Повышение эффективности процесса получения армирующих фиброэлементов методом вибрационного точения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Смирнов, Роман Михайлович

• Смирнов, Роман Михайлович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Смирнов, Роман Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ СТАЛЬНЫХ АРМИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Области применения стальных армирующих элементов и технологические возможности их получения.

1.2. Возможности и перспективы применения метода получения АФЭ точением.

1.3. Результаты анализа состояния вопроса. Цель и задачи исследова

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ИЗНАШИВАНИЯ РЕ

ЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА И ОБРАЗОВАНИЯ АРМИРУЮЩИХ ФИБРОЭЛЕМЕНТОВ В УСЛОВИЯХ ВИБРАЦИОННОГО

ТОЧЕНИЯ.

Выводы по главе.

3. ОСОБЕННОСТИ СИЛОВОГО И ТЕПЛОВОГО НАГРУЖЕНИЙ ИНСТРУМЕНТА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ АФЭ МЕТОДОМ ВИБРАЦИОННОГО ТОЧЕНИЯ.

3.1. Особенности силового нагружения лезвия инструмента при получении АФЭ точением с "отрывными" автоколебаниями инструмента.

3.2. Особенности теплового нагружения лезвия инструмента при получении АФЭ точением с "отрывными" автоколебаниями инструмента.

Выводы по главе.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ОБЛАСТЕЙ ЧАСТОТ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА И РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ВЫБОРУ СООТВЕТСТВУЮЩИХ ПАРАМЕТРОВ ЕГО КОНСТРУКЦИИ.

Выводы по главе.

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ АФЭ МЕТОДОМ ВИБРАЦИОННОГО ТОЧЕНИЯ.

5Л. Построение целевой функции оптимизации.

5.2. Анализ возможных схем получения АФЭ вибрационным точением.

5.3. Выбор оптимальных параметров процесса получения АФЭ методом вибрационного точения.

Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности процесса получения армирующих фиброэлементов методом вибрационного точения»

При создании композиционных материалов особое внимание уделяется их дисперсному армированию, где в качестве армирующего элемента выступают отрезки относительно коротких волокон из различных материалов. Данное обстоятельство связано со стремлением существенно повысить прочность композитов на растяжение, ударную вязкость и трещиностойкость. Для этого используют различные металлические и неметаллические волокна, номенклатура которых чрезвычайно разнообразна: от весьма дефицитных - карбида и нитрида кремния, бора и углерода, до вполне доступных - полимерных, стеклянных и стальных.

Рассматривая металлические и неметаллические волокна, необходимо отметить, что методы дисперсного армирования предусматривают возможность получения направленной и свободной ориентации волокон в объеме упрочняемого материала. Причем направленная ориентация неметаллических волокон реализуется, главным образом, при использовании нитей, тканых и нетканых сеток, жгутов. Ориентация же стальных волокон осуществляется значительно проще - применением магнитного поля.

Развитие химической промышленности и появление новых высокопрочных полимеров обусловило перспективность их использования в качестве уп-рочнителя. Однако высокая стоимость полимеров, несмотря на возможность получения в ряде случаев уникальных результатов, не позволяет рекомендовать их для массового производства большинства изделий из композитов.

Кроме простоты ориентации в объеме упрочняемого материала, стальные волокна обладают и другими существенными преимуществами. К последним следует отнести относительную дешевизну, высокий модуль упругости, а также их прочную связь с матрицей. Все это определяет широкое применение стальных волокон при дисперсном армировании композиционных материалов.

