Повышение качества обрабатываемой поверхности при твердом точении за счет улучшения демпфирующих свойств узла крепления режущей пластины тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Попиков, Андрей Николаевич

• Попиков, Андрей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Попиков, Андрей Николаевич

Введение.

Глава 1. Состояние исследований в области высокоскоростной обработки металлов.

1.1. Особенности высокоскоростной обработки закаленных сталей.

1.2. Характеристики современных инструментальных материалов.

1.3. Анализ крепления режущих пластин.

1.4. Опорные пластины: конструкции, особенности и материалы.

1.5. Физическая природа виброакустического излучения при резании.

1.6. Выводы по главе и постановка задач исследования.

Глава 2. Исследования напряженно-деформированного состояния в конструкции узла крепления режущей пластины.

2.1. Постановка задачи исследования.*.

2.2. Выбор метода исследования.

2.2.1. Исследование напряжений в конструкции узла крепления режущей пластины с помощью метода фотомеханики.

2.2.2. Исследования напряжений в конструкции узла крепления режущей пластины при помощи программного комплекса SolidWorks CosmosWorks.

2.3. Методика исследования напряжений в конструкции узла крепления режущей пластины методом фотомеханики.

2.3.1. Описание проекционно-поляризованная установка ППУ-7.

2.3.2. Описание моделей для исследования с помощью метода фотомеханики.

2.3.3. Описание экспериментального стенда.

2.4. Методика исследования напряжений в конструкции узла крепления режущей пластины при помощи программного комплекса CosmosWorks.

2.4.1. Создание 3D моделей сборочных единиц.

2.4.2. Исследование напряженного состояния модели сборки.

2.5. Анализ напряженного состояния комбинированной модели и оценка энергии деформации.

2.5.1. Анализ напряженного состояния комбинированной модели с помощью метода фотомеханики.

2.5.2. Анализ напряженного состояния комбинированной модели с помощью программного комплекса Cosmos Works.

2.5.3. Сравнение полученных результатов и выводы по главе.

Глава 3. Статистическое исследование конструкции проходного резца с применением опорных пластин с разными демпфирующими свойствами.

3.1. Стенд для определения статических характеристик сборных резцов.

3.2. Градуировка измерительных цепей.

3.3. Исследование статических характеристик экспериментального резца с применением опорных пластин с различными демпфирующими свойствами.

3.4. Разработка математической модели узла крепления режущей пластины прихватом при статической нагрузке.

3.5. Выводы по главе.

Глава 4. Исследование виброакустического сигнала при твёрдом точении.

4.1. Колебания и оборудование для его регистрации.

4.2. Описание экспериментального стенда исследования вибракустического сигнала с установкой датчика на резцедержке.

4.3. Описание экспериментального стенда исследования вибракустического сигнала по осям X, Y, Z с установкой датчика на резце.

4.4. Результаты эксперимента по исследованию виброакустического сигнала.

4.4.1. Влияние скорости резания на виброакустический сигнал.

4.4.2. Влияние износа режущей кромки на виброакустический сигнал.

4.4.3. Влияние материала опорной пластины на виброакустический сигнал.

4.5. Выводы по главе.

Глава 5. Исследования влияния режимов резания при твёрдом точении на качество (шероховатость) поверхности с применением в конструкции крепления режущей пластины опорных пластин с различными демпфирующими свойствами.

5.1. Однофакторные исследования по определению влияния режимов резания на качество (шероховатость) обработанной поверхности.

5.2. Полный факторный эксперимент (ПФЭ-2 ) по определению зависимости шероховатости от режимов резания со стандартной опорной пластиной.

5.3 Полный факторный эксперимент (ПФЭ-2 ) по определению зависимости шероховатости от режимов резания с комбинированной опорной пластиной.

5.4 Выводы по главе.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение качества обрабатываемой поверхности при твердом точении за счет улучшения демпфирующих свойств узла крепления режущей пластины»

В настоящее время одними из актуальных задач, стоящими перед производством, являются снижение себестоимости и повышение производительности металлообработки, повышение технологического уровня, конкурентоспособности металлообрабатывающего оборудования и режущего инструмента. Одним из основных направлений снижения себестоимости производства является повышение производительности операций металлообработки за счёт увеличения скорости резания и использования более прогрессивных конструкций режущих инструментов.

В современных станках при наружном точении резцы работают с малыми вылетами, не превышающими 20 - 25 мм, поэтому при соответствующем сечении державки она имеет гарантированные прочность и жёсткость. Наиболее слабым звеном в системе станок — инструмент - деталь (СИД) являются элементы головки резца - режущая, опорная пластины и узел крепления режущей пластины.

