Содержание к диссертации
Введение
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ДЕМПФИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ
В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 7
1.1. Особенности нагружения зуба фрезы 7
1.2. Анализ методов гашения колебаний в технологических1 сйстейаах 9
1.3. Перспективность использования сталефибробетона для демпфирования технологических систем 18
1.4 Выводы по главе... 22
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА СТАЛЕФИБРОБЕТОНА ДЛЯ КОРПУСОВ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА 25
2.1. Состав сталефибробетона и его механические характеристики 25
2.2. Демпфирующие характеристики сталефибробетона 40
2.3. Оптимизация состава сталефибробетона для корпусов инструмента 54
2.4. Выводы по главе 58
3. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ФРЕЗ С КОРПУСАМИ ИЗ СТАЛЕФИБРОБЕТОНА 60
3.1 Конструктивные и технологические особенности фрез с корпусами из сталефибробетона 60
3.2 Методика яроектирования фрез с корпусами из сталефибробетона 63
3.3 Выводы по главе 78
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТОРЦЕВЫХ ФРЕЗ С КОРПУСАМИ ИЗ СТАЛЕФИБРОБЕТОНА 80
4.1 Демпфирование колебаний в технологической системе 80
4.2 Демпфирование ударных нагрузок на режущую кромку инструмента 98
4.3. Исследование стойкости лезвий торцевых фрез с корпусами из
сталефибробетона при фрезеровании труднообрабатываемых материалов 107
4.4. Определение производительности при торцевом, фрезеровании фрезами с корпусами из сталефибробетона 113
4.5. Выводы по главе 115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 116
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 118
ГІРИЛОЖЕНИЕ 1. Математическая обработка экспериментальных данных я определение зависимости насыпной плотности от длины и площади поперечного сечения волокон 127
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Математическая обработка экспериментальных данных и
определение зависимости прочности сталефибробетона на сжатая от его состава 129
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Математическая обработка экспериментальных данных и определение зависимости логарифмического декремента колебаний сталефибробетона от его состава 1.31
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Оптимизация состава сталефибробетона 134
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Программа расчета параметров движения лезвия инструмента при фрезеровании. 136
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Акт производственных испытаний 143
- Особенности нагружения зуба фрезы
- Состав сталефибробетона и его механические характеристики
- Конструктивные и технологические особенности фрез с корпусами из сталефибробетона
- Демпфирование колебаний в технологической системе
Введение к работе
Актуальность. Одной из характерных тенденций развития технологических систем является увеличение скоростей резания. Это приводит к снижению запаса устойчивости технологических систем из-за сближения частоты возмущающей силы с собственными частотами колебаний в системе, что вызывает увеличение амплитуды относительных колебаний режущего инструмента и заготовки. Возникновение колебаний в технологической системе приводит к снижению качества поверхности детали, уменьшает стойкость инструмента, увеличивает износ станка, является причиной повышенного уровня шума.
В свою очередь, повышение скорости резания при фрезеровании приводит к увеличению ударных нагрузок на режущие кромки, что не позволяет использовать некоторые износостойкие, но хрупкие инструментальные материалы.
Известны конструкции инструмента, которые позволяют демпфировать колебания режущих кромок, однако многие из них существенно снижают жесткость инструмента, не технологичны и поэтому не получили широкого распространения. Кроме того, при изготовлении фрез существенной проблемой является обеспечение минимального биения режущих кромок относительно оси вращения.
Одним из путей совершенствования конструкций режущего инструмента является применение композиционных материалов для изготовления корпусов инструмента. Однако разработанные к настоящему времени конструкции инструментов из композиционных материалов остаются не технологичными и не решают проблемы изготовления качественного и надежного инструмента.
Обе проблемы удается решить при изготовлении корпусов торцовых фрез из сталефибробетоиа. Существенной особенностью таких конструкций является уменьшение ударных нагрузок и вибраций за счет высоких демпфирующих
характеристик сталефибробетона. Кроме того, простота конструкции и технологии изготовления таких фрез позволяют сократить до минимума издержки при их производстве.
