Повышение работоспособности сменных твердосплавных пластин путем снятия внутренних напряжений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Чуйков, Роман Сергеевич

• Чуйков, Роман Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чуйков, Роман Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Понятие работоспособности режущего инструмента

1.2. Работоспособность режущих элементов из твердых сплавов

1.3. Основные сведения об инструментальных твердых сплавах (ИТС) и их разрушении

1.4. Анализ проведенных работ. Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

ПО ПОВЫШЕНИЮ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СМП

ПУТЕМ СНЯТИЯ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ИТС

2.1. Методика проведения экспериментальных исследований

2.2. Исследования физико-механических характеристик ИТС в зависимости от температуры

2.3. Математическая модель внутренних напряжений в ИТС

2.4. Способ определения внутренних напряжений методом аппроксимации

2.5. Существующие методы предварительного нагрева

2.6. Физическая модель предварительного нагрева режущей пластины на основе эффекта Пельтье

2.7. Выводы

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ ИТС

3.1. Определение внутренних напряжений по математической модели

3.2. Рентгенографическое определение внутренних напряжений

3.3. Снижение внутренних напряжений в ИТС путем предварительного нагрева СМП

3.4. Выводы

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1. Определение температур предварительного нагрева и максимальной работоспособности СМП из ИТС

4.2. Металлорежущий инструмент для снятия внутренних напряжений

4.3. Установка для регулируемого нагрева СМП из ИТС

4.4. Установка для автоматического поддержания температуры максимальной работоспособности СМП из ИТС

4.5. Практическая реализация результатов исследования

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение работоспособности сменных твердосплавных пластин путем снятия внутренних напряжений»

В настоящее время широкое применение при всех видах механической обработки резанием получили сборные инструменты со сменными многогранными пластинами (СМП) из инструментальных твердых сплавов (ИТС).

По данным ВНИИ инструмента опыт внедрения резцов с СМП показал преимущества по сравнению с напайным инструментом - это повышение стойкости пластин на 25-30%, уменьшение расхода инструментального твердого сплава в 2 раза, повышение производительности труда на 20-25%. Расход СМП при изготовлении деталей из труднообрабатываемых материалов резанием чрезвычайно велик. Производственная статистика показывает, что на долю отказов инструментов с СМП в результате разрушения пластин приходится 70-75%. При анализе видов отказов режущих пластин в производственных условиях установлено, что характерными видами разрушений являются выкрашивание, скалывание, поломка. Работоспособность режущего инструмента можно определить как способность выполнять обработку резанием с целью получения заданных форм, размеров и качества обработанных поверхностей с требуемой производительностью. Одним из критериев работоспособности является наработка на отказ, а применительно к инструменту -период стойкости. Факторами, влияющими на период стойкости являются: поломки, выкрашивание, скалывание и собственно износ.

Существует множество факторов, влияющих на работоспособность режущих инструментов из ИТС. В работе впервые поставлена проблема изучения влияния внутренних напряжений (напряжений II рода), возникающих в ИТС, как в материалах-композитах, при изменении температуры и разработка технических решений, их снимающих, что позволит существенно повысить работоспособность сменных твердосплавных пластин. Поэтому исследование внутренних напряжений ИТС в зависимости от температурного воздействия с целью повышения работоспособности сменных твердосплавных пластин является актуальной проблемой.

Автор выражает благодарность за помощь в формировании научных взглядов научному руководителю, доктору технических наук, профессору Артамонову Евгению Владимировичу и коллективу кафедры «Станки и инструменты» Тюменского государственного нефтегазового университета.

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

4.6. Выводы

1. Разработана методика снятия внутренних напряжений в ИТС путем предварительного их нагрева, позволяющая повысить работоспособность металлорежущих инструментов.

2. Разработана новая конструкция сборного металлорежущего инструмента с предварительным нагревом СМП, обеспечивающая снятие внутренних напряжений в пластинах (заявка №2004101575 от 19.01.2004 г. на патент на изобретение МПК 7 В23 В27/16).

3. Разработаны установки для регулируемого нагрева твердосплавных режущих пластин (патент на полезную модель № 38307) и для автоматического поддержания температуры максимальной работоспособности твердосплавной режущей пластины (полож. реш. о выдаче патента на полезную модель по заявке №2004123563 от 10.09.2004 г.), обеспечивающие повышение работоспособности СМП из ИТС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе проведены исследования, направленные на повышение работоспособности СМП из ИТС путем снижения внутренних напряжений.