В настоящее время существует ряд способов получения металлической фибры, в числе которых рубка проволоки с дальнейшим её профилированием, изготовление фибры из отработанных канатов, получение её с помощью фрезерования. Однако все указанные способы достаточно дорогостоящи, не обеспечивают высокой производительности, а в ряде случаев не позволяют получать фибру требуемой формы и размеров. В связи с этим весьма перспективным является новый метод изготовления стальной фибры достаточно малого поперечного сечения из массивной заготовки методом вибрационного точения [50]. Способ основан на точении материала в условиях интенсивных автоколебаний резца, при которых происходит периодический выход лезвия инструмента из контакта с заготовкой. Известно, что вибрации, сопровождающиеся появлением на поверхности резания вибрационного следа, всегда рассматривались как неблагоприятное явление, нарушающее нормальный ход процесса точения, ведущее к недопустимому ухудшению качества обработанной поверхности и интенсивному изнашиванию инструмента. Однако, как показали эксперименты, выполненные ранее при участии автора, выход резца из контакта с заготовкой и специфика профиля получаемого вибрационного следа, обеспечивают возможность использования данного метода для успешного получения армирующих фиброэлементов (АФЭ), что открывает перспективу его промышленной реализации.

Указанные выше недостатки существующих в настоящее время способов получения АФЭ, а также почти полное отсутствие каких-либо научных рекомендаций по изготовлению методом вибрационного точения дешевой металлической фибры требуемого качества при высокой производительности процесса, определяют актуальность данной диссертационной работы.

Научная новизна. В результате выполненных исследований: обоснованы пути интенсификации процесса точения с автоколебаниями, обеспечивающими получение армирующих фиброэлементов требуемых размеров и качества методом вибрационного точения с автоколебаниями; выявлены причины возникновения процесса пакетирования АФЭ;

- установлены особенности силового и теплового нагружения лезвия инструмента при получении АФЭ методом высокочастотного вибрационного точения;

- разработана математическая модель процесса высокочастотного вибрационного точения в условиях потери контакта инструмента с заготовкой, позволяющая выбирать конструктивные параметры державки резца, обеспечивающего максимальную производительность получения АФЭ;

Практическая ценность работы заключается в:

- создании методики и алгоритма выбора геометрических параметров державки инструмента, обеспечивающих максимальную производительность получения заданных по качеству стальных армирующих фиброэлементов методом вибрационного точения;

- разработке методики и рекомендаций по определению режимов вибрационного точения, обеспечивающих получение требуемого качества АФЭ при высокой производительности процесса.

Реализация работы: АФЭ малого поперечного сечения, полученные методом вибрационного точения, используются государственным унитарным предприятием JICK "Радон" при изготовлении контейнеров для хранения радиоактивных отходов.

Изделия из сталефибробетона со специальными АФЭ малого поперечного сечения испытаны и признаны перспективными для применения в горнодобывающей отрасли.

Публикации: По материалам исследований опубликовано 5 работ.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и приложения, изложенных на lS*f страницах машинописного текста, содержит jv рисунка, H таблиц, список литературы, состоящий из 7 f наименований.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Смирнов, Роман Михайлович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В результате выполненных исследований решена задача повышения производительности процесса получения стальных фиброэлементов посредством использования метода вибрационного точения с интенсивными автоколебаниями.

Уточнен механизм образования фиброэлементов при точении с интенсивными автоколебаниями инструмента, сопровождающихся выходом его из контакта с заготовкой при каждом периоде колебаний.

Изготовлены пьезоэлектрические датчики оригинальной конструкции и отработана методика их тарирования крешерным методом. Выявлены особенности силового и теплового нагружений лезвия инструмента в процессе получения фиброэлементов вибрационным точением. Исследованы возникающие в лезвии напряжения, что позволило уточнить механизм изнашивания режущего клина и причины возникновения пакетирования фиброэлементов. Разработана методика проектирования инструмента с оптимальными геометрическими параметрами его державки.

Проведен анализ экономической целесообразности применения способа вибрационного точения при получении АФЭ требуемых для промышленности размеров.

