Повышение эффективности торцевого фрезерования за счет применения фрез с корпусами из сталефибробетона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Фоломкин, Андрей Игоревич

• Фоломкин, Андрей Игоревич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Фоломкин, Андрей Игоревич

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ДЕМПФИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Особенности нагружения зуба фрезы.

1.2. Анализ методов гашения колебаний в технологических'системах.

1.3. Перспективность использования сталефибробето на для демпфирования технологических систем.

1.4 Выводы по главе.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА СТАЛЕФИБРОБЕТОНА ДЛЯ КОРПУСОВ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА.

2.1. Состав сталефибробетона и его механические характеристики

2.2. Демпфирующие характеристики сталефибробетона.

2.3. Оптимизация состава сталефибробетона для корпусов инструмента.

2.4. Выводы по главе.

3. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ФРЕЗ С КОРПУСАМИ ИЗ СТАЛЕФИБРОБЕТОНА.

3 Л Конструктивные и технологические особенности фрез с корпусами из сталефибробетона.

3.2 Методика проектирования фрез с корпусами из сталефибробетона.

3.3 Выводы по главе

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТОРЦЕВЫХ ФРЕЗ С КОРПУСАМИ ИЗ СТАЛЕФИБРОБЕТОНА.

4.1 Демпфирование колебаний в технологической системе.

4.2 Демпфирование ударных нагрузок на режущую кромку инструмента.

-34.3. Исследование стойкости лезвий торцевых фрез с корпусами из стадефйбробетона при фрезеровании труднообрабатываемых материалов. 107 4.4. Определение производительности при торцевом фрезеровании фрезами с корпусами из стадефйбробетона.

4.5. Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности торцевого фрезерования за счет применения фрез с корпусами из сталефибробетона»

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 дозволяет 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 сталефибробетона. 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 сталефибробетона 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 аналого-цифрового осциллографа PCS-500A. Эксперименты проводились по многофакторным планам, а полученные результаты обрабатывались вероятностно-статистическими методами с использованием программы MatliCAD 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 сталефйибробетона, обладающих высокими диссипативными свойствами; обоснован состав сталефибробетона обладающего оптимальными прочностными и демпфирующими свойствами для изготовления корпусов режущего инструмента;

- установлены особенности нагружения лезвий инструмента с корпусом из сталефибробетона, обеспечивающие повышение эффективности его использования.

Основные положения, выносимые на защиту:

- модель оптимизации состава сталефибробетона для изготовления корпусов фрез основанная на предлагаемых экспериментальных зависимостях;

- методика проектирования фрез с корпусами из сталефибробетона;

- установленные характерные особенности нагружения и колебаний режущей кромки инструмента с корпусом из сталефибробетона.

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, т.к. 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", г. Санкт-Петербург, 2004., а так же на Межвузовских научных конференциях в СПбГТУ в 2001-2005 годах. Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Содержит 144 страниц машинописного текста, 65 рисунка, 13 таблиц и библиографию из 103 наименований.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Фоломкин, Андрей Игоревич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований решена важная научно-техническая задача повышения производительности торцевого фрезерования заготовок из труднообрабатываемых материалов посредством создания уникальных конструкции фрез с корпусами из сталефибробетона и их технологии изготовления.

Исследованы механические и демпфирующие характеристики сталефибробетона. Построена оптимизационная модель, позволяющая определить оптимальный состав сталефибробетона для изготовления корпусов фрез.

Разработана методика проектирования фрез с корпусами из сталефибробетона. Определены основные параметры фрез с корпусами из сталефибробетона.

Изготовлены пьезоэлектрические датчики оригинальной конструкции и отработана методика их тарирования. Выявлены особенности силового нагружения лезвия инструмента в процессе торцевого фрезерования. Произведено исследование стойкости режущих лезвий и определена зависимость стойкости инструмента от скорости резания.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие общие выводы:

Механические характеристики сталефибробетона, при определенном его составе, могут достигать величин сравнимых с характеристиками чугуна и алюминиевых сплавов.

Декремент продольных колебаний сталефибробетона, при определенном его составе, может достигать величины 0,34 неп. Оптимальным составом сталефибробетона для изготовления корпуса инструмента является сталефибробетон с параметрами армирующих элементов 1 = 5мм, s = 0.026мм , при их массовой концентрации

Разработанная методика проектирования фрез с корпусами из сталефибробетона позволяет создавать прочный, надежный инструмент с высокими демпфирующими способностями. Демпфирование ударных нагрузок снижает циклические напряжения в инструментальном материале, что значительно увеличивает стойкость инструментального материала. Проведенные исследования показали, что при использовании конструкции фрез с корпусами из сталефибробетона стойкость режущих кромок увеличивается в 1,4.2 раза.