1. Установлено экспериментально, что в ИТС, как в материалах-композитах, имеются внутренние напряжения, которые при комнатной температуре (20 °С) могут достигать значений, близких к предельным а„, и сниматься путем нагрева СМП до температуры 600 °С.

2. Разработана физическая модель, на основе которой создан метод снятия внутренних напряжений в ИТС путем предварительного нагрева СМП в сборном инструменте до начала процесса резания.

3. Установлено экспериментально, что снятие внутренних напряжений в СМП из ИТС практически исключает период приработки, а период нормального износа увеличивается, и соответственно существенно повышается работоспособность сборного инструмента.

4. Подтверждена рентгенографическим методом математическая модель для расчета внутренних напряжений в СМП из ИТС, разработанная научным руководителем.

5. Разработана методика снятия внутренних напряжений в СМП из ИТС путем предварительного их нагрева, позволяющая повысить работоспособность металлорежущих инструментов.

6. Разработана новая конструкция сборного металлорежущего инструмента с предварительным нагревом СМП, обеспечивающая снятие внутренних напряжений в пластинах (заявка №2004101575 от 19.01.2004 г. на патент на изобретение МПК 7 В23 В27/16).

7. Разработаны установки для регулируемого нагрева твердосплавных режущих пластин (патент на полезную модель № 38307) и для автоматического поддержания температуры максимальной работоспособности твердосплавной режущей пластины (полож. реш. о выдаче патента на полезную модель по заявке №2004123563 от 10.09.2004 г.), обеспечивающие повышение работоспособности СМП из ИТС.

8. Новые технические и технологические решения, разработанные на основе проведенных в работе научных исследований, защищены свидетельством и положительным решением по заявке на полезные модели и поданной заявкой на патент на изобретение, переданы для внедрения на 4 предприятия, в том числе оборонной промышленности, с ожидаемым экономическим эффектом в 668000 рублей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чуйков, Роман Сергеевич, 2004 год

1. А. с. 1247173 СССР, МКИ4 В 23 В 27/16. Резец для обработки труднообрабатываемых материалов. - Опубл. 1986. -Бюл. № 28.

2. А. с. 78767 СССР, Кл. В 23 В 1/00. Способ обработки металлов с подогревом в зоне резания электрическим током.

3. A.c. СССР № 1553260, МКИ5 В 23 В 27/16. Режущий инструмент Девяткина С.П. Опубл. 1990. - Бюл. № 12.

4. Аваков A.A. Физические основы теорий стойкости режущих инструментов. -М.: Машгиз, 1960.

5. Александров А.Я., Ахметзянов М.Х. Поляризационно-оптические методы механики деформируемого тела. М.: Наука, 1973. - 576 с.

6. Алифанов А.Я. Комбинированный инструмент для обработки труднообрабатываемых материалов // Технологическое обеспечение надежности и долговечности деталей машин: Сб. науч. тр. Ярославль: ЯПИ. 1987. - 108 с.

7. Андреев Г.С. Методика определения контактных поверхностей инструмента при периодическом прерывистом резании // Станки и инструменты. №11.1974.

8. Артамонов Е.В. Прочность и работоспособность сменных твердосплавных пластин сборных режущих инструментов. Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. - 192 с.

9. Артамонов Е.В., Ефимович И.А., Смолин Н.И., Утешев М.Х. Напряженно-деформированное состояние и прочность режущих элементов инструментов. -М.: Недра, 2001.- 199 с.

10. П.Артамонов Е.В., Костив В.М. Инструментальные твердые сплавы и их влияние на работоспособность металлорежущих инструментов: Учебное пособие. -Тюмень: ТюмГНГУ, 1998. 136 с.

11. Артамонов Е.В., Смолин Н.И. Расчет оптимального положения многогранныхнеперетачиваемых твердосплавных пластин в корпусе режущего инструмента // Информ. листок № 59-82. Тюменский ЦНТИ, 1982.

12. Бетанели А.И. Прочность и надежность режущего инструмента. Тбилиси: Сабчота сакартвело, 1973. - 304 е.: ил.

13. Бетанели А.И. Хрупкая прочность режущей части инструмента. Тбилиси: Грузинский политехнический ин-т, 1969. - 319 с.

14. Васильев Д.М. // ЖТФ. 1958. - Т. 28. - №1. - С. 25.

15. Верещака A.C. и др. Исследование теплового состояния режущих инструментов с помощью многопозиционных термоиндикаторов // Вестник машиностроения. 1986. - № 1. - С. 45-49.

16. Верещака A.C. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. -М.: Машиностроение, 1993.

17. Воронов Ф.Ф., Балашов Д.Б. // ФММ. 1960. - Т. 9. - №4. - 616 с.