Проведенные работы и организация опытного производства армирующих элементов вышеуказанным методом позволили изготовить ряд экспериментальных изделий из сталефибробетона для использования их в промышленном строительстве.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие общие выводы:

1. Способ получения АФЭ методом вибрационного точения при интенсивных автоколебаниях инструмента, сопровождающихся выходом его из контакта с заготовкой, может успешно использоваться для получения указанных элементов в широком диапазоне их размеров от 0,01 до 0,3 мм2;

2. Условием предотвращения образования пакетов фиброэлементов при вибрационном точении с интенсивными автоколебаниями инструмента является низкий коэффициент трения между инструментальным и обрабатываемым материалами и малое значение радиуса округления лезвия. Постепенное увеличение указанного радиуса и рост шероховатости передней поверхности в процессе изнашивания приводят к пакетированию фиброэлементов, что определяет критерий стойкости инструмента. До начала пакетирования АФЭ лезвие совершает около 2*106 колебаний;

3. При получении АФЭ методом вибрационного точения отсутствует ударное воздействие на режущий клин инструмента, который врезается в заготовку при одновременном возрастании нагрузок на передней и задней его поверхностях, что позволяет применять относительно хрупкие инструментальные материалы и достаточно большие главные задние углы лезвия, равные 25°;

4. Отсутствие интенсивного перемещения стружки по передней поверхности лезвия при получении АФЭ существенно снижает температуру резания, которая при окружных скоростях заготовки до 200 м/мин не превышает 250°С. При этом рациональные окружные скорости вращения заготовки составляют 160-170 м/мин;

5. Сила резания при формировании элемента стружки определяется площадью среза, а нагружение державки инструмента в большей степени обусловливается действующими инерционными динамическими нагрузками. При этом сама державка должна проектироваться с учетом, как сил резания, так и действующих инерционных нагрузок;

6. Производительность процесса получения АФЭ вибрационным точением определяется достижимой собственной частотой колебаний инструмента при ограничениях, связанных с износом инструмента и прочностью его державки при амплитуде колебаний, коррелируемой с заданными параметрами получаемых фиброэлементов;

7. Разработанная методика оптимизации конструкции державки инструмента и его материала, позволяет проектировать резцы, обеспечивающие повышение производительности получения конкретных фиброэлементов заданных параметров и требуемого качества до 2 раз;

8. Метод вибрационного точения является наиболее экономичным методом получения армирующих фиброэлементов малого поперечного сечения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Смирнов, Роман Михайлович, 2003 год

1. Акимов В.Н. Методы завивания и дробления стружки при точении стали. //Конструирование режущего инструмента. -М. :Машгиз, -1965.

2. Арзамасов Б.Н. Конструкционные материалы. Справочник. -М. : Машиностроение, 1990, -688с.

3. Барботько А.И., Зайцев А.Г. Теория резания металлов. Часть 1. -Воронеж. -Издательство Воронежского университета. 1990. -215с.

4. Барботько А.И., Зайцев А.Г. Теория резания металлов. Часть 2. -Воронеж. -Издательство Воронежского университета. 1990. -175с.

5. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. -М. : Наука, 1976, -607с.

6. Бетанели А.И. Прочность и надежность режущего инструмента. -Тбилиси. : Сабчота сакартвело, 1973, -302с.

7. Великанов K.M. Определение экономической эффективности вариантов механической обработки заготовок. -Л. : Машиностроение, 1970, -240с.

8. Вульф A.M. Резание металлов. -Л. : Машиностроение, 1973. -496с.

9. Вульф A.M. и др. Дробление стружки при точении стали//Новые работы в области резания металлов. -М.: Машгиз, 1951 -с.5-38.

10. Гофштейн Ф.А. Изготовление фибр из стальных канатов. //Применение фибробетона в строительстве: Сб. науч. тр. -Л. : ЛДНТП, 1985. -с.45-47.

11. Грановский Г.И. Кинематика резания. -М. : Машгиз, 1948. -200с.

12. Даниелян A.M. Теплота и износ инструментов в процессе резания металлов. -М. : Машгиз, 1954. -с.48-49.

13. Джонсон У., Меллор П. Теория пластичности для инженеров. -М. : Машиностроение, 1979. -568с.

