно, что прочность инструментального материала во многом зависит от комплекса технологических факторов, вступающих во взаимодействие с режущим инструментом в процессе обработки. В первую очередь это наличие ударно-импульсной нагрузки, возникающей при обработке конструктивно сложных поверхностей и вследствие особенностей кинематики процесса резания (торцовое фрезерование характеризуется периодическим контактом с обрабатываемой заготовкой, наличием рабочих ходов и холостых пробегов инструмента).
В силу того, что все композиты являются твердыми и хрупкими инструментальными материалами, циклические быстросменные механические и тепловые нагрузки приводят к интенсивному разрушению режущей части инструмента, причем самым слабым местом является его вершина. И если при обработке жестких деталей с достаточно значительной величиной припуска этот фактор может быть сглажен, например, уменьшением режимов резания, разделением припуска в несколько проходов и др., то при обработке нежестких деталей такие решения неприемлемы в силу скоротечности процесса резания с припуском, величина которого соизмерима с деформацией заготовки.
Вопрос повышения эффективности процесса резания твердыми и хруп кими инструментальными материалами за счет оптимального расположения инструмента и заготовки был впервые рассмотрен в отечественной технической литературе проф. Н.И. Резниковым и получил дальнейшее развитие в трудах проф. Н.Н. Зарева, М. Кроненберга, Б.А. Кравченко, В.А. Остафьева и для композиционных материалов проф. Е.А. Кудряшовым [ 48, 50, 52, 53, 110, 111].
Расширим область знаний в этом вопросе на примере чистового торцового фрезерования нежесткой детали инструментом из композита с применением МТО.
Рассмотрим схему торцового фрезерования, рис. 5.1. и условия начального контакта режущей части инструмента с обрабатываемой поверхностью заготовки, рис. 5.1.а.