В работах по исследованию колебаний режущих инструментов с механическим креплением режущей пластины преимущественное внимание уделялось именно режущей пластине и узлу её крепления как звену замкнутой динамической системы СИД, непосредственно контактирующему с обрабатываемой заготовкой. Значительно меньше исследовали роль других элементов узла крепления, которые в многосвязной динамической системе этого узла могут способствовать развитию колебаний, аккумулировать либо ограничивать их. Поэтому экспериментально-аналитическое исследование демпфирующих свойств опорной пластины при твёрдом точении является актуальной задачей.

Цель работы. Повышение качества обрабатываемой поверхности при твёрдом точении за счёт улучшения демпфирующих свойств узла крепления режущей пластины.

Методы исследования. Работа базируется на известных теоретических и экспериментальных работах в области динамики станков, процессов резания, теории колебаний, виброакустической (ВА) диагностики 5 механизмов, теории фотомеханики, методе конечных элементов. В исследовании применялось компьютерное моделирование с использованием современного программного обеспечения и средств вычислительной техники. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием промышленного оборудования и современных измерительных средств. Обработка результатов экспериментов осуществлялась с применением современных компьютерных и цифровых технологий.

Научная новизна. Разработана физическая и математическая модель узла крепления режущей пластины прихватом для проходного резца с опорной пластиной из композиционного материала (КМ).

Разработаны методики исследования демпфирующих свойств опорных пластин из КМ методами фотомеханики, физического, математического и компьютерного моделирования.

Создана компьютерная модель узла крепления режущей пластины прихватом для проходного резца.

Выявлена и оценена связь между демпфирующими свойствами опорной пластины, режимами резания при твёрдом точении, параметрами ВА сигнала и качеством обработанной поверхности.

Практическая ценность. Разработаны рекомендации по определению режимов резания для твёрдого точения.

Разработан и отлажен экспериментальный стенд для исследования и сравнения демпфирующих свойств опорных пластин методом фотомеханики.

Разработан и отлажен экспериментальный стенд для исследования ВА сигнала при твёрдом точении.

Выявлены зависимости изменения ВА сигнала от материала опорной пластины, степени изношенности режущей пластины и режимов резания позволяющие судить о качестве поверхности.

Получены результаты, отражающие улучшение качества (шероховатости) поверхности обработанной детали с применением опорных пластин из композиционных, минеральных и комбинированных материалов.

Апробация. Наиболее значимые результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, доложены на следующих конференциях:

5-ой Московской Международной конференции и стеллажной выставке «Теория и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов». Москва, 2007 г.

Научно-методической конференции «Машиностроение - традиции и инновации» МГТУ «Станкин». Москва, 2008 г.

Научно-практической конференции Егорьевского Технологического института (филиала) ГОУ ВПО МГТУ «Станкин». Егорьевск, 2008 г.

Научно-технических конференциях инженерного факультета Российского университета Дружбы народов.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 работах, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК.

Структура диссертации. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, список использованных библиографических источников (115 наименований) и приложений. Общий объем текста диссертации 155 страниц, в него включены 86 рисунков и 14 таблиц.

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

Выводы

В работе решена научно-техническая задача, имеющая важное значение, и состоящая в повышении качества обрабатываемой поверхности детали и эффективности процесса твёрдого точения на основании использования в конструкции узла креплении режущей пластины опорных пластин из композиционных материалов и минералов.

В процессе компьютерного моделирования, теоретического и экспериментального исследования получены следующие результаты и выводы:

1. Эксперименты показали, что опорные пластины, выполненные из минералов и композиционных материалов, обладают достаточной работоспособностью, хорошо гасят высокочастотные колебания, надежно поддерживают режущую пластину, что позволяет существенно повышать качество (снижение шероховатости) обработанной поверхности на 35-40%.

2. Разработанная поляризационно-оптическая модель позволила оценить соотношение полной энергии деформации в сечении «режущая пластина -опорная пластина», «опорная пластина - корпус резца» и прогнозировать тем самым динамические качества узла крепления режущей пластины в зависимости от конструкции и свойств материала опорной пластины.

3. Сравнение поляризационно-оптической модели с компьютерной показало, что несовпадение физической модели с компьютерной составляет от 7 до 12%, это объясняется тем, что поляризационно-оптический метод имеет погрешность, из-за усреднения количества полос. На основании этого можно сделать вывод: компьютерная модель вполне адекватна и может использоваться для определения величины максимальных касательных напряжений с привлечением небольших средств и затратами времени по сравнению с поляризационно-оптическим методом.

