Повышение прочности инструмента для глубокого вибрационного сверления отверстий малого диаметра тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Копейкин, Евгений Анатольевич

• Копейкин, Евгений Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Копейкин, Евгений Анатольевич

Введение.

Глава 1. Анализ технологических особенностей процесса глубокого сверления и конструкций сверл при диаметре обработки 3-12 мм.

1.1. Особенности процесса глубокого сверления отверстий малого диаметра.

1.2. Современные конструкции сверл глубокого сверления отверстий малого диаметра.

1.3. Выводы.

1.4. Цель и задачи исследования.

Глава 2. Теоретические исследования характеристик прочности, жесткости и устойчивости стеблей сверл глубокого сверления.

2.1. Выбор метода исследования характеристик прочности и жесткости при кручении стеблей сверл глубокого сверления.

2.2. Использование мембранной аналогии и метода конечных элементов при расчете стебля сверла глубокого сверления на кручение.

2.3. Особенности расчета стебля сверла глубокого сверления на продольный изгиб.

2.4. Выводы.

Глава 3. Информационное обеспечение расчета стеблей сверл глубокого сверления на кручение и продольный изгиб при статической нагрузке.

3.1. Разработка алгоритма и особенности расчета стебля сверла глубокого сверления на кручение.

3.2. Обоснование выбора значения функции напряжений по внутреннему контуру сечений с отверстием при расчете на кручение.

3.3. Разработка алгоритма и программы расчета стеблей сверл для глубокого сверления на продольный изгиб.

3.4. Выводы.

Глава 4. Исследования и сравнительный анализ механических характеристик стеблей сверл для глубокого вибрационного сверления при статической нагрузке.

4.1. Испытания на кручение стеблей сверл глубокого вибрационного сверления.

4.2. Исследования и сравнительный анализ крутильной жесткости и прочности стеблей сверл, применяемых для глубокого вибрационного сверления.

4.3. Сравнительный анализ продольной устойчивости стеблей сверл глубокого сверления.

4.4. Выводы.

Глава 5. Исследования механических и технологических характеристик сверл глубокого вибрационного сверления при циклически изменяющейся нагрузке.

5.1. Параметры колебаний и особенности силовой нагрузки на инструмент при вибрационном сверлении

5.2. Усталостная прочность сверл для глубокого вибрационного сверления.

5.3. Определение частот собственных колебаний сверл для вибрационного сверления и условий возникновения резонанса при обработке.

5.4. Исследования технологических характеристик сверл глубокого вибрационного сверления.

5.5. Выбор конструкции сверла для глубокого вибрационного сверления в зависимости от условий обработки.

5.6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение прочности инструмента для глубокого вибрационного сверления отверстий малого диаметра»

В современном машиностроении достаточно широко используются изделия различного назначения, имеющие глубокие отверстия. Как известно, глубоким принято считать отверстие, если его глубина превышает диаметр в пять и более раз. Возникающие при обработке глубоких отверстий трудности связаны [24, 33, 37,66, 73, 79, 82 и др.]:

- с необходимостью в большинстве случаев подвода смазочно-охлаждающей технологической среды (СОТС) в зону резания;

- с необходимостью обеспечения гарантированного дробления стружки и отвода ее из отверстия;

- с низкой стабильностью работы технологической системы, низкой жесткостью и прочностью инструмента при сверлении отверстий малого диаметра.

Все это вызывает необходимость снижения режимов резания, использования специальных технологических решений, специального оборудования и оснастки.

Значительный вклад в исследование и совершенствование технологии обработки глубоких отверстий внесли И.С. Веремейчук, А.И. Павлючук, В.Н. Подураев, Н.Д. Троицкий, С.А. Черничкин, и др.

В данной работе исследуется возможность повышения прочности стебля (корпуса) сверл, используемых для вибрационного сверления глубоких отверстий малых диаметров (3. 12 мм) в вязких материалах. Обработка таких материалов характеризуется устойчивым образованием сливной стружки. Необходимость дробления сливной стружки при глубоком сверлении объясняется трудностью вывода ее из обрабатываемого отверстия, возможностью ее пакетирования и защемления в стружечной канавке сверла, что часто приводит к поломке инструмента [37, 43, 73].