18. Геворкян Р.Г. Курс физики. М.: Высшая школа, 1979. - 656 с.

19. Горбачева Т.Б. Рентгенография твердых сплавов. М.: Металлургия, 1985. -103 с.

20. ЗО.Зорев H.H., Креймер Г.С. Высокопроизводительная обработка стали твердосплавными резцами при прерывистом резании. М.: Машгиз, 1961. - 227 с.31.3орев H.H., Фетисова З.М. Обработка резанием тугоплавких сплавов. -М. ¡Машиностроение, 1976.

21. Избранные методы исследования в металловедении. / Пер. с нем. Под ред. Г.И. Хунгера. М.: Металлургия, 1985. - 416 с.

22. Кабалдин Ю.Г. Исследование разрушения режущей части твердосплавного инструмента при фрезеровании // Вестник машиностроения. 1981. - № 8. -С. 52-54.

23. Кабалдин Ю.Г. Трение и износ инструмента при резании // Вестник машиностроения. 1995, №1. - С. 26-31.

24. Кабалдин Ю.Г. Хрупкое разрушение режущей части инструмента // Вестник машиностроения. 1981. - № 7. - С. 41-42.

25. Кабалдин Ю.Г., Мокрицкий Б.Я., Семашко H.A., Тараев С.П. Современные методы конструирования, контроля качества и прогнозирования работоспособности режущего инструмента. Владивосток: Дальневосточный университет, 1990. - 122 с.

26. Киффер Р., Березовский, Твердые сплавы. -М.: Металлургия, 1971.

27. Ковальский А.Е. и др. // В сб. материалов по материаловедению и технологии изготовления металлокерамических твердых сплавов, тугоплавких металлов и соединений на их основе. Ч. II, ЦИИН ЦМ, 1963.

28. Креймер Г.С. Прочность твёрдых сплавов.- М.: Металлургия, 1966. 200 с.

29. Креймер Г.С., Сафонова О.С., Баранов А.И. // ЖТФ. 1955. - Т. XXV. Вып. I. -117 с.

30. Куклин Л.Г. Сагалов В.И., Серебровский В.Б., Шабашов С.П. Повышение прочности и износостойкости твердосплавного инструмента. М.: Машиностроение, 1968. - 140 с.

31. Лоладзе Т.Н. Износ режущего инструмента. М.: ГНТИМП, 1958. - С. 356.

32. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1982. - 320 с.

33. Лоладзе Т.Н., Ткемиладзе Г.Н., Тотчиев Ф.Г. Исследование напряжений в режущей части инструмента при переходных процессах методом фотоупругости // Сообщ. А.Н. Грузинской ССР. 1975. - №3.

34. Лошак М.Г. Прочность и долговечность твердых сплавов. Киев: Наукова думка, 1984-327 с.

35. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1976.-278 с.

36. Малкин А.Я. Исследование процесса резания металлов при обработке сталей высоких механических качеств: Дисс. ,. докт. техн. наук. Москва, 1949.

37. Металлорежущие инструменты. / Г.Н. Сахаров, О.Б. Арбузов, Ю.Л. Боровой и др.: Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 1989. - 329 с.

38. Надежность машиностроительной продукции. Практическое руководство по нормированию, подтверждению и обеспечению. М.: Издательство стандартов, 1990.-328 с.

39. Полетика М.Ф. Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента. М.: Машиностроение, 1969. - 148 с.:ил.

40. Полетика М.Ф. Контактные условия как управляющий фактор при элементном стружкообразовании // Прогрессивные технологические процессы в машиностроении: Сборник научных трудов. Томск: Изд-во ТПУ, 1997. - С. 6-13.

41. Полетика М.Ф. Теория резания. Часть I. Механика процесса резания: Учебное пособие. - Томск: Изд. ТПУ, 2001- 202 с.

42. Полетика М.Ф., Козлов В.Н. Контактные нагрузки и температуры на изношенном инструменте // Прогрессивные технологические процессы в машиностроении: Сборник научных трудов. Томск: Изд-во ТГТУ, 1997. - С. 18-21.

43. Полетика М.Ф., Красильников В.А, Напряжения и температура на передней поверхности резца при высоких скоростях резания // Вестник машиностроения. 1973. -№ 10. - С. 76-80.

44. Полетика М.Ф., Мелихов В.В. Контактные нагрузки на задней поверхности инструмента // Вестник машиностроения. 1967. - № 9. — С. 78-81.

45. Полетика М.Ф., Утешев М.Х. Исследование процесса резания поляризацион-но-оптическим методом // Известия Томского политехнического института. — Томск, 1964. -№. 114.-С. 114-118.