4. На основании статических исследований конструкции узла крепления режущей пластины прихватом для проходного резца была разработана его математическая модель и исследованы изменения колебаний режущей

137 пластины в зависимости от демпфирующих свойств опорной пластины.

5. Исследования износа режущего инструмента при твёрдом точении показали, что увеличение площади контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью ведёт к росту твёрдости поверхностного слоя в зоне контакта и росту высокочастотной составляющей виброакустического сигнала.

6. Контроль высокочастотных составляющих виброакустического сигнала позволил вести мониторинг скорости отпуска поверхностного слоя при твёрдом точении. Что дало возможность обоснованно выбирать режимы резания и оценивать степень пригодности оборудования для реализации стабильного процесса твёрдого точения.

7. В ходе исследования влияния опорных пластин на качество поверхности удалось установить, что потоками тепла при твёрдом точении можно управлять не только подбором режимов резания и геометрией режущей кромки, но подбором теплопроводности материала опорной пластины под режущей пластиной в инструменте, что также влияет на качество поверхности.

8. Проведены экспериментальные исследования зависимости влияния параметров режимов резания и материала опорной пластины на шероховатость поверхности при твёрдом точении.

9. Даны рекомендации по выбору режимов резания.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Попиков, Андрей Николаевич, 2009 год

1. Аблапохин Ю. А. Исследование вибраций при точении и растачивании консольно закрепленных деталей: Автореф. Дис. канд. техн. наук. — Куйбышев, 1973.-28 с.

2. Алфутов Н. А. и др. Расчёт многослойных пластин и оболочек из композиционных материалов, 1984.

3. Амосов И.С. Осциллографическое исследование вибраций при резании металлов // Точность механической обработки и пути ее повышения. М, Л.: Машгиз, 1951, 136 с.

4. Андреев В. Н. Совершенствование режущего инструмента. — М.: Машиностроение, 1993.—240с.: ил. — (Б-ка инструментальщика).

5. Ануфриев А.Ф. Научное исследование. Курсовые, дипломные и диссертационные работы. М.: Ось-89, 2004. - 112 с.

6. Аршинов В.А., Алексеев Г.А. Резание металлов. — М.: Машиностроение, 1975.

7. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976 287 с.

8. Александров А.В., Потапов В. Д. Основы теории упругости и пластичности. М.: Высшая школа, 1990. — 400, с.

9. Алямовский А. А., Собачкин А. А., Одинцов Е. В., Харитонович А. И., Пономарев Н. Б. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике — СПб.: БХВ-Петербург, 2005. — 800 е.: ил.

10. Аугустайтис В. В. Расчёт и оптимизация частотных характеристик. -Вибротехника. (Вильнюс), 1981, №3/33. с. 117-126.

11. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975.

12. Бреббия К. Методы граничных элементов: Пер. с англ./Бреббия К-, Теллес Ж-, Вроубел Л. — М.: Мир, 1987. — 524 е.: ил.

13. Бутырин П. А. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе Lab VIEW 7.139

14. М.: ДМК Пресс, 2005. 264 е.: ил.

15. Барт В.Е., Санина Г.С., Шевчук С.А. Опыт применения синтеграна вмашиностроении // Станки и Инструмент. 1993, №1, с. 15-17.

16. Барт В.Е., Санина Г.С., Шевчук С.А. Применение полимербетонов в станкостроении. -М.: ВНИИТЭМР, 1987. 40 с.

17. Бенерджи П., Баттерфилд Р. Метод граничных элементов в прикладных науках: Пер. с англ. — М.: Мир, 1984. — 494 е.: ил.

18. Болтон У. Конструкционные материалы: металлы, сплавы, полимеры, керамика, композиты: Карманный справочник. Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2004. 320 е.: ил. (Серия «Карманный справочник»)

19. Бабенков И. С., Романова В. А. Поляризационно-оптический метод исследования напряжений. М.: УДН, 1981. - 51с.

20. Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др.; Композиционные материалы: Справочник // Под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. М.: Машиностроение. — 1990. — 512 е.; ил.

21. Волгушев А.Н., Елфимов В.А. Применение полимербетонов в машиностроении, выпуск 20, Москва 1990, с. 15-29.

22. Васин С.А., Верещака А.С., Кушнер B.C. Спецкурс теории резания: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.

23. Вульф A.M. Резание металлов. — JL: 1973.

24. Высокопроизводительное резание металлов // ИТО, 2004, №3, с. 17.

25. Вибрации в технике: Справочник. В 6 т. Т. 6. Защита от вибрации и ударов. М.: Машиностроение, 1995. 460 с.

26. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. М.: Высш. шк., 1985.

