На правах рукописи

ХАЙКЕВИЧ Юрий Адольфович ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЧИСТОВОГО ТОЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ СМЕННЫХ МНОГОГРАННЫХ ПЛАСТИН ПРИ ПРОГНОЗИРОВАНИИ ПРОЦЕССА ДРОБЛЕНИЯ СТРУЖКИ Специальность 05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физикотехнической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2009

Работа выполнена на кафедре Инструментальные и метрологические системы в ГОУ ВПО Тульский государственный университет.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Хлудов Сергей Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Балыков А.В., доктор технических наук, профессор Таратынов О.В.

Ведущая организация: ОАО Тяжпромарматура г. Алексин

Защита состоится л_ 2009 года в л_ часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.01 при ГОУ ВПО МГТУ СТАНКИН по адресу: 127994, ГСП, Москва, Вадковский пер., д. 3а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ СТАНКИН.

Просим Вас принять участие в обсуждении работы и направить свой отзыв в 2-х экземплярах, заверенных печатью организации, по адресу диссертационного совета.

Автореферат разослан л 2009 г.

Ученый секретарь М.А.Волосова диссертационного Совета 2 Актуальность темы. В условиях современного машиностроения в автоматизированном производстве при организации процесса механической обработки материалов, которые обладают высокими эксплуатационными характеристиками, а при точении дают сливную стружку, повышается необходимость решения задачи обеспечения дробления стружки.

Особенно актуальна эта задача при чистовом точении.

Стружкообразование в условиях чистового точения сопровождается высокими скоростями резания и, как следствие, стружка имеет малую толщину и формируется при высоких температурах, что затрудняет ее дробление. Варьирование режимами обработки, например, изменением подачи с целью обеспечения дробления стружки, при чистовом точении ограничено необходимостью получения требуемого качества обработанной поверхности.

В настоящее время устойчивое дробление стружки при чистовом точении достигается путем использования резцов, оснащенных сменными многогранными пластинами (СМП) со сложной формой передней поверхности.

Конструктивные особенности передних поверхностей современных сменных многогранных пластин составляют, как правило, ноу-хау фирм производителей, так как определяют условия стружкообразования при резании. Для каждой формы СМП фирма-производитель рекомендует свою область режимов резания с устойчивым дроблением стружки. Однако, в большинстве случаев информация, которой фирмы-производители сопровождают СМП той или иной формы, носит рекомендательный и в большей степени рекламный характер. Неполное знание основных закономерностей формообразования стружки и ее дробления сдерживает создание научно-обоснованных алгоритмов расчета оптимальных размеров стружкозавивающих элементов, расположенных на передней поверхности режущей пластины, и режимов резания. Существующие методы расчета геометрических параметров передней поверхности инструмента построены без учета взаимосвязи формы стружки, образующейся при резании, с параметрами процесса резания. Отсутствие на этапе проектирования технологической операции научно обоснованных рекомендаций, направленных на превентивное решение задачи о дроблении стружки, снижает эффективность использования дорогостоящего инструмента и оборудования. Поэтому теоретическое и экспериментальное исследования процесса дробления стружки и обоснование практических рекомендаций по проектированию СМП для оснащения токарных резцов при чистовом точении пластичных материалов и сплавов является актуальной задачей.

Целью работы является повышение производительности и снижение себестоимости при одновременном обеспечении требуемого качества обработанной поверхности чистовой токарной обработки путем обоснованного выбора рациональной конструкции СМП и назначения режимов резания на основе прогнозирования формы стружки и процесса ее дробления.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Описать физические процессы и схемы разрушения сливной стружки при точении на многовитковые или отдельные элементы в условиях чистового точения при обработке материалов групп P и M (по классификации ISO).

2. Разработать алгоритм управления и прогнозирования формы сходящей стружки в условиях чистовой токарной обработки.

3. Теоретически и экспериментально установить и описать критерии дробления стружки в условиях чистовой токарной обработки.