В первой главе работы выполнен анализ особенностей глубокого сверления и конструкций сверл, применяемых для обработки глубоких отверстий малого диаметра; поставлены цель и задачи исследования.

Во второй главе осуществлены выбор метода теоретического исследования характеристик жесткости и прочности стебля сверл глубокого сверления при кручении, описание мембранной аналогии Прандтля и метода конечных элементов (МКЭ) применительно к решению поставленной задачи, отражаются особенности расчета стебля сверла для глубокого вибрационного сверления на продольный изгиб.

В третьей главе описывается реализация на персональном компьютере (ПК) расчета стебля сверла на кручение и продольный изгиб с помощью МКЭ в системе инженерных и научных расчетов "MATLAB

В четвертой главе описаны испытания на кручение стеблей сверл глубокого вибрационного сверления, дан сравнительный анализ их крутильной жесткости и прочности, а также продольной устойчивости при статической нагрузке на основе результатов численных экспериментов.

Пятая глава посвящена анализу механических и технологических характеристик сверл при циклически изменяющихся нагрузках, характерных для вибрационного сверления. Приводятся результаты экспериментальных исследований технологических характеристик сверл глубокого вибрационного сверления. На основании результатов сравнительного анализа прочности и жесткости конструкций различных сверл даны рекомендации по их выбору в зависимости от диаметра обработки.

Приводится конструкция сверла двустороннего резания с профилированными стружечными канавками, рекомендуемого для глубокого вибрационного сверления отверстий малого диаметра.

Результаты работы позволяют обоснованно использовать при вибрационном сверлении отверстий малого диаметра сверла с профилированными стружечными канавками, выбирать режимы резания на основе оценки характеристик жесткости и прочности стебля сверла глубокого сверления, устанавливать предельно допустимые значения сил резания при адаптивном глубоком сверлении.

Значительную практическую ценность представляет собой разработанный пакет расчетных программ, позволяющий быстро и с достаточной степенью точности произвести расчет на кручение и продольный изгиб стебля сверл глубокого сверления.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Копейкин, Евгений Анатольевич

Общие выводы

1. Исследованы возможности применения для глубокого вибрационного сверления отверстий малого диаметра сверл двустороннего резания, стружечные канавки которых получены профилированием трубчатой заготовки стебля. Установлено, что такие сверла по сравнению со сверлами, имеющими канавки, полученные обработкой резанием, обладают более высокой статической и усталостной прочностью стебля при кручении, позволяющей уменьшить число поломок инструмента. Их применение позволяет отказаться от использования специальных труб в качестве заготовки для стебля сверл диаметром 4 мм и более.

2. Сравнительный анализ жесткости и прочности при кручении стеблей сверл для глубокого вибрационного сверления отверстий малого диаметра, проведенный на основе результатов численных экспериментов, подтвердил низкие показатели крутильной жесткости и прочности стебля ружейного сверла. Его крутильная жесткость оказалась ниже крутильной жесткости стебля сверла с профилированными канавками ориентировочно на 18 %, а значение момента сопротивления при кручении - на 67 %. Анализ выявил также, что значение момента сопротивления при кручении стебля сверла с профилированными стружечными канавками ориентировочно на 16 % выше этого показателя для стебля с канавками, полученными обработкой резанием при близких значениях площади наружного контура и площади отверстия.

3. В результате анализа устойчивости стеблей сверл с фрезерованными и профилированными стружечными канавками установлено, что значения минимального осевого момента инерции сечения и критической силы для сверл двустороннего резания примерно равны при одинаковой площади стружечных канавок и площади отверстия для подвода смазочно-охлаждающей жидкости.

4. Анализ разработанных моделей траекторий перемещения главных режущих кромок инструмента при вибрационном сверлении показал, что выбор минимальной амплитуды на выходе вибратора станка, обеспечивающей прерывистое резание, должен производиться с учетом механических характеристик инструмента, а также податливости других элементов технологической системы, для чего может использоваться предлагаемая зависимость.