27. Губанов В. Ф. Силы резания и колебания инструментов.

28. Горшков А. Г., Трошин В. Н., Шалашилин В. И. Сопротивление материалов: Учеб. пос. 2-е изд., испр. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 544 с. -ISBN 5-9221-0181-1.

29. Горохов В. Д.Проектирование технологической оснастки: Учебник для студ. машиностроит. специальностей высш. учебных заведений. Мн.: "Бервита", 1997.-344 с.

30. Дроздов Н.А. К вопросу о вибрациях станка при токарной обработке // Станки и инструмент, 1937, № 22.

31. Даниелян A.M. Резание металлов и инструмент. М.: Машгиз, 1954.

32. Дыков А. Т., Ясинский Г. И. Прогрессивный режущий инструмент в машиностроении. «Машиностроение», 1972 г. 224 стр. Табл. 41. Ил. 144.

33. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов. М.: Машгиз, 1956.

34. Зорев Н.Н., Креймер Г.С. Высокопроизводительная обработка стали твердосплавными резцами при прерывистом резании. М.: Машгиз, 1961. -227с.

35. Ильницкий И.И. Колебания в металлорежущих станках и пути ихустранения. -М.: Машгиз, 1958, 144 с.

36. Карлов Н. В., Кириченко Н. А. Колебания, волны, структуры. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 496 с.

37. Каширин А.И. Исследование вибраций при резании металлов. Изд-во Академии наук СССР, 1944, 132 с.

38. Клушин М.И. Резание металлов. М.: Машгиз, 1958.

39. Копылов В. В. Разработка и исследование экспериментально-аналитической модели взаимосвязи стойкости сборных проходных резцов с параметрами их колебаний в процессе резания. Дис. к.т.н 2002.

40. Кошеленко А. С. Позняк Г. Г. Теоретические основы и практика фотомеханики в машиностроении. М.: Издательский дом «Граница», 2004. — 296 е.: ил.

41. Кибальченко А.В. Применение метода акустической эмиссии в условиях ГПС. М.: ВНИИТЕМР, 1986, 56 с.

42. Козочкин М. П. Виброакустическая диагностика технологических процессов. М.: ИКФ «Каталог» 2005. - 196 е.: ил.

43. Коновалов Е.Г., Галков B.C., Иванов Н.С. Акустическая эмиссия при141резании металлов // Докл. АН БССР, 1971, Т. XV, № 9, с. 796-798.

44. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. - 359 с.

45. Кунио У, Юичи К. Исследование механизма образования стружки посредством регистрации испускаемых звуковых сигналов. Annals of CIRP, 1984, Том 33, № 1, с. 71-74 (перевод № И-31829).

46. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчётов на трение и износ. -М.: Машиностроение, 1977, 526 с.

47. Лукина С. В. Повышение эффективности проектирования сборного режущего инструмента на базе установленных взаимосвязей конструкторско-технологических и экономических решений.

48. Лукина С. В., Левенкова Н.В. Исследование применения перспективных сверхтвердых инструментальных материалов.

49. Машиностроение. Энциклопедия/Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др.— М.: Машиностроение. Измерения, контроль, испытания и диагностика. Т. Ш-7 / В,В- Клюев, Ф.Р. Соснин, В.Н. Филинов и др.; Под общ. ред. В.В. Клюева. — 464 е.: ил.

50. Малыгин В.И., Лобанов Н.В. Модель напряженно-деформированного состояния режущего элемента сборного инструмента // Вестник машиностроения. 2000. - № 2. - С. 22-26.

51. Маслов Е.Н. Теория шлифование материалов. М.: Машиностроение, 1974.-320 с.

52. Малкин А. Я., Шустиков А. Д., Азаров В. А. Отчет по научно-исследовательской работе «Определение величины влияния факторов системы СПИД на уровень режимов резания и растачивания».

53. Малкин А. Я., Вольвачев Ю.Ф., Матвейкин В. В. Исследование статистических характеристик сборных резцов // Исследование динамики технологического оборудования и инструмента. М.: Из-во Университета Дружбы Народов, 1982. - С. 30-84.

54. Михайлов А. Ю. Обеспечение надежности сборных токарных резцов за счёт выбора их конструкций и рациональных условий эксплуатации. Дис. к.т.н 2002.

55. Особенности точения стали без применения СОЖ. //Г.В. Боровский, В.Н. Андреев. /ИТО, 2004, №8,с.30.

56. Остафьев В.А. Расчёт динамической прочности режущего инструмента. -М:Машиностроение, 1979. 168 с: ил.

