Повышение эффективности обработки авиационных материалов на чистовых операциях с учётом явления технологической наследственности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат технических наук Дуров, Дмитрий Сергеевич

• Дуров, Дмитрий Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дуров, Дмитрий Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Причины возникновения вибраций при обработке материалов резанием как фактора, влияющего на качество обработанной поверхности детали.

1.2. Влияние вибраций и технологических факторов на качество обработанных поверхностей деталей.

1.3. Анализ существующих методов стабилизации процесса обработки материалов резанием.

1.4. Выводы, цель и задачи исследований.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ НАРОСТА ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ.

2.1. Аналитическое определение силы сцепления материала в пластической зоне на передней поверхности инструмента.

2.2. Исследование условий образования нароста на передней поверхности инструмента.

2.3. Напряжения и коэффициенты трения в зоне упруго-пластического контакта стружки с передней поверхностью инструмента.

2.4. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Описание технического оборудования и применяемых для

• исследования материалов.

3.2. Методика исследования силы сцепления материала с передней поверхностью инструмента при точении.

3.3. Методика исследований вибраций в зоне обработки.

3.4. Методика исследования показателей качества поверхностного слоя обработанных деталей.

3.5. Математическая обработка результатов экспериментальных исследований.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ЗОНЕ ОБРАБОТКИ ПРИ ТОЧЕНИИ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.

4.1. Особенности вибраций в зоне обработки при точении авиационных материалов.

4.2. Влияние элементов режимов резания на удельную силу сцепления материала с передней поверхностью инструмента и частоту его срывов.

4.3. Влияние геометрии инструмента на удельную силу сцепления материала с передней поверхностью инструмента и частоту его срывов в зоне обработки.

4.4. Обобщенные зависимости удельной силы сцепления материала с передней поверхностью инструмента и частоты его срывов в зоне обработки.

4.6. Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВИБРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ЗОНЕ ОБРАБОТКИ И ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССОВ

НАРОСТООБРАЗОВАНИЯ.

5.1. Исследование влияния колебаний инструмента при токарной обработке на качественные показатели поверхностного слоя деталей.

5.2. Влияние характеристик наростообразования и технологической наследственности на состояние материала поверхностного слоя детали.

5.3. Исследование микротвёрдости материала поверхностного слоя обрабатываемой детали и его дисперсии.

5.4. Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности обработки авиационных материалов на чистовых операциях с учётом явления технологической наследственности»

В настоящее время по-прежнему актуальными являются вопросы повышения качества поверхностного слоя деталей, обрабатываемых на металлорежущих станках, а также повышения производительности технологического процесса их изготовления. Особенно актуальны эти вопросы в авиастроении при обработке таких авиационных материалов, как низкоуглеродистые хро-моникелевые стали, титановые и алюминиевые сплавы, так как к деталям, применяемым в данной отрасли, предъявляются высокие требования по надёжности, ресурсу, качеству и стоимости.

Токарная обработка таких авиационных материалов, как низкоуглеродистая хромоникелевая сталь и титановые сплавы, вызывает большие затруднения, так как сопровождается значительными вибрациями системы "станок-приспособление-инструмент-деталь" (СПИД), что приводит к ухудшению качества поверхностного слоя обрабатываемых деталей. Обработка этих материалов производится при низких скоростях резания, что обусловливает появление нароста на передней поверхности инструмента. Обработка алюминиевых сплавов производится при более высоких скоростях резания, при которых вместо нароста на передней поверхности инструмента формируется так называемая застойная зона. Однако эта зона оказывается чрезвычайно неустойчивой и меняющейся по длине контакта с передней поверхностью инструмента.

В результате обработки низкоуглеродистых хромоникелевых сталей и титановых сплавов наблюдается низкая стойкость инструмента, невысокое качество поверхностного слоя получаемых деталей, включая алюминиевые сплавы, в частности, большая дисперсия таких его показателей, как шероховатость Яа, микротвёрдость Ну, толщина упрочнённого слоя АН, остаточные напряжения аост и т.д.

При обработке низкоуглеродистых хромоникелевых сталей и титановых сплавов образующиеся на передней поверхности инструмента нарост или застойная зона пластически деформированного металла периодически срываются, оставляя следы на обработанной поверхности детали и ухудшая показатели качества поверхностного слоя. К сожалению, на данный момент отсутствует простая и надёжная методика фиксации, анализа и учёта силы сцепления нароста с передней поверхностью инструмента, что существенно сдерживает разработку и внедрение в металлообработку эффективных технологических путей повышения качества поверхностного слоя обрабатываемых деталей машин.

Для многих авиационных деталей окончательной технологической операцией является шлифование, в связи с этим учёт явления технологической наследственности становится необходимым условием для обеспечения требуемых значений показателей качества поверхностного слоя обработанных деталей при их минимальной дисперсии.

Физико-механические свойства указанных авиационных материалов и требования, предъявляемые к деталям из них, вызывают необходимость при разработке технологических процессов учитывать особенности процессов наростообразования и возникающих при этом вибрационных явлений, оказывающих существенное влияние на формирование качественных показателей поверхностного слоя обрабатываемых деталей.