5. Проведенные экспериментальные исследования сверл для глубокого вибрационного сверления по стойкости, уводу оси отверстия и шероховатости обработанной поверхности показали, что с увеличением жесткости стебля стойкость инструмента повышается, а увод оси обработанного отверстия уменьшается; наложение вибраций на осевую подачу инструмента способствует уменьшению шероховатости поверхности отверстия, уменьшению величины увода оси отверстия.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Копейкин, Евгений Анатольевич, 2003 год

1. Абрамов О.В., Хорбенко И.Г., Швегла Ш. Ультразвуковая обработка материалов / Под. ред. О.В.Абрамова. - М. .Машиностроение, 1984. -280 с.

2. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов: Учеб. для вузов. М.: Высш. шк., 1995. - 560 с.

3. Ануфриев И.Е. Самоучитель MatLab 5.3/б.х. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. - 736 с.

4. Безухов Н.И., Лужин О.В. Приложение методов теории упругости и пластичности к решению инженерных задач: Учеб. пособие для втузов. -М.: Высш. шк., 1974.

5. Беспалов П.Н., Ляш Ю.Ф. Сверла повышенной жесткости для вибрационного глубокого сверления и особенности технологии их изготовления // Труды 10-й научной конференции, посвященной 40-летию Юр-гинского филиала ТПУ, Юрга, 1997. с 52-53.

6. Бидерман В.Л. Теория механических колебаний: Учебник для вузов. -М.: Высш. школа, 1980. 408 с.

7. Вибрации в технике. Справочник т 4. Вибрационные процессы и машины. Под ред. Э.Э.Левендела. М.: Машиностроение, 1981. - 509 с.

8. Вибрационное резание металлов/ Н.И. Ахметшин, Э.М. Гоц, Н.Ф. Ро-диков; Под ред. К.М. Рагульскиса. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд - ние, 1981.-392 с.

9. Вибросверление глубоких отверстий в труднообрабатываемых материалах. Технологические рекомендации TP 310, 1977. - 10 с.

10. П.Гордиенко Б.И., Краплин М.А. Качество инструмента и производительность. Изд-во Ростовского университета, 1974. - 580 с.

11. Горелик М.Е. Технологические возможности и область применения вибрационных способов обработки отверстий // Прогрессивная технология обработки глубоких отверстий: Сб. тезисов докладов 6-й Всесоюзной конференции. ЦНИИ информации, 1985. - с 21 - 22.

12. Дарков А.В., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов: Учеб. для техн. вузов 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1989. - 624 с.

13. Еланова Т.О., Хританкова О.И. Прогрессивный металлорежущий инструмент. Часть 3. Сверла:/ ВНИИТЭМР. М.: ВНИИТЭМР, 1992. - 52 с.

14. Жилис В.И. Исследование некоторых вопросов прочности спиральных сверл разных конструкций. Вильнюс: ЛитНИИНТИ, 1967. - 70 с.

15. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. -541 с.

16. Ильин М.М., Колесников К.С., Саратов Ю.С. Теория колебаний: Учебник для вузов / Под общ. ред. К.С. Колесникова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 272 с.

17. Иноземцев Г.Г. Проектирование металлорежущих инструментов: Учеб. пособие для втузов. М.: Машиностроение, 1984. - 272 с.

18. Иноземцев Г.Г. Царенко М.А. Проблемы жесткости и устойчивости глубокосверлильного инструмента малого диаметра // Известия вузов: Машиностроение, 1967. №4. с 107 - 112.

19. Клочко Н.А. Основы технологии пайки и термообработки твердосплавного инструмента. -М.: Металлургия, 1981. -200 с.

20. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени / Под ред. А.П.Гусенкова; 2-е изд. М.: Машиностроение, 1993. -364 с.

21. Кожевников Д.В. Современная технология и инструмент для обработки глубоких отверстий. Обзор. М.: НИИмаш, 1981. 60 с.

22. Кокарев В.И. Создание и исследование системы виброэжекторного сверления, повышающей эффективность обработки глубоких отверстий: Дисс. . д-ра техн. наук. -М.: МГТУ "СТАНКИН", 1995. -409 с.

23. Крымов В.В. Разработка и внедрение высокопроизводительных процессов, инструмента и оборудования для обработки резанием деталей из труднообрабатываемых материалов: Дисс. в виде научного доклада. . д-ра техн. наук. М.: МГТУ "СТАНКИН", 1999. -59 с.

