Повышение точности чистовой токарной обработки деталей из алюминиевых сплавов путём снижения температурных деформаций инструмента тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат технических наук Флоров, Алексей Вадимович

• Флоров, Алексей Вадимович
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Флоров, Алексей Вадимович

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЦЕЛЕЙ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Степень влияния температурных деформаций инструмента и заготовки на точность лезвийной обработки

1.2 Природа появления температурных деформаций инструмента и заготовок

1.3 Анализ работ, посвященный решению задачи теплового баланса в зоне резания

1.4 Анализ работ, посвященный температурным деформациям инструмента и

заготовки

1.5. Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Исследуемые материалы, методы обработки и оборудование

2.2 Используемые методы измерения температурных деформаций инструмента и заготовки

2.3 Методы расчета температурного поля и температурных деформаций

2.4 Методы статистической обработки данных

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ И ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ИНСТРУМЕНТА

3.1 Исследование влияния температурных деформаций инструмента и заготовки на точность обработки

3.2 Анализ распределения тепловых потоков возникающих при токарной обработке

3.3 Математическое моделирование температурного поля и температурных деформации инструмента

3.4 Выводы

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ОБРАБОТКИ НА ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ ИНСТРУМЕНТА, ПРОВЕРКА

АДЕКВАТНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

4.1 Влияние геометрических параметров инструмента на температурные деформации

4.1.1. Влияние радиуса при вершине резца на температурные деформации инструмента

4.1.2. Влияние переднего угла на температурные деформации инструмента

4.1.4. Влияние заднего и вспомогательного углов на температурные деформации инструмента

4.1.5. Влияние вылета и площади поперечного сечения резца на температурные деформации инструмента

4.2. Влияние режимов резания на температурные деформации инструмента

4.2.1. Влияние скорости резания на температурные деформации инструмента

4.2.2. Влияние подачи на температурные деформации инструмента

4.2.3 Влияние глубины резания на температурные деформации инструмента

4.3. Влияние окружающей среды на температурные деформации инструмента

4.4. Влияние теплофизических свойств и коэффициента линейного удлинения на температурные деформации инструмента

4.5. Расчет температурных деформаций инструмент

4.6. Проверка адекватности математической модели

4.7. Выводы

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА СПОСОБА СНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ

ДЕФОРМАЦИЙ ИНСТРУМЕНТА

5.1 Моделирование теплофизических свойств резца

5.2 Применение теплопроводной пасты в конструкции резца

5.3 Анализ снижения температурных деформаций за счет применения в

конструкции резца теплопроводной пасты

5.4. Выводы

6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение точности чистовой токарной обработки деталей из алюминиевых сплавов путём снижения температурных деформаций инструмента»

ВВЕДЕНИЕ

Одной из приоритетных задач развития нашей страны является отечественная космическая программа. При создании ракетно-космической техники нового поколения широко применяют наземные аэрогазодинамические испытания. Наземные испытания проводят на уменьшенных масштабно-весовых копиях элементов ракетно-космической техники, которые встраиваются в информационно-измерительные комплексы (ИИК), используемые при этом. Точность изготовления таких ИИК определяет точность результатов наземных испытаний. В настоящее время перед отечественным испытательным комплексом стоит цель - резко повысить точность наземных испытаний. Для достижения этой цели необходимо наладить производство высокоточных ИИК, отдельные элементы которых должны быть изготовлены по 4-5 квалитету точности. Большинство этих элементов изготавливаются из алюминиевых, в том числе специальных сплавов. В дальнейшем эти детали в составе ИИК проходят испытания в барокамере с глубоким вакуумом, что требует особого подхода при создании технологического процесса их изготовления. Особенностью данного технологического процесса, в первую очередь, является невозможность использования смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС).

Это связано с насыщением поверхностного слоя деталей элементами СОТС и с последующим выделением их в виде газа в барокамере, что не дает возможности получения достоверного эксперимента. Возникает необходимость размерной обработки без СОТС, что влечет за собой увеличение теплового напряжения в зоне резания. Вследствие чего, температурные деформации (ТД) инструмента и заготовки вырастают до значений превышающих указанные в конструкторской документации допуски.

Актуальность данной работы основывается также на тенденциях экологически чистого резания. По данным профсоюзов Германии 70% тяжелых хронических заболеваний дыхательных путей у рабочих следствие применения СОТС. Поэтому, отказ от СОТС является одной из главных задач в будущем.

Целью данной работы является повышение точности чистовой токарной обработки путём снижения температурных деформаций.