Целью работы является повышение производительности торцевого фрезерования труднообрабатываемых материалов за счет создания высокотехнологичных конструкций фрез с корпусами из сталефибробетопа, обеспечивающих демпфирование колебаний в технологической системе.
Методика исследования. Работа выполнена с использованием фундаментальных положений теории резания металлов, механики композиционных материалов, динамики движения твердых тел и теории колебаний. Экспериментальное исследование отдельных процессов производилось с применением оригинальных методик, специальных измерительных преобразователей и современного двухканального осциллографа PCS-500A. Эксперименты проводились по многофакторным планам, а полученные результаты обрабатывались вероятностно-статистическими методами с использованием программы MathCAD 14. Построение математических моделей и их исследование производилось с использованием современных ЭВМ и пакетов прикладных программ Solid Works 2005, Cosmos 2005, а также оригинальной программы, моделирующей колебания инструментальной системы. Теоретические положения работы подтверждены достоверными данными, полученными в лабораторных условиях.
Научная новизна. Впервые: доказана возможность создания высокотехнологичных конструкций торцевых фрез с корпусами из сталефибробетона, обладающими высокими диссипативными свойствами;
- обоснован состав сталефибробетона с оптимальными прочностными и демпфирующими свойствами для изготовления корпусов режущего инструмента;
установлены особенности восприятия усилий, возникающих при фрезеровании лезвиями инструмента с корпусом из сталефибробетона, обеспечивающие повышение эффективности его использования.
Практическая ценность. Разработана методика проектирования высокодемпфированных фрез с корпусами из сталефибробетона, позволяющих повысить производительность обработки и стойкость лезвий. Использование разработанных конструкций инструмента в машиностроительном производстве расширяет технологические возможности станочного оборудования, так как позволяет, сохраняя нормативную стойкость режущего инструмента, обрабатывать заготовки из высокопрочных сталей на существенно более высоких режимах резания.
Полученные в работе математические модели позволяют при использовании в технологическом процессе торцевых фрез с корпусами из сталефибробетона рекомендовать оптимальные режимы резания.
Апробация работы. Работа и ее основные положения докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции "Эффективная эксплуатация оборудования и инструмента на основе современных технологий", Санкт-Петербург, 2004, а так же на межвузовских научных конференциях в СПбГТУ в 2001-2005 годах.
Конструкции фрез с корпусами из сталефибробетона прошли производственные испытания в инструментальном цехе ОАО ЦНИИ "Электрон" и рекомендованы для внедрения в производство.
Публикации. По теме диссертации опубликовано б работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Работа содержит 144 страницы машинописного текста, 65 рисунков, 13 таблиц и библиографию из 103 наименований.
class1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ДЕМПФИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ
В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ class1
Особенности нагружения зуба фрезы
Существенно прерывистый характер резания при фрезеровании обуславливает динамическое нагружение ре к тцего лезвия инструмента, которое определяет как выбор применяемого инструментального материала, так и конструкции инструмента, использование которых обеспечивает наиболее эффективную реализацию процесса.
При фрезеровании значительное влияние на процесс резания оказывают динамические эффекты при врезании зуба в заготовку, что приводит к поломкам износостойких, но хрупких инструментальных материалов. К числу таїшх материалов, перспективность примеиеїшя которых при фрезеровании представляется весьма очевидной, относятся безвольфрамовые металлокерамические твердые сплавы типа ТН-20, КНТ-16 [58, 96].
Попытки применения этих сплавов при фрезеровании показали,, что они обладают недостаточной ударной вязкостью при реализации схемы попутного фрезерования. Это связано со спецификой схемы фрезерования, при которой происходит одномоментное врезание режущего лезвия по всей его ширине.