Исследованию технологических путей повышения эффективности механической обработки и качества деталей посвящено большое количество работ. Широко известны исследования формирования качественных показателей поверхностного слоя деталей, выполненные Э.В. Рыжовым, А.Г. Сусловым, В.Ф. Безъязычным, A.B. Королёвым, А.И. Исаевым, Д.Г. Евсеевым, С.С. Силиным, B.C. Мухиным, A.M. Сулимой и другими отечественными и зарубежными учёными. Особенно ценными являются исследования причин возникновения колебаний системы СПИД, непосредственно влияющих на качественное состояние поверхностного слоя обработанных деталей и во многом предопределяющих технологическую наследственность, выполненные В.А. Кудиновым, М.Е. Эльясбергом, Ю.Г. Кабалдиным, А.Н. Шпилевым, B.JI. За-коворотным и их учениками. В технологии машиностроения вновь возник интерес к использованию наложенных вибраций при обработке материалов (E.JI. Вейц, А.П. Сергиев, Д. Кумабэ и др.). При этом много внимания уделяется вопросам технологической наследственности при механической обработке материалов (работы A.M. Дальского, П.И. Ящерицына, Э.В. Рыжова, А.Г. Суслова, А.И. Исаева, М.С. Камсюка, В.И. Бутенко и др. учёных). Однако до сих пор не проведены комплексные исследования, раскрывающие взаимосвязи между процессами образования колебаний и физическими явлениями в зоне обработки, а также их совместное влияние на формирование качественных показателей поверхностного слоя обрабатываемых деталей с учётом технологической наследственности. Знание особенностей возникновения колебаний в зоне обработки позволит разработать эффективные технологические пути повышения качества поверхностного слоя деталей, получаемых из авиационных материалов.

Всё это подтверждает актуальность темы диссертационной работы, связанной с разработкой и исследованием технологических путей, направленных на повышение качества поверхностного слоя деталей при чистовой обработке авиационных материалов без снижения стойкости лезвийного инструмента и с учётом технологической наследственности при выполнении последующих финишных операций. Актуальность темы подтверждается также тем, что диссертация выполнялась в рамках госбюджетных работ № Т02-06.3-65 "Теоретико-экспериментальные исследования формирования качественных характеристик поверхностного слоя деталей из конструкционных материалов при механической обработке" (2003-2004 г. г.) и № Т00-6.3-308 "Теоретико-экспериментальные исследования формирования диссипативных структур поверхностного слоя деталей в функции нелинейности процесса резания материалов" (2000-2001 г. г.), определённых грантами Министерства образования Российской Федерации, в которых автор являлся соисполнителем.

Заключение диссертации по теме «Технология машиностроения», Дуров, Дмитрий Сергеевич

Основные выводы и рекомендации диссертационной работы могут найти практическое применение в машиностроении для любых типов производства, включая и ремонт деталей машин. Высокое начальное качество изделий машиностроения, обусловленное целенаправленным воздействием на процессы наростообразования при обработке, позволит успешно решать задачи повышения надёжности и конкурентоспособности машиностроительной продукции.

ГЛАВА 6. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТ ВНЕДРЕНИЯ ИХ

В МЕТАЛЛООБРАБОТКУ

По результатам выполненных исследований процессов наростообразо-вания в зоне обработки и их влияния на стойкость используемого инструмента, производительность обработки и качественные показатели получаемого поверхностного слоя деталей, а также используя симплекс-метод, были разработаны практические рекомендации по совершенствованию процессов токарной обработки авиационных материалов. Так, было предложено при черновой и чистовой токарной обработке авиационных материалов производить смену резцов и перенастройку станка в соответствии с рекомендуемыми технологически выгодными режимами резания и геометрией инструмента, которые приведены в табл. 6.1.

Учитывая, что при срыве нароста резец отбрасывается вверх, для снижения частоты колебаний инструмента и улучшения тем самым качества обработанной поверхности (уменьшения А) рекомендуется резец устанавливать в резцедержателе на специальном демпфере, который позволяет снизить динамические воздействия путём демпфирования колебаний, а также уменьшить начальный импульс в момент врезания и отвода резца при обработке материалов с твёрдыми и неметаллическими включениями. Одна из возможных конструкций такого демпфера приведена на рис. 6.1.

Инструмент работает следующим образом: на суппорт токарного станка монтируется корпус устройства 1. На дополнительно смонтированных в нём цилиндрических направляющих 4 устанавливается режущий элемент 2 (резец) с выполненными в державке под передней его частью (головкой) и над задней установочными пазами и фиксируется противорасположенными упругими элементами 3, расположенными по вертикальным осям направляющих 4. Инструмент закрепляется посредством прижимных планок 5, также оснащённых установочными пазами (под направляющие 4 и упругие элементы 3), и резьбового сопряжения 6, осуществлённого через отверстие в средней части державки. В зависимости от вида обрабатываемого материала производится варьирование упругих элементов 3 с разной жёсткостью.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дуров, Дмитрий Сергеевич, 2004 год

1. Кабалдин Ю.Г., Шпилев A.M., Бурков А.А. Хаотическая динамика технологических систем // Тез. докладов V1.Международной научн.-технич. конференции по динамике технологических систем. Том II. Ростов-на-Дону, 2001.-С. 3-8.