46. Полетика М.Ф., Утешев М.Х. К расчету режущей части инструмента на прочность. // Известия Томского ордена Трудового Красного знамени политехнического ин-та С.М. Кирова. Т. 133. - 1975.

47. Прибылов Б.П. Основы расчета режущего инструмента на прочность. М.: ВНИИ, 1966.

48. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. / Горелик С.С., Ска-ков Ю.А., Расторгуев JI.H.: Учебное пособие для вузов. 4е изд., доп и пере-раб. - М.: МИСиС, 2002. - 360 с.

49. Розенберг A.M., Еремин А.Н. Элементы теории процесса резания металлов. — М.: Машгиз, 1956. 319 с.

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

51. Розенберг Ю.А., Тахман С.И. Силы резания и методы их определения. Ч. I. Общие положения: Учебное пособие. - Курган: КМИ, 1995.

52. Розенберг Ю.А., Тахман С.И. Силы резания и методы их определения. Ч. II. Общие положения: Учебное пособие. - Курган: КМИ, 1995.

53. Рыкунов А.Н. Аналитический метод оптимизации процессов точения с учетом износостойких покрытий // Сб. трудов «Оптимизация операций механической обработки» / Под ред. Силина С.С. Ярославль: ЯПИ, 1986.

54. Силин Р.И., Мясищев A.A., Ковальчук С.С. Анализ процесса снятия стружки металла режущим клином // Известия вузов Машиностроение, 1989. - №2.1. С. 145-148.

55. Силин С. С. Метод подобия при резании металлов. М.: Машиностроение, 1979.-152 с.

56. Силин С.С., Баранов A.B. Расчет оптимальной скорости резания при зенкеро-вании сталей и сплавов // Станки и инструменты. 1989. - № 6. - С. 34.

57. Справочник по машиностроительным материалам. В 4 т. Т.2. Цветные металлы и их сплавы. / Под ред. Г.И. Погодина-Алексеева. - М.: Машиностроение, 1959.-640 с.

58. Талантов Н.В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента. -М.: Машиностроение, 1992.

59. Третьяков В.И. Металлокерамические сплавы. Металлургиздат, 1962.

60. Третьяков И.П., Киселев Н.Ф., Яцук Н.В. Исследование прочности режущих кромок инструмента при ударно-циклических нагрузках. // Известия вузов -М.: Машиностроение, 1970. -№10.

61. Третьяков В.И., Чапорова И.Н. Твердые сплавы: Сб. трудов ВНИИТС. -№1. -Металлургиздат, 1959. 191 с.

62. Туманов В.И. и др. // Изв. АН СССР. Серия "Металлургия и горное дело". -1964.-№1.- 170 с.

63. Уманский Я.С. Рентгенография металлов и полупроводников. М.: Металлургия, 1969. - 496 с.

64. Фрохт М. Фотоупругость. Т. II. / Пер. с англ. -М.: Л.ГОНТИ, 1950.

65. Хает Г.Л. Прочность режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1975. -168 с.

66. Чапорова И.Н., Чернявский К.С. Структура спечённых твёрдых сплавов. М.: Металлургия, 1975.-248 с.

67. Чуйков P.C., Трифонов В.Б., Артамонов Е.В. Металлорежущий инструмент повышенной работоспособности // Новые технологии нефтегазовому региону: Материалы 3-й региональной научно-практической конференции молодых ученых. Тюмень: ТюмГНГУ, 2004. - С. 20-21.

68. Ballhausen С. Stahl und Eisen, 1952, Bd 72, S.489.

69. Bernard R. Jernkontorets Annaler, 1963, v. 147, №1, p. 22.

70. Bock H., Hoffman H., Blumenauer H. Mechanische Eigenschaften von Wolframkarbid Kobalt - Legierungen. - Technik, 1976, 31, N1, S. 47-51.

71. Brams S.H. Iron Age, 1945, v.156. №13, p.55.

72. Chermant J.L., Osterstock F. Fracture Toughness and Fracture of WC-Co Composites.-J. Mat. Sei., 1976, №11, p. 1939-1951.

73. Engle E.W. Pow.Metal.,edit. by Wulff,ASM.GIeveland, 1942, p.436.

74. Felgar R.P., Lubahn I.D. Proceed. ASTM. 1957, v.57. p.770.

75. French D.N. J. Amer. Ceram. Soc., 1969, v. 52, №5, p. 267.

76. Gurland J. Trans. ASM, 1958, v. 50, p. 1063.

77. Irwin G.R., In «Structural Mechanics: Proceedings of 1st Symposium on Naval Structural Mechaniks» (J.N. Goodier, N.J. Hoff, eds.), Pergamon, New York, 1960.