Работа выполнена в Институт конструкторско-технологической информатики РАН (ИКТИ РАН). На защиту выносятся:

1. Установленные причины появления температурных деформаций в заготовке;

2. Математическая модель для расчета температурных деформаций

резца;

3. Результаты теоретического и экспериментального исследования температурных деформаций инструмента и вызванных ими погрешностей при обработке заготовок из алюминиевых сплавов;

4. Установленные закономерности влияния установочной контактной поверхности твердосплавной пластины на температурные деформации инструмента;

5. Практические рекомендации и способ снижения температурных деформаций при обработке заготовок из алюминиевых сплавов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель расчета температурных деформаций резца при чистовой токарной обработке;

- установлены закономерности образования температурных деформаций и факторы их влияния на точность чистовой токарной обработки заготовок из алюминиевых сплавов;

- определены закономерности влияния основных характеристик установочных поверхностей твердосплавной пластины и державки на температурные деформации инструмента;

- разработан способ отвода тепла от режущего инструмента за счет применения теплопроводной пасты в конструкции резца (заявка на изобретение №2012151219 от 12.11.2012г).

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- создана удобная, для практического применения, математическая модель расчета температурных деформаций резца;

- разработаны рекомендации по снижению температурных деформаций инструмента;

- в ходе производственных испытаний на ОАО «НПО ИТ» установлено, что использование данного способа обеспечивает снижение температурных деформаций инструмента до трёх раз.

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 2 статьи в изданиях, аккредитованных ВАК. Основные положения диссертации доложены на международных и всероссийских конференциях.

Заключение диссертации по теме «Технология машиностроения», Флоров, Алексей Вадимович

б.Общие выводы по диссертации:

1. Установлена зависимость температурных деформаций инструмента и заготовки при чистовой токарной обработке заготовок из алюминиевых сплавов от параметров процесса резания. При этом основное влияние на точность оказывают температурные деформации инструмента.

2. Разработана математическая модель и алгоритм для расчета температурных деформаций инструмента, позволяющие оценить влияние температурных деформаций на точность обработки. Разработанная математическая модель, позволяет учитывать изменение температуры окружающей среды, теплофизические характеристики, изменение коэффициента теплоотдачи, изменение мощности резания и пр.

3. Путем расчетов и экспериментальных исследований определено влияние температурных деформаций инструмента на точность при чистовой токарной обработке заготовок из алюминиевого сплава. Установлено, что отклонения размеров детали из-за температурных деформаций инструмента соизмеримы с допусками на деталь, а иногда и превышают их.

4. Выявлено существенное влияние геометрических параметров режущей пластины на величину температурных деформаций инструмента. Наибольшее влияние оказывает радиус при вершине резца, его увеличение с 0.3 мм до 1.2 мм приводит к увеличению температурных деформаций в два раза, с увеличением переднего угла с 20° до 25° температурные деформации растут на 17%, изменения главного утла в плане с 90° до 45°снижают температурные деформации на 36%.

5. Выявлен характер влияния формы и шероховатости установочных поверхностей режущей пластины и державки на величину температурных деформаций. Установлено негативное влияние износостойкого покрытия, на установочной поверхности режущей пластины, на теплоотвод из зоны резания.

6. Разработан способ отвода тепла от режущего инструмента путем нанесения теплопроводной пасты на установочные поверхности режущей пластины и резцедержавки. Применение данного способа, при чистовой токарной обработке заготовок из алюминиевых сплавов, снижает температурные деформации инструмента до трёх раз.

7. Производственные испытания на ОАО «НПО ИТ», разработанного способа, показали возможность снижения температурных деформаций при чистовой токарной обработке алюминиевых сплавов до трёх раз.

8. Подана заявка на изобретение «Способ отвода тепла от режущего инструмента» (№2012151219 от 12.11.2012).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Флоров, Алексей Вадимович, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алферов В.И.. Исследование и расчет температурных полей и температурных деформаций прецизионных станков от колебаний температуры воздуха и от внутренних источников тепла. Автореф. дис. на соискание научной степени канд. техн. наук. - М.: ЭНИМС, 1980. - 19 с.

2. Антюфеева Т. П.. Повышение эффективности обработки алюминийсодержащих материалов на отделочных операциях путем применения экологически улучшенных СОТС. Кинешма 2002. с. 65-88.

3. Аршинов В.А., Алексеев Г.А.. Резание материалов и режущий инструмент. Изд. 3-е, перераб. и доп. Учебник для машиностроительных техникумов. М., «Машиностроение», 1975. - 440 с.

4. Балл Г.А.. Аппаратно корреляционный анализ случайных процессов. Издательство «Энергия», Москва 1968. - 159 с.

5. Безъязычный В.Ф..Влияние температурных деформаций детали и резца на точность обработки. «Вестник машиностроения», 1993,№5-6.

6. Боли Б., Уэйнер Д.. Тория температурных напряжений. Перевод с английского языка Силяна Ж.С., Шорра Б.Ф.. Издательство «МИР» Москва 1964.-517 с.

7. Бородачев H.A., Абдрашитов P.M., Веселова И.М.. Точность производства в машиностроении и приборостроении. Под ред. Гаврилова А.Н. , М., «Машиностроение», 1973. - 576 с.