При использовании фрез с корпусами из сталефибробетона производительность процесса резания за счет увеличения скорости резания может быть увеличена до 20%.

Применение корпусов фрез из сталефибробетона позволяет эффективно использовать твердые, но хрупкие инструментальные материалы, такие как безвольфрамовые метагшокерамические твердые сплавы и другие сверхтвердые материалы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Фоломкин, Андрей Игоревич, 2006 год

1. А.с. № 1379019 Описание изобретения к авторскому свидетельству "Анизотропная фреза'7 В.И. Петров, В.В. Дженов Ленинградский механический институт им. Маршала Советского Союза Устинова Д.Ф.

2. А.с, № 1445870 Описание изобретения к авторскому свидетельству "Фреза"/ Н.Н. Кротун, Л.М. Кротун 23.12.88 Сумский филиал Харьковского политехнического института им. В.И. Ленина

3. А.с. № 1710221 Описание изобретения к авторскому свидетельству "Фреза"/ В.А. Рогов 07.02.92 Университет дружбы народов им. Патриса Лумумбы.

4. А.с. № 1713756 Описание изобретения к авторскому свидетельству "Анизотропная фреза"/ В.И. Петров, М.А. Никитин, А.Л. Меньшов и др. 23.02.92 Ленинградский механический институт им. Маршала Советского Союза Устинова Д.Ф.

5. А.с. № 1713757 Описание изобретения к авторскому свидетельству "Сборная фреза'7 В.И. Петров и др. 23.02,92 Ленинградский механический институт им. Маршала Советского Союза Устинова Д.Ф.

6. А.с. № 1722712 Описание изобретения к авторскому свидетельству "Анизотропная фреза'7 В.И. Петров, М.А. Никитин, Е.В. 30.03.92 Булгаков Ленинградский механический институт им. Маршала Советского Союза Устинова Д.Ф.

7. А.с. № 1768356 Описание изобретения к авторскому свидетельству "Анизотропная фреза'7 В.И. Петров, М.А. Никитин, Ю.Г. Григорьев 15.10.92 Ленинградский механический институт им. Маршала Советского Союза Устинова Д.Ф.

8. А.с. № 831425 Описание изобретения к авторскому свидетельству

9. Сборная торцевая фреза'7 С.Г. Нагорняк 23.05.81

10. Аваков А.А. Физические основы теории режущих инструментов. М. Машгиз, 1960.

11. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. М.: Металлургия, 1968.

12. П.Адлер Ю.П. и др. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. -М.: Наука, 1976.

13. Айзеншток И.А. Основные вопросы механики процесса резания металлов. М.: Машгиз, 1950

14. Алямовский А.А. SolidWorks компьютерное моделирование в инжинерной практике. СПб.:БХВ-Петербург, 2005.

15. Алямовский А.А. SolidWorks/'CosmosWorks Инженерный анализ методом конечных элементов. М.:ДМК, 2004.

16. Аршинов А.В., Алексеев Г.А. Резание металлов и режущий инструмент. М.: Машиностроение, 1964.

17. Баргер КБ. Мельневский Г.И. Измерение механических величин. -Л.:ЛПИ, 1968.

18. Березен И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений,- М.: Наука, 1966.

19. Бетанелли А.И. Прочность и надежность режущего инструмента. -Тбилиси: Сабчато сакартвело, 1973.

20. Битюков Р.Н., Зубарев Ю.М. Исследование влияния технологических параметров процесса обработки на износ фрез при несимметричном торцевом фрезеровании/УФизические процессы при резании металлов. Волгоград. ВолгПИ, 1986, с. 89-98.

21. Браиловский М.И., Итин А.М. Сталебетонные станины современных высокоточных токарных станков без внешней металлической оболочки/ТВестник машиностроения 2003 №7, С. 64-68.

22. Браутман Л. Композиционные материалы. Т5,М.: МИР, 1978.

23. Бутенин Н.В., Лунц Я.В., Меркин Д.Р. Теоритическая механика. М.: ПАУКА, 1985.

24. Ван Фо Фы Г.А. Теория армированных материалов. Киев: Наукова думка, 1971.

25. Васильков Д.В., Вейц В.Л., Шевченко B.C. Динамика технологической системы механической обработки. СПб.: ТОО "Инвентекс", 1997.

26. Вульф A.M. Резание металлов. Л.: Машиностроение, 1973.

27. Гасс С. Линейное программирование. М.'.Государственное издательство физико-математической литературы, 1961.

28. Герштберг О.А. Технология бетонных и железобетонных изделий. -М.:Стройиздат, 1974.

29. Гладков С.О. Физика композитов термодинамические и диссипативные свойства. М.: НАУКА, 1999.

30. Горчаков Г.И., Хигерович М.И. Вяжущие вещества бетоны и изделия из них. М.: Высшая школа, 1976.