57. Пальмов В. А. Колебания упругопластических тел. М.: Наука, 1976.328 с.

58. Половко А. М., Бутусов П. Н. MATLAB для студента. СПб.: БХВ-Петербург. 2005. - 320 е.: ил.

59. Подураев В.Н. Автоматически регулируемые и комбинированные процессы резания. М.: Машиностроение, 1977. - 304 с.

60. Подураев В. Н. Резание труднообрабатываемых материалов, М: Машиностроение, 1969. — 270 с.

61. Подураев В.Н., Барзов А.А., Горелов В.А. Технологическая диагностика резания методом акустической эмиссии. М.: Машиностроение, 1988, 56 с.

62. Подураев В.Н., Барзов А.А., Кибальченко А.В. Активный контроль износа инструмента методом акустической эмиссии // Вестник машиностроения, 1981, № 4, с. 14-19. (74)

63. Подураев В.Н., Кибальченко А.В. Идентификация сигналов акустической эмиссии // Известия вузов. Машиностроение, 1984, № 9, с. 65-66.

64. Подураев В.Н., Кибальченко А.В., Алтухов В.Н. Выбор оптимальных режимов резания и прогнозирование стойкости режущего инструмента в условиях ГПС // Вестник машиностроения, 1987, № 6, стр. 43-46.

65. Пономарев В. П., Батов А. С., Захаров А. В., и др. Конструкторско-технологическое обеспечение качества деталей машин — М.: Машиностроение, 1984.— 184 е.: ил.

66. Потапов В. А. Режущие материалы и инструменты: современные тенденции, www.stankoinform.ru

67. Потапов В. А. Третья международная конференция по высокоскоростной механической обработке, www.masters.ru

68. Позняк Г.Г. Повышение стабильности процесса резания на основе моделирования динамики рабочего пространства технологических систем: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. —1431. Москва, 1983.

69. Пытьев Ю. П. Математические методы интерпретации эксперимента: Учеб. пособие для вузов.—М.: Высш. шк., 1989. —351 с: ил.

70. Режущий' инструмент: А.С. ДОП. 1437150 СССР, МКИ4 В23В27/16/ А. А. Залесных, А. А. Зятиков, Ю. В. Трапезников. №4233633/25-08; Заявлено 87 04 22; Опубликовано 88 11 15, Бюл. №29.- 2 е.: ил.

71. Резец. Патент России № 2263008, кл. В23В 27/16 опубл. 27.10.05, бюл. № 30.

72. Рогов В. А. Методика и практика технических экспериментов: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений — М.: Издательский центр «Академия», 2005. — 288 с.

73. Рогов В. А. Разработка конструкций комбинированных подкладок для прецизионных резцов. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, 1998.

74. Рогов В.А. Разработка изделий из синтеграна для машиностроения.: М, Геотехника, 2001 г., 228 с.

75. Рогов В.А. Разработка и исследование конструкции и технологии изготовления деталей и сборочных единиц станков из высоконаполненного композиционного материала. Дис.к.т.н. 1986.

76. Розенберг Ю.А. Создание нормативов по определению сил резания с использованием теоретических зависимостей процесса резания // Вестник машиностроения. 2000. - № 9. - С. 35-40.

77. Самарский А. А., Михайлов А. П. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры. — 2-е изд., испр. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 320 с.

78. Самодуров Г.В. к.т.н., чл. корр. РИА Выступление на семинаре «Современные высокопроизводительные металлообрабатывающие технологии и оборудование к ним» 13 сентября 2006 г. в МГТУ им. Баумана Российская Ассоциация Станкоинструмент

79. Сахаров Г.Н., Арбузов О.Б., Боровой Ю.Л. и др. Металлорежущие инструменты: Учебник для вузов по спецальностям «Технология машиностроения», «Металлорежущие станки и инструменты» — М.:144

80. Машиностроение, 1989. 328 е.: ил.

81. Свириденок А.И. и др. Акустические и электрические методы в триботехнике Мн.: Наука и техника, 1987, 280 с.

82. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов СПБ.: Питер, 2003. — 608 е.: ил.

83. Смоленцев В.П., Смоленцев Г.П. Принципы управления качеством поверхности при комбинированных методах обработки // Труды 2-ой международн. конф. Гожуф, Польша. 1993. - С. 283-287.

84. Соколовский А.П. Жесткость в технологи машиностроения. Машгиз 1946. - 208 с.

85. Старков В.К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве. М.: Машиностроение, 1989. - 296 с.

86. Твёрдое точение. /ИТО, 2004, №8, с.20.

87. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. Перевод с английского. Изд.З 2007. 440 е.: ил.