14. Дроздов H.A. К вопросу о вибрациях станка при токарной обработке. //Станки и инструменты. 1937. -№22.

15. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. -JI. : Машиностроение, 1986. -179с.

16. Захаров В.И., Матвеев В.Я.,Жустарев E.H., Фрейдкин М.Я. Механическая обработка резанием с дополнительным наложением ультразвуковых колебаний. /Вестник машиностроения. 1961, -№7.

17. Зорев H.H. Вопросы механики процесса резания металлов. -М. : Машгиз, 1956. -368с.

18. Зорев H.H. Расчет проекций силы резания. -М. : Машгиз, 1957.

19. Измерения в промышленности. Справочник. Кн. 2. /Под ред. Профоса П. -М. : Металлургия, 1990. -368с.

20. Ильницкий И.И. Колебания в металлорежущих станках и пути их устранения. -М. : Машгиз, 1958. -142с.

21. Исаев А.И., Анохин B.C. Влияние ультразвуковых колебаний на стойкость инструмента при резании металлов. //Вестник машиностроения. -1962. -№8. -с.45-49.

22. Исаев А.И. применение ультразвуковых колебаний инструмента при резаниии металлов. //Вестник машиностроения. 1961, -№5.

23. Качанов JT.M. Основы теории пластичности. -М. : Наука, 1969. -420с.

24. Каширин А.И. Исследование вибраций при резании металлов. -М. : Изд-во АН СССР, 1944. -132с.

25. Кондратов A.C., Бармин Б.П. Зависимость стойкости резцов от интенсивности вибраций. //Станки и инструменты 1964. №6.

26. Коновалов Е.Г., Борисенко A.B. Осциллирующее точение. -Минск. : АН БССР, 1960. -с. 19.

27. Корнер Дж. Внутренняя баллистика орудий. Пер. с англ. М.: Изд-во иностранная литература, 1953.

28. Коротких М.Т. Научные основы получения стальных фиброэлементов резанием. Дис. д-ра. техн. наук. -СПб. : СПбГТУ, 1997.

29. Коротких М.Т., Смирнов P.M., Шатерин М.А. Особенности силового нагружения инструмента при получении армирующих фиброэлементов методом вибрационного точения //Металлообработка. -2002. -№2(8),-с.2-4.

30. Коротких М.Т., Шатерин М.А., Смирнов P.M. Технологический процесс получения армирующих элементов сталефибробетона точением с интенсивными колебаниями инструмента. //В сб. "Инновационные наукоёмкие технологии для России". -СПб.: СПбГТУ, 1995. -с.56.

31. Креймер Г.С., Баранова А.И. и Сафонова О.С. Статическая и циклическая прочность металлокерамических твердых сплавов карбид-вольфрам-кобальт. "Физика металлов и металловедение". -Свердловск. : АН СССР, 1957, t.V, вып.2.

32. Кривоухов В. А., Воронов A.JI. Высокочастотные вибрации резца при точении. -М. : ОборонгизЮ 1965. -77с.

33. Кудинов В.А. Динамика станков. -М. : Машиностроение, 1967. -358с.

34. Кузнецов В.Д. Физика твердого тела, том 3. -Томск. : Красное знамя, 1944, -742с.

35. Кузнецов В.Д. Физика резания и трения металлов и кристаллов. -М. : Наука, 1977. -310с.

36. Куклин Л.Г. Исследование усталости твердого сплава. Известия высших учебных заведений. -М. : Машиностроение, 1963, —№7.

37. Кучма Л.К. Устранение вибраций при обработке металлов резанием. //Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов. /Под ред. В.И. Дикушина, Д.Н. Решетова. -М. : Машиностроение, 1958. -с. 158220.

38. Кучма JI.K. Виброгасители к токарным станкам. -М. : Машгиз,1952.

39. Лавров Н.К. Завивание и дробление стружки в процессе резания. -М. : Машиностроение, 1971. -88с.

40. Лобанов И.А. Основы технологии дисперсно-армированных бетонов (фибробетонов). Дис.д-ра техн. наук. /ЛИСИ. -Л. 1982.