31. Грановский В.Г. Грановский В.Г Резание металлов. М.: Высшая школа, 1985.

32. ЗГДемидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. -М.:НАУКА, 1966.

33. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. М.: МИР, 1972.

34. Дикушин В.И. Решетова Д.Н. Исследование колебаний металлорежущих станков. М.: МАШГИЗ, 1958

35. Дмитриевская Ю.С. Инструментальная система с повышенными виброзащитны м и свойствами для фрезерования заготовок сложнопрофильных деталей на станках с ЧПУ Автореферат дисс. на соискание ученой степени к.т.н., СПб: ЛМЗ-ВТУЗ 2004г.

36. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. Л.: Машиностроение 1986.

37. Зубарев Ю.М. и др. Применение многофакторных экспериментов второго порядка в технологии машиностроения// Учебное пособие. СПб.: ПИМаш, 2002.

38. Иванов М.И. Повышение эффективности получения армирующих элементов сталефибробетона методом фрезерования дисс. На соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб.: СПбГТУ. 1993.

39. Иванова И.И. Щеголева И.В. Дьякова Л.Д. Электрическое измерение электрических и неэлектрических величин. Л.: ЛПИ, 1969.

40. Ильницкий И.И. Колебания в металлорежущих станках и пути их устранения. М. - Свердловск: Машгиз. 1958.

41. Ильюшенский А.Ю., Черный Г.Г. Неупругие свойства композиционных материалов. -М.:МИР, 1978.

42. Иориш Ю.А. Виброметрия. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1963.

43. Ицкевич С.М. и др. Технология заполнителей бетона. М.: Высшая школа, 1991.

44. Ишлинский А.Ю. Черный Г.Г. Неупругие свойства композиционных материалов, М.: МИР, 1978.

45. Кикоин И.К. Таблицы физических величин. Справочник.1. М.: АТОМИЗДАТ, 1976.

46. КлушинМ.И. Резание металлов. -М.: Машгиз 1958.

47. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инжинеров. -М.: Наука. 1978.

48. Коротких М.Т. Научные основы получения стальных фиброэлементов резанием дисс на соискание ученой степени доктора технических наук СПб.: СПбГТУ, 1997

49. Коротких М.Т., Иванов М.И. Возможности применения безвольфрамовых твердых сплавов при плазменно механической обработке // в сб. повышение эффективности применения электрофизичеких электрохимичеких методов обработки материалов. -Л.: ЛДНТП, 1990.

50. Коротких М.Т., Смирнов P.M., Фоломкин А.И. Торцевые фрезы со сталефибробетонными корпусами. Инструмент и технология N21-22. с. 67-71, 2004г.

51. Коротких М.Т., Фоломкин А.И. Конструктивные особенности торцевых фрез с корпусами из сталефибробетона. Металлообработка N4(28) с.8-11,2005г.

52. Костецкий Б.И. Стойкость режущих инструментов. Киев.-М.: Машгиз 1949.

53. Кошкин Н.И. Ширкевич Справочник по элементарной физике. М.: Наука, 1964.

54. Крагелъский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение. 1968.

55. Креймер Г.С. Прочность твердых сплавов. М.: Металлургия, 1971.

56. Кривоухов В.А. Обработка металлов резанием. М.: Машиностроение, 1951.

57. Криштал М.А., Головин С.А. Внутреннее трение и структура металлов. М.: Металлургия, 1976.

58. Криштал М.А., Пигузов Ю.В. Внутреннее трение в металлах и сплавах.- М.: Металлургия, 1964.

59. Кудрявцев Е.М. MathCad 2000 Символьное и численное решение различных задач. М.; МДК, 2001.

60. Кузюшин В.В. Вопросы теории обработки металлов резание. М.: МАШГИЗ, 1954.

61. Кучма JI.K. Вибрации при работе на фрезерных станках и методы их гашения. М.: из-во АН СССР, 1959.

62. Лещинский М.Ю., Скрамтаев Б.Г. Испытание прочности бетона. М.: Стройиздат, 1973.

63. Лоладзе Т.Н. Износ режущего инструмента. М.: МАШГИЗ, 1958.

64. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. -М.: Машиностроение, 1982.

65. Любошиц М.И. Ицкович Г.М. Справочник по сопротивлению материалов. Минск: Высшая школа, 1969.

66. Макаров А.Д. Износ и стойкость режущих инструментов. М.: Машиностроение, 1966

67. Мурашкин С.Л. Вынужденные колебания самовозбуждающихся систем при вибрационной обработке материалов. Труды ЛПИ, Машиностроение, 1969, №309, с.234-239.

68. Пановко Я.Т. Введение в теорию механических колебаний. М.: Наука, 1991.