4. Разработать модель процесса получения дробленой стружки, учитывающую систему необходимых и достаточных условий, для использования на этапе проектирования технологической операции.

5. Разработать практические рекомендации по проектированию передней поверхности СМП с выступом у вершины для оснащения токарных резцов, предназначенных для чистового точения пластичных материалов и сплавов и обеспечивающих дробление стружки.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории резания металлов и проектирования режущих инструментов, теории пластичности и упругости, методов математического и компьютерного моделирования, дифференциального и интегрального исчисления, теоретической механики. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием промышленного оборудования и современных измерительных средств. Обработка результатов экспериментов осуществлялась методами математической статистики с применением ЭВМ.

Оценка формы стружки и процесса стружкообразования производилась с использованием скоростной кино- и фотосъемки камерой Nikon coolpix 5700.

Автор защищает:

1. Схемы разрушения сливной стружки на многовитковые или отдельные элементы при точении пластичных материалов инструментами, оснащенными СМП стандартного и специального исполнения.

2. Модель процесса получения дробленой стружки, используемую на этапе проектирования технологической операции и построенную на основе математических зависимостей для расчета количественных критериев процесса ее разрушения в условиях чистового точения.

3. Алгоритм прогнозирования и управления формой сходящей стружки при чистовом точении.

4. Практические рекомендации по проектированию передней поверхности СМП с выступом у вершины, которой обеспечивается устойчивое дробление стружки при обработке пластичных материалов в условиях чистового точения, разработанные на основе анализа результатов прогнозирования процесса дробления стружки и экспериментально полученных зависимостей.

Научная новизна заключается в установлении механизма разрушения витка многовитковой стружки на основе предложенных необходимых условий обеспечения ее дробления, используемых при прогнозировании процесса дробления и выборе рациональной конструкции СМП на этапе проектирования технологической операции, которые состоят:

- в установлении предельного радиуса ее витка, величина которого определяет момент потери его устойчивости, а стружка изменяет свою форму и остается связанной с зоной резания;

- в определении критического значения относительной величины жесткости ее витка, характеризующейся его геометрическими параметрами;

- в обосновании критической величины радиуса витка стружки, при достижении которой, как результата торможения и образования новых слоев, интенсивность напряжений превышает предел прочности ее материала;

- в наличии как минимум двух точек ее контакта с препятствиями и одной точки контакта с выступом у вершины на передней поверхности, а также внешнего воздействия на виток, достаточного для возрастания силы реакции со стороны препятствия до величины, обеспечивающей торможение стружки.

Практическая ценность. На основе проведенных исследований разработаны рекомендации по проектированию СМП для токарных резцов, при использовании которых обеспечивается дробление стружки в условиях чистовой обработки при достижении необходимого качества обработанных поверхностей деталей из материалов, дающих при точении сливную стружку.

Реализация работы. Результаты данной работы приняты к внедрению на ООО Щекинский завод РТО. Материалы диссертации используются в учебном процессе при изложении курсов лекций: Металлорежущие инструменты, Резание металлов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на Международной юбилейной научно-технической конференции Наука о резании металлов в современных условиях, посвященной 90летию со дня рождения С.И. Лашнева (г. Тула, 2007 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета.

Публикации. Основное содержание работы

изложено в 8 публикациях объемом 14,7 п.л., из них авторских 3,2 п.л.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 133 наименований и приложения. Работа содержит 183 страницы машинописного текста, включая 104 рисунка и таблицы.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность, изложены методы исследования и результаты апробации работы.

В первом разделе рассмотрены основные этапы развития и современное состояние задачи проектирования режущих пластин, обеспечивающих дробление стружки при обработке пластичных материалов.