78. Kerper M.G. a.u. Res. Nat. Bur. Standarts. 1958. v.61. №3, p. 149.

79. Kieffer R., Benesovsky F. Hartmetalle. 1965, Wien-New-York.

80. Koster W., Rauscher W.Z. Metallkunde. 1948, Bd 39, S.l 11.

81. Lardner E., Mc Gregor N.J. Inst, of Metals, 1951, v.80, p.369.

82. Nishimatsu C., Gruland J. Transact. ASM. 1960, v.52. p.469.

83. Pfau H., Rix W. Über den Gitterzustand und die Festigkeit des Wolframkarbid -Körnes im Hartmetallgefüge. Z. Metallkunde, 1952, Bd 43, №13, S. 440-443.

84. Riviere R., Bernard R.J. Phys. et Radium, 1958, v. 19, №12, p. 819.

85. Späht W. Einige Betrachtungen zum Festigkeitsverhalten von Hartmetallen. -Metall, 1958, Bd 12, №10, S. 925-929.

86. РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ Открытое Акционерное Общество

87. ТЮМЕНСКИЙ СТАНКОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ЗАВОД»

88. Повысить эффективность использования и уменьшить число отказов сборного режущего инструмента с СМП в 2-3 раза.

89. Повысить работоспособность сборного режущего инструмента с СМП из инструментальных твердых сплавов на 40-50 %.

90. Экономический эффект в расчете на год составляет 140 тыс. рублей.

91. От вуза: Прорек и поел Тюм!работе ованию сорвенский

92. Научный руввввдигель, д.т.н., профессор1. Е.В. Артамонов

93. От предприятия: Исполнитедьдьш директор ОАОстаця кзавод»1. Коротких1. Глав ОАОстанкостроительный завод»кии1. Т.В. Пашук1. Аспирант .1. P.C. Чуйков1. О 5"

94. Закрытое акционерное общество1. Тюменские авиадвигатели"п1. АКТо внедрении результатов научно-исследовательской работы

95. Повысить эффективность использования и уменьшить число отказов сборного режущего инструмента с СМП в 2-3 раза.

96. Повысить работоспособность сборного режущего инструмента с СМП из инструментальных твердых сплавов на 50-60 %.

97. Экономический эффект в расчете на год составляет 250 тыс. рублей.1. Аспирант1. P.C. ЧуйковfO 4

98. E-mail: [e-mail] к/с 30101810900000000797, БИК 047102797, OKOHX 14183на №от1. АКТо внедрении результатов научно-исследовательской работы

99. Исполнители: сотрудники ТюмГНГУ Артамонов Е.В., Чуйков P.C.1. Внедрение позволило:

100. Повысить эффективность использования и уменьшить число отказов сборного режущего инструмента с СМП в 2-3 раза.

101. Повысить работоспособность сборного режущего инструмента с СМП из инструментальных твердых сплавов на 50-60 %.

102. Экономический эффект в расчете на год составляет 98 тыс. рублей.1. От вуза:

103. Проректор по научной работе и послев^овскрму^ образованию профессор1. М. Ковенскийель,1. Е.В. Артамонов1. P.C. Чуйков

104. От предприятия: Генеральный директор ОАО «ГРОМ»1. А.П. Федин

105. Главный инженер ОАО «ГРОМ»i4kob

106. ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ1. ИНН 7203140310

107. Р/с 407Ö281090004Ö100845 ТФ ЗАО «СНГБ»625014, т. Тюмень пл. Хуторянского, ! т/ф ( 3452) 21-25-79о внедрении результатов научно-исследовательской работы

108. Исполнители: сотрудники ТюмГНГУ Артамонов Е.В., Чуйков P.C. Внедрение позволило:

109. Уменьшить число отказов сборного режущего инструмента с СМП в результате разрушения пластин в 2-3 раза.

110. Повысить работоспособность сборного режущего инструмента с СМП из инструментальных твердых сплавов на 50-60 %.

111. Экономический эффект в расчете на год составляет 180 тыс. рублей.чной работеобразованию профессор1. М. Ковенский

112. Научный руководитель, д.т.н,,/|рйфессор1. Аспирант1. Е.В. Артамонов1. P.C. Чуйков

113. От предприятия: Директор ООО «ИнОст»1. В.В. Моисеев

114. Главный инженер ООСК « И н Ост»1. СЛ. Кичатов