24. Кумабэ Д. Вибрационное резание: Пер с яп. СЛ. Масленникова / Под. ред. И.И.Портнова, В.В.Белова. М.: Машиностроение, 1985. - 424 с.

25. Курилкин Б.Н. Расчет ружейного сверла на прочность // Прогрессивная технология обработки глубоких отверстий: Сб. тезисов докладов 6-й Всесоюзной конференции. ЦНИИ информации, 1985. - с 74 - 79.

26. Кущева М.Е. Повышение надежности сверл малого диаметра для обработки глубоких отверстий / Надежность режущего инструмента (Сборник статей). Киев: Техшка, 1972. с. 224-226.

27. Лукина С.В., Седов Б.Е., Гречишников В.А. Исследование напряженно деформированного состояния зубьев круглых протяжек численным методом конечных элементов // Вестник машиностроения. - 1997. -№3.-с22-24.

28. Манусипов Х.М., Павлов А.Н., Старочкина С.В. Трубчатое сверло // Машиностроитель. 1974. №11. с 23.

29. Металлорежущие инструменты: Учебник для вузов./ Г.Н.Сахаров, О.Б.Арбузов, Ю.Л.Боровой и др. М.: Машиностроение, 1989. - 328 с.

30. Метод конечных элементов в механике твердых тел / Под общ. ред. А.С.Сахарова, И.Альтенбаха. Киев: Вища школа, 1982. - 480 с.

31. ЗЗ.Минков М.А. Технология изготовления глубоких точных отверстий. -М.-Л.: Машиностроение, 1965. 176 с.

32. Немцев Б.А., Плужников С.К., Яковлев П.Д. Прогрессивная технология обработки глубоких отверстий диаметром 7-23 мм. Л.: ЛДНТП, 1989.-20 с.

33. Обработка глубоких отверстий / Н.Ф.Уткин, Ю.И.Княжев, С.К.Плужников и др.; Под общ. ред. Н.Ф.Уткина.- Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988. 269 с.

34. Общемашиностроительные нормативы режимов резания: Справочник: В 2-х т.: Т. 1 / А.Д. Локтев, И. Ф. Гущин, В.А. Батуев и др. М.: Машиностроение, 1991. -640 с.

35. Павлючук А.И., Фефелев И.А. Вибрационное сверление отверстий ружейными сверлами // Технология точного аппаратуростроения. Л.: Машиностроение. - 1977. - с 265-274.

36. Палей М.М. Технология и автоматизация инструментального производства: Учебник для вузов / Волглград. гос. техн. ун-т, Волгоград, 1995.-488 с.

37. Повышение эффективности обработки точных отверстий в машиностроении / Кирсанов С.В., Гречишников В.А., Схиртладзе А.Г., Кока-рев В.И., Короткое И.А. М.: Глобус, 2001. - 181 с.

38. Подураев В.Н., Сабельников В.В. Динамическая устойчивость стебля инструмента при глубоком сверлении / Известия вузов. Машиностроение, 1966. №11. с 12-15.

39. Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрациями. М.: Машиностроение, 1970. - 350 с.

40. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов MATLAB 5.x:- В 2-х т. Том 1. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999. - 366с.

41. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов MATLAB 5.x:- В 2-х т. Том 2.-М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999. 304с.

42. Применение метода конечных элементов при расчете сверла на кручение / В.А.Гречишников, В.И.Кокарев, Е.А.Копейкин, Н.А.Уваров, А.Ю.Цыбульский // СТИН. 2001. - №7. - с 3-5.

43. Прогрессивные режущие инструменты и режимы резания металлов: Справочник / В.И.Баранчиков, А.В.Жаринов, Н.Д.Юдина и др.: Под общ. ред. В.И.Баранчикова. -М.: Машиностроение, 1990. 400 с.

44. Расчет машиностроительных конструкций на прочность и жесткость / Н.НШапошников, Н.Д.Тарабасов, В.Б.Петров, В.И.Мяченков. М.: Машиностроение, 1981. -333 с.