Установлено, что задача обоснована взаимосвязью параметров процесса резания и их влиянием на выходные характеристики: качество обработанной поверхности, максимальную производительность и минимальную себестоимость в условиях автоматизированного производства с применением станков с ЧПУ и систем автоматизированного проектирования технологических процессов. Большой вклад в исследование процесса резания и создание теории проектирования режущих пластин внесли Бобров В.Ф., Верещака А.С., Гречишников В.А., Грановский Г.И., Грановский В.Г., Зорев Н. Н., Игошин В. В., Кудинов В.А., Куфарев Г. Л., Кушнер В.С., Иванов В.В., Михайлов С.В., Полетика М. Ф., Розенберг А. М., Хандожко А.В. и др. Среди зарубежных работ известны исследования К. Накоямы, С. А. Люттер-вельта, П. Альбрехта, А. Пекельхаринга, И. Хорне, Г. Понкше, В. Клюфта.

Разрушение формирующейся при обработке стружки на части, удобные для удаления ее из зоны резания и от станка, является самостоятельной задачей. При обработке пластичных материалов на высоких скоростях резания образуется сливная, лентообразная стружка. Такая стружка наматывается на деталь и инструмент, вызывает вынужденные остановки оборудования, ухудшает качество обработанной поверхности и приводит к преждевременным поломкам режущего инструмента. Наиболее естественным образом управление траекторией движения стружки, ее видом и формой, процессом дробления осуществляется путем выбора или создания специальных форм передней поверхности инструмента.

Дробление стружки в виде колец и полуколец или на более мелкие фракции, несмотря на их малый объем и хорошую транспортабельность, не является наилучшим. В этом случае повышенная частота дробления стружки увеличивает динамические нагрузки при резании и, при обработке маловязких материалов, приводит к поломкам инструментов и снижению виброустойчивости процесса точения и, соответственно, ухудшению качества обработанной поверхности. Кроме того, сыпучая стружка может рассеиваться в окружающем пространстве, что представляет опасность для обслуживающего персонала. Таким образом, при чистовом точении пластичных материалов в автоматизированном производстве наиболее благоприятной формой стружки являются короткие многовитковые спирали длиной 30-80 мм.

На этапе проектирования СМП конструктором создается такая форма передней поверхности, которая обеспечивает при контакте стружки с передней поверхностью желаемые направление схода стружки и радиус витка. В современных конструкциях СМП для оснащения токарных резцов для чистового точения зарубежных фирм-производителей твердосплавного инструмента на передней поверхности формируется выступ непосредственно у вершины пластины. Его месторасположение, форма и геометрические параметры влияют на условия процесса стружкозавивания и, как следствие, на условия процесса дробления стружки. Однако в технической литературе, в том числе и в информации, которой сопровождают свою продукцию зарубежные фирмы-производители, рекомендаций по геометрическим параметрам, форме и положению выступа у вершины нет. В свою очередь, исследование процесса стружкодробления при чистовом точении и обоснование алгоритма его прогнозирования позволяют детализировать практические рекомендации по проектированию передней поверхности СМП с выступом у вершины.

Во втором разделе приводятся результаты экспериментального исследования процесса стружкодробления при чистовом точении с использованием скоростной фото- и киносъемки. Описаны методики экспериментальных исследований.

Установлено, что особенностью сливного стружкообразования является способность стружки легко изменять свою начальную форму в процессе резания под действием внешних сил за счет изменения напряженнодеформированного состояния зоны резания. В зависимости от условий резания припуск преобразуется в стружку определенной формы.

Протекающие одновременно процессы стружкообразования и стружкодробления имеют разную физическую природу, но при этом взаимосвязаны. Стружкодробление - процесс разрушения уже сформированной стружки за пределами зоны стружкообразования.

Разрушение витка стружки является следствием дополнительного воздействия со стороны препятствий. При первом же обороте заготовки стружка, перемещаясь по естественной траектории, сталкивается с какимилибо препятствиями, а именно: поверхностью резания, обрабатываемой и обработанной поверхностями и задней поверхностью резца. Взаимодействие стружки с препятствиями является необходимым условием ее дробления.

Основными видами реагирования стружки при контакте с препятствиями, ограничивающими ее свободное движение, являются:

- изменение начальной формы и направления движения стружки в результате изменения напряженно-деформированного состояния в зоне стружкообразования в соответствии с условиями схода;