69. Пановко Я.Г. Конструкционное демпфирование в неподвижных соединениях. Рига: Издательство АН Л ССР, 1960.

70. Патент № 2053055 Описание изобретения к патенту Российской Федерации "Сборная дисковая фреза"/ С.С. Спецаков, С.М. Колосков и др. Научно-внедренчиская фирма "Инструмент".

71. Патент № 2214900 Описание изобретения к патенту Российской Федерации "Комбинированная железобетонная станина металлообрабатывающего станка"/ Ю.И. Кириллов, С.И. Ветров, В.А.

72. Галкин, М.И. Брайловский 2003.10.27 Открытое акционерное общество "Красный пролетарий".

73. ГГетков П.П. Актуальные вопросы динамики процесса резания и металлорежущих станков // Научно-технические ведомости СПбГТУ N2-2006.

74. Пиатти Дж. Достижения в области компазиционных материалов// Сборник научных трудов. М.: Металлургия, 1982.

75. Писаренко Г.С. Справочник по сопротивлению материалов. Киев: Hay кова думка, 1975.

76. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Вибропоглащающие свойства конструкционных материалов. Киев: Наукова думка, 1971

77. Постников B.C. Релаксационные явления в твердых телах. -М. Металлургия, 1968.

78. Пухаренко Ю.В. Научные и практические основы формирования структуры и свойств фибробетонов. Дис. д-ра. Тех. Наук. СПб.:СПбГАСУ, 1997.

79. Рабинович Ф.Н. Дисперсно-армированные бетоны. М.: Стройиздат, 1989.

80. Сендецки Дж. Механика композиционных материалов. М.: Мир, 1978.

81. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Войткун Ф. Материаловедение. М.: МИССИС, 1999

82. Соловейчик А.М., Колодяжный Д.Ю., Плавник С.Л. Устойчивость движения технологических систем // Научно-технические ведомости СПбГТУ N2 2006

83. Стерин B.C. Приготовление сталефибробетонных смесей //Сб. Применение фибробетона в строительстве. Л.: ЛДНТП. 1985.

84. Сыроватченко П.В. Справочник технолога машиностроителя. -М.-.Машиностроение, 1980.

85. Тавадзе Ф.Н., Постников B.C. Внутреннее трение в металлах инеорганических материалах,- М. НАУКА, 1982

86. Тиме И.А. Основы машиностроения. СПб, 1993.

87. Трент Е.М. Резание металлов. М.: Машиностроение, 1980.

88. Тюлин В.Н. Введение в теорию излучения и рассеяния звука. М. НАУКА, 1976г.91 .Финкельштейн Б.Н. Релаксационные явления в металлах и сплавах. -М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной метгалургии, 1960.

89. Фоломкин А.И., Коротких М.Т. Адаптивное демпфирование технологических систем, как перспективный метод гашения колебаний. ХХХИ неделя науки СПбГТУ. Материалы межвузовской научной конференции СПб.:СПбГТУ, 2003.

90. Фоломкин А.И., Коротких М.Т. Исследование демпфирующих свойств с корпусами из сталефибробетона. XXXIII неделя науки СПбГТУ. Материалы межвузовской научной конференции СПб.:СПбГТУ, 2004 ч Ш., с94.

91. Фоломкин А.И., Коротких М.Т. Математическое моделирование процесса разрезания пластины в вязкой среде, XXXI Неделя науки СПбГТУ. Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: СПбГТУ, 2003.-ЧШ.-С.110.

92. Фоломкин А.И., Коротких М.Т. Технологическое оборудование для получения армирующих элементов пенофибробетона. XXX Юбилейная Неделя науки СПбГТУ. Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: СПбГТУ, 2002.-Ч IV.-C.81.

93. Хает Г.Л. Прочность режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1975.

94. Хартман К. и др. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. М.:Мир, 1977,

95. Химмельблау Д. Прикладное не линейное программирование. М.: МИР, 1975.

96. Ящерицин П.И. и др. Теория резания. Физические и тепловые процессы в технологических системах. Мн.: Высшая школа, 1990.

97. Jurgen Hesselbach, Manfred В. Helm Adaptronics in Machin Tools// Production engineering research and development. Vol VIM WGP е. V., Berlin, 2000.

98. US5965249 "Vibration damping composit material" Gentile Michele M, Princip Frank, Sutton Stephen P 1999.10.12 Gore Enterprise Holdings Inc.

99. Uvve Heisel, Frank Ziegler Sheet Metal Lightweight Design for Direct Driven Machin Tools// Production engineering research and development. Vol. VM WGP е. V., Berlin, 2000.

100. W00245892 "Tool for machining of matals with vibration damping means" Bergholt Marie-Louise, Karlsson Leif, Tuebinger Klas, 2002.06.13 Sandvik AB