41. Логинов В.Н. Электрические измерения механических величин. -М. : Энергия, 1970. -80с.

42. Лоладзе Т.Н. Износ режущего инструмента. -М., Машгиз, 1958.

43. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. -М. : 1982.-319с.

44. Мансырев И.Г. и др. Методы дробления сливной стружки в процессе резания. /МансыревИ.Г., Смирнов A.A., Козарь И.И. -Л. : ЛДНТП, 1983.

45. Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов. -М. : Машиностроение, 1968. -368с.

46. Мершеева М.Б. Раздельная технология изготовления железобетонных конструкций с зонным дисперсным армированием. Автореф. дис. канд. техн. наук. -Л. :ЛИСИ,1989. -21с.

47. Можаев С.С. Тепловые явления при резании стали на высокой ско1. А5роста. Сб. "Прогрессивная технология машиностроения". ЛОНИТОМАШ, -М. : Машгиз, 1951.

48. Пат. № 2124611 Способ изготовления элементов дисперсного армирования материалов/ М.Т. Коротких, М.А. Волков; Опубл. 10.01.1999; Приоритет от 29.03.94.

49. Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрациями. —М. Машиностроение, 1970. -351с.

50. Прутков Б.Т., Даниелян A.M. О неточностях в вопросах теплоты и температуры резания.// Станки и инструменты. -1953. -№ 6.

51. Рабинович Ф.Н. Дисперсно-армированные бетоны. -М. : Стройиз-дат, 1989. -175с.

52. Развитие науки о резании металла. /Под ред. H.H. Зорева. -М. : Машиностроение, 1967. -416с.

53. Резников А.Н. Теплофизика резания. -М. : Машиностроение, 1969, -287с.

54. Розенберг A.M., Хворостухин Jl.А. Твердость и напряжение пластичности в деформированном теле. //Журнал технической физики, т.ХХУ, вып.2, 1955.

55. Розенберг A.M., Ерёмин А.Н. Элементы теории процесса резания металлов. -М. : Машгиз, 1956.

56. Рыжков Д.И. Вибрации при резании металлов и методы их устранения. -М. : Машгиз, 1961. -172с.

57. Саввин Н.Н. Теплота резания. "Вестник общества технологов", 1910,-№6.

58. Серебряков М.Е. Внутренняя баллистика. -М. 1969.

59. Сикаев К.И., Казбан Б.М. Лабораторные работы по внутренней баллистике. -Казань, 1968.

60. Соколовский А.П. Вибрации при работе на металлорежущих станках. //Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов. /Под ред. В.И. Дикушина, Д.Н. Решетова. -М.: Машиностроение, 1958. -с.3-23.

61. Соколовский А.П. научные основы технологии машиностроения. -Л. : Машгиз, 1955.

62. Стерин B.C. Приготовление сталефибробетонных смесей. //В сб. Применение фибробетона в строительстве. -Л. : ЛДНТП, 1985. -с.27-31.

63. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов.Т.1. -М. : Наука, 1965, -363с.

64. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости: пер. с англ. /Под ред. Г.С. Шапиро. -М. : Наука, 1979. -560с.

65. Усачев Я.Г. Явления, происходящие при резании металлов. "Известия Петроградского политехнического института". Т. XXXII. Вып. 1, 1915.

66. Шабловский Е.А. Стальные фибры для дисперсного армирования бетонных конструкций. Инф. Обз. -М. : ВНИИТАГ Госкомархитектуры, 1990, -Вып.4. Сер. Конструкции жилых и общественных зданий, технология индустриального домостроения.

67. Шатерин М.А., Коротких М.Т., Пухаренко Ю.В., Смирнов P.M. Разработка перспективных материалов, применяемых в строительстве. //В сб. "Научно-технические ведомости СПбГТУ". -СПб.: СПбГТУ, №1-2 (7-8) 1997. -с. 101.г36