2. Васильков Д.В. Динамика контактных взаимодействий при обработке резанием // Тез. докладов VI Международной научн.-технич. конференции по динамике технологических систем. Том II. Ростов-на-Дону, 2001. -С. 9-13.

3. Ермаков Ю.М. Стойкость режущего инструмента как важнейший фактор качества механической обработки / В кн.: Качество машин. Сборник трудов 4-ой Международной научн.-технич. конференции. Брянск, 2001. -С. 124-125.

4. Справочник технолога-машиностроителя / Под ред. A.M. Дальского, А.Г. Косиловой, P.M. Мещерякова, А.Г. Суслова. В 2-х томах. М.: Машиностроение, 2001.

5. Суслов А.Г. Проблема качества машин // Обработка металлов, 2001, № 1(12).-С. 10-14.

6. Машиностроение. Энциклопедия. Т. III-3. технология изготовления деталей машин / A.M. Дальский, А.Г. Суслов, Ю.Ф. Назаров и др.: Под общ. ред. А.Г. Суслова. 2000. С. 840 с.

7. Старков В.К. Дислокационные представления о резании металлов. М.: Машиностроение, 1979. 160 с.

8. Дуров Д.С. Исследование рассеяния параметров шероховатости обработанной поверхности деталей / В сб.: Прочность, надёжность и качество изделий машиностроения. Таганрог, гос. радиотехн. ун-т. 2001. С. 3842. Деп. в ВИНИТИ № 1210 В 2001. от 11.05. 2001.

9. Амосов И.С. Осциллографические исследования вибраций при резании металлов. В сб.: Точность механической обработки и пути её повышения. М.: Машгиз,1951. С. 38-45.

10. Кудинов В.А. Динамическая характеристика резания // Станки и инструмент, 1963, №10. С.12-18.

11. Кудинов В.А. Автоколебания при резании с неустойчивым наростом // Станки и инструмент, 1965, № 7. С. 7-11.

12. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. 337 с.

13. Рыжков Д.И. Вибрации при резании металлов и методы их устранения.1. М.: Машгиз, 1961.-288 с.

14. Рыжков Д.И. Опыт устранения вибраций при скоростном точении. М.: Машгиз, 1954.-254 с.

15. Эльясберг М.Е. Основы теории автоколебаний при резании металлов // Станки и инструмент, 1962, № 10. С. 9-13.

16. Соколовский А.П. Научные основы технологии машиностроения. М.: Машгиз, 1955. 515 с.

17. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. JL: Машиностроение, 1986. 184 с.

18. Сатель Э.А. и др. Технологические возможности и перспективы применения вибрационного точения // Вестник машиностроения, 1961, № 9. -С. 15-18.

19. Кабалдин Ю.Г., Шпилев А.М., Просолович A.A. Синергетический анализ причин вибраций при резании // Вестник машиностроения, 1997, № 10.-С. 21-29.

20. Кабалдин Ю.Г. Резание металлов в условиях адиабатического сдвига элемента стружки // Вестник машиностроения, 1995, № 7. С. 79-25.

21. Каширин А.И. Исследование вибраций при резании металлов. М.: Изд-во АН СССР, 1944. 308 с.

22. Штейнберг И.С. Устранение вибраций, возникающих при резании металлов на токарном станке. М.: Машгиз, 1947. 247 с.

23. Кайдановский H.JI., Хайкин С.Э. Механические релаксационные колебания //ЖТФ,т. III, вып. 1, 1933.-С. 1132-1154.

24. Дроздов H.A. К вопросу о вибрации станка при токарной обработке //Станки и инструмент, 1937. № 12. С. 25-27.

25. Бутенко В.И., Диденко Д.И., Дуров Д.С. Шлифовальный инструмент. Патент РФ №2201865.

26. Ташлицкий Н.И. Первичный источник энергии возбуждения автоколебаний при резании металлов // Вестник машиностроения, 1960, № 2. — С. 45-50.

27. Кучма Д.К. Экспериментальные исследования вибраций при резании на токарных станках // Новые исследования в области обработки резанием. М.: Машгиз, 1948.-С. 100-128.

28. Колев К.С. Точность обработки и режимы резания. М. Машинострое-1* ние, 1968.-247 с.

29. Эльясберг М.Е., Савинов И.А. Экспериментальное определение параметров обрабатываемого материала, влияющих на устойчивость против автоколебаний и расчёт станков // Станки и инструмент, 1979, №12. С. 23-27.

30. Эльясберг М.Е. К теории и расчёту устойчивости процесса резания ме33.