8. Васин С.А. Верещака A.C. Кушнер B.C.. Резание материалов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании: Учеб. для техн. вузов. - М.: Статистика, 1975. - 264 с.

9. Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др. Композитные материалы. - М.: «Машиностроения» , 1990. - 512 с.

10. Верезуб М.В., Весткемпер Е., Внуков Ю.М.. Рабочие процессы высоких технологий в машиностроении «Харькивский державний політехнічний університет», Харьків, 1999. - 436 с.

11. Верещака A.C., Кушнер B.C.. Резание материалов. Учебник - М.: Высш. Шк., 2009. -535 с.

12. Верещака A.C., Табаков В.П.. Физические основы процесса резания и изнашивания режущего инструмента с износостойкими покрытиями. Учебное пособие УлГТУ, Ульяновск 1998. - 144 с.

13. Волосатов В.А.. Работа на ультразвуковых установках. Учебник для подготовки рабочих на производстве 2-е изд., испр., доп. - М.: Высшая шк. 1984. - 192 с.

14. Горелов В.М.. Резание металлов. Издательство «машиностроение», Москва 1966.-208 с.

15. Грановский Г.И., Грановкский В.Г.. Резание металлов. Учебник для вузов. - М.; «Высшая шккола» Москва 1985. - 304 с.

16. Гришин К.В. Разработка методов повышения точности чистовой обработки и её прогнозирования на основе анализа температурных деформаций. Дис. на соискание степени канд. тех. наук. Иваново,2007. - 126 с.

17. Даниелян A.M.. Теплота и износ режущего инструмента в процессе резания. -М.: Машгиз, 1954

18. Дерябин A.JI. Эстерзон М.А. Технология изготовления деталей на станках с ЧПУ и в ГПС. Учебное пособие для машиностроительных техникумов. - М.: «Машиностроение», Москва 1989 - 288 с.

19. Жуковская JI. А., Бокий Ю. Ф.. Металлокерамичекие конструкционные

__________„ АТГ Т/ЛПП Т Г____1 ATI - ^ г Г1

материалы, лп у v^v^r, ivweb 1У / Z. С. ZJ-J /.

20. Иванова B.M., Калинина B.H., Нешумова J1.A. и др.. Математическая статистика. - М.: «Высшая школа», 1981.-371 с.

21. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. Перевод со второго английского издания под редакцией проф. A.A. Померанцева. Издательство «Наука», Москва 1964. - 487 с.

22. Катаев Ю.П., Павлов А.Ф., Белоног В.М.. Пластичность и резание металлов. М.: Машиностроение, 1994. - 144 с.

23. Каштальян И.А.. Разработка и исследование методов повышения производительности и точности обработки на токарных станках с ЧПУ регулированием подачи. Дис. На соискание уч. степени канд. техн. наук. -Л.:ЛПИ,1969. - 19 с.

24. Коваленко A.B. Точность обработки на станках и стандарты. - М.: Машиностроение, 1992. - 158 с.

25. Коздоба JI.A.. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. Издательство «Наука» Москва 1975. - 227 с.

26. Колев К.С. Вопросы точности при резании металлов. - М.: МАШГИЗ, 1961.- 134 с.

27. Корсаков B.C.. Точность механической обработки. МАШГИЗ, Москва 1961.-379 с.

28. Кошкин В.К., Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А.. Нестационарный теплообмен. М., «Машиностроение», 1973. - 328с.

29. Кривоухов В.А., Петруха П.Г.,Бруштейн Б.Е.. Резание конструкционных материалов, режущие инструменты и станки. Издательство «Машиностроение» Москва 1967.-654 с.

30. Лобанов Д.В., Янюшкин A.C.. Подготовка режущего инструмента для обработки композиционных материалов: монография, - Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2011.- 192 с.

31. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. - М.:

Л Я------------------- 1 с\пс. по ~

iviaLLmfiucipuci-mc, iy/\j. — ¿./о

32. Лыков A.B., Берковский Б.М.. Конвекция и тепловые волны. Издательство «Энергия», Москва, 1974. - 335 с.

33. Макарова Т. А.. Повышение точности чистового точения путем прогнозирования и компенсации доминирующих составляющих погрешности обработки.

34. Медведев Д.Д.. Точность обработки в мелкосерийном производстве. - М.: Машиностроение, 1973. - 120 с.

35. Митропольский A.K. Техника статистических вычислений. Государственное издательство физико-математической литературы, Москва 1961.-479 с.

36. Мондольфо Л.Ф.. Структура и свойства алюминиевых сплавов. Перевод с английского по редакцией Квасова Ф.И., Строганова Г.Б., Фридляндера И.Н., «Металлурги», Москва 1979. - 639 с.

37. Мотовиловец И.А.. Теплопроводность и тел вращения. Издательство «Наукова думка», Киев 1969. - 143с.

38. Налимов В.В.. Теория эксперимента. Издательство «Наука», Москва 1971.-280 с.

39. Никитенко Н