В работе [52] посвященной гшазменно-механическому фрезерованию, было установлено, что особенности силового нагружения режущей кромки при врезании в твердые высокопрочные обрабатываемые материалы приводит к разрушению инструментальных материалов, обладающих низкой ударной вязкостью. При модификации поверхностных свойств материала за счет плазменного нагрева только в зоне врезания зуба удается эффективно использовать относительно хрупкие безвольфрамовые металлокерамические твердые сплавы. Износ режущих элементов в этих условиях развивается без сколов и выкрашиваний даже при развитии термоциклических трещин на режущей кромке инструмента и при подачах, существенно превышающих таковые при обработке без нагрева зоны врезания. Однако надо отметить, что применение плазменного нагрева требует сложного дорогостоящего оборудования и применения дополнительных мероприятий по охране труда.
Исследования, проведенные в работе [51], показали, что при фрезеровании в зависимости от его схемы, в режущем клине инструмента могут возникать значительные динамические напряжения, обусловленные волновыми процессами при врезании зуба инструмента в металл. Динамические напряжения в лезвии инструмента могут значительно превышать таковые при квазистатическом его нагружении. Причем динамические нагрузки возрастают с увеличением скорости резания и массы инструмента. Время удара не зависит от скорости сближения тел и определяется их массой и размерами.
На динамические напряжения в режущем клине в значительной степени влияет конструкция инструмента и способность конструкции эффективно демпфировать динамические нагрузки, возникающие при фрезеровании. В работе [51] показано, что возможно создание конструкций инструмента, позволяющих существенно снизить динамические напряжения в режущем клине при его врезании, доведя их значение до статических.
Существенное значение на нагружение режущего лезвия многозубой фрезы имеет ее радиальное биение. Как известно [86, 88], биение зубьев концевых фрез из быстрорежущих сталей диаметром 24мм с пятью зубьями составляет 0,01...0,02 мм. Сборные конструкции фрез имеют радиальное биение значительно большее, доходящее до 0,08 мм между соседними зубьями. Сборная конструкция фрез определяет положение режущей кромки зуба как замыкающее звено сложной размерной цепи, в которую входят погрешность изготовления режущих элементов, корпуса, опорных элементов, биение шпинделя станка и оправки.
Состав сталефибробетона и его механические характеристики
Исследованию влияния структуры и состава композиционных материалов, в том числе и сталефибробетонов, па механические свойства получаемого материала посвящено большое количество работ, как отечественных, так и зарубежных ученых (Рабинович Ф.Н., Пухаренко Ю.В., Ицкевич СМ., Брайловский М.И., Итин A.M., Ван Фо Фы Г.А., Ильюшенский А.Ю., Горчаков Г.И., Черный Г.Г., Гладков CO., Браутман Л., Пиатга Дж., Сендецки Дж.)
Анализ литературных данных показал, что как механические, так и физические свойства сталефибробетона, который можно использовать для изготовления корпусов инструментов, станин станков и других изделий машиностроения во многом зависит от его состава, структуры, и технологии производства изделий из сталефибробетона.
Как показано в [80, 81] сталефибробетон состоит из стальных волокон армирующих хрупкую матрицу, состоящую из цементного камня. В свого очередь цементный камень состоит из песчано-цементиой смеси. Из работы [29] следует, что наилучшим цементом для изготовления сталефибробетона является портланд-цемент, который надежно предохраняет от коррозии стальную фибру, в то время как остальные виды цементов (например, гипсопуццолановый) оказываются достаточно агрессивными по отношению к волокнам из стали.
Металлические волокна, применяемые в качестве арматуры, могут изготавливаться различными способами: механическими, электромеханическими, формованием из проволок, из листа, из расплава. В [51], показано, что в настоящее время одним из перспективных методов получения стальных фибр, является метод вибрационного точения, позволяющий изготавливать стальные волокна в широком диапазоне размеров: по длине от 3...40мм, по площади поперечного сечения от 0,01 до 0,3 мм . Наряду с достаточно широкими технологическими возможностями, метод вибрационного точения отличается эффективностью использования режущего инструмента и высокой производительностью получения фибры. В связи с вышеизложенным для изготовление корпусов инструмента наиболее целесообразно применять сталефибробетон с фиброй вибрационного точения.