45. Расчет на кручение стебля сверла для глубокого вибрационного сверления методом конечных элементов / В.А.Гречишников, В.И.Кокарев, Е.А.Копейкин, А.Ю.Цыбульский // Известия Томского политехнического ун-та. Т. 305. - Вып. 1. - Томск, 2002. - с. 208-213

46. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справчник/ В.И.Мяченков, В.П.Мальцев, В.П.Майборода и др.; Под общ. ред. В.И.Мяченкова. -М.: Машиностроение, 1989. 520 с.

47. Режущий инструмент: Альбом/ Под ред. В.А.Гречишникова. 4.1. -М.: Изд-во «Станкин», 1996. - 348 с.

48. Розин JI.A. Задачи теории упругости и численные методы их решения. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1998. - 531 с.

49. Сверло одностороннего резания и способы его изготовления: Пат. 2101141 Россия, МКИ6 В 23 В 51 / 06 / Терехов В.М., Каневских В.А., Шляхов С.Б.; АО Подольск, машиностроит. з-д. № 96116567 / 02; За-явл. 13.08.96; Опубл. 10.01.98, Бюл.№1

50. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979.-392 с.

51. Семенченко И.И., Матюшин В.М., Сахаров Г.Н. Проектирование металлорежущих инструментов. -М.: Машиностроение, 1963. 952 с.

52. Специальные сверла для обработки глубоких отверстий: Учеб. пособие / М.А.Царенко, С.Я.Приказчиков. Сарат. гос. техн. ун - т, Саратов, 1998.-76 с.

53. Справочник инструментальщика / И.А.Ординарцев, Г.В.Филиппов, А.Н.Шевченко и др.; Под общ. ред. И.А.Ординарцева. Л.: Машиностроение, 1984. - 272 с.

54. Справочник по сопротивлению материалов / Г.С. Писаренко, А.П. Яковлев, В.В. Матвеев. Киев: Наукова думка. - 1975, 704 с.

55. Тарасик В.П. Математическое моделирование технических систем: Учебник для вузов. Мн.: ДизайнПРО, 1997. - 640 с.

56. Теория резания. Физические и тепловые процессы в технологических системах: Учеб. для вузов/П.И. Ящерицын, М.Л. Еременко, Е.Э. Фельд-штейн.-Мн.: Выш. Шк., 1990.- 512 с.

57. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости / Пер. с англ. Под ред. Г.С.Шпиро, 2-изд. М: Наука, 1979. -531 с.

58. Троицкий Н.Д. Глубокое сверление. Л.: Машиностроение, 1971. - 176 с.

59. Туктанов А.Г. Получение глубоких отверстий в труднообрабатываемых материалах вибрационным сверлением // Прогрессивная технология обработки глубоких отверстий: Сб. докладов 4-й Всесоюзной конференции. М.: ЦНИИ информации, 1978. - с 159 - 164.

60. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: Учеб. для втузов. 10-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 590 с.

61. Филиппов Г.В. Режущий инструмент.- Л.: Машиностроение, 1981-392 с.

62. Филиппов Г.В., Синелыциков А.К. Сверление глубоких отверстий спиральными сверлами с внутренним подводом СОЖ. Л.: ЛДНТП, 1974. -66 с.

63. Фрумин Ю.Л. Комплексное проектирование инструментальной оснастки. -М.: Машиностроение, 1987. 344 с.

64. Холмогорцев Ю.П. Оптимизация процессов обработки отверстий. М.: Машиностроение, 1984. - 184 с.

65. Черничкин С.Д. Дробление стружки при сверлении глубоких отверстий

66. A study of the influence of superimposed low frequency modulation on the drilling process / Toews H.G., Compton W.D., Chandrasekar S.// Precis Eng.- 1998.-22, №1,-с 1-9.

67. Comparative testing of different drills for deep boring / Shabanov M., Lysenko V. // 17 Miedzynar. symp. nauk. stud, i mlod. prac. nauki, Zielona Gora, kwiec., 1995. T. 2. Zielona Gora, 1995. - C. 166-169.

68. Eichler R. Prozefisicherheit beim Einlippenbohren mit kleinsten Durchmessern / Diss. Dok. Ing. Fak. Konstruktions und Fertigungstechn. Univ. Stuttgart, 1996. - 154 s.