Конструктивные и технологические особенности фрез с корпусами из сталефибробетона
Конструкция инструмента оказывает существенное влияние на производительность процесса резания и качество обработанных поверхностей [75, 84, 33]. Как следует из анализа проведенного в главе 1, для повышения производительности процесса резания и качества обработанной поверхности конструкции фрез с корпусами из сталефибробетона, должны удовлетворять следующим требованиям:
корпус фрезы должен выдерживать большие неременные динамические нагрузки, возникающие в процессе фрезерования;
корпус фрезы должен обладать высокими диссипативными свойствами и демпфировать ударные нагрузки и переходные колебания связанные с периодическим нагружением лезвия инструмента;
конструкция фрезы должна обладать достаточно высокой технологичностью.
В соответствии с изложенными требованиями, в диссертационной работе, разработаны экспериментальные конструкции фрез с корпусами из сталефибробетона и схемы их сборки. На рис.3.1 показана, конструкция и схема формовки торцевой фрезы с корпусом из сталефибробетона. Фреза состоит из твердосплавных пластин 2, державок 1, втулки 4, обечайки 6. При сборке такой фрезы режущие кромки при помощи специального приспособления 3 предварительно устанавливаются и фиксируются в положении, обеспечивающем их минимальное биение. Основной объем корпуса, и промежутки между державками режущих элементов заполняются сталефибробетонной смесью 5, отвердевание которой обеспечивает их закрепление.
Биение режущих кромок, зависит от точности изготовления приспособления используемого при сборке и условия базирования посадочного отверстия втулки 4. Экспериментально установлено, что биение режущих кромок, таким образом, изготовленных фрез не превосходит 0,02мм. Форма базовых поверхностей приспособления, по которым базируются режущие кромки, зависит от геометрии твердосплавных пластин и геометрии проектируемого инструмента. Например, на рис. 3.2. показана схема базирования державки с твердосплавной пластиной при сборке торцевой фрезы с главным углом в плане (р=45 и вспомогательным углом в плане tpr=45\ Учитывая, что современные режущие твердосплавные пластинки изготавливаются с высокой точностью по размерам (допуск на ширину пластины по разным граням не превосходят 0,01 мм), то малое биение режущего лезвия сохраняется и при смене или повороте твердосплавных пластин.
Демпфирование колебаний в технологической системе
Проведенный анализ литературных данных показал, что износ режущей кромки инструмента в значительной степени зависит от ее кинематических параметров, таких как пройденный путь, скорость и ускорение. Так, например, Лояадзе Т.Н. в работах [66, 67] предложил модель, описывающую величину адгезионно-усталостного износа в зависимости от пройденного пути:. Васильев Д.Т. [33]. исследуя влияние вибрации на стойкость инструмента, объяснял уменьшение стойкости за счет дополнительной скорости, вызванной колебанием вершины резца, увеличивающей истинную скорость резания. Кроме того, многочисленный литературный материал [25, 34, 38, 99], указывает на то, что на изнашивание инструмента очень сильно влияет скорость резания.
Таким образом, для объяснения причин снижения износа режущей кромки при резании: фрезой с корпусом из сталефибробетона необходимо исследовать кинематику режущей кромки инструмента при вибрациях.
Для моделирования вибраций режущей кромки инструмента была разработана физическая модель фрезы, показанная на рис. 4.1, В представленной модели инструмент представлялся виде системы из двух тел: державки массой mi и сталефибробетонного корпуса массой т2. Между державкой т.) корпусом т2 и шпинделем сущестауют упругие о, с2, вязіше связи к], к2 и связи на поверхностях трения kTj, к . Представленная система характеризуется ускорением, скоростью и перемещением первого тела a], vi, xi и второго тела а2, yj, х2.
Похожие диссертации на Повышение эффективности торцевого фрезерования за счет применения фрез с корпусами из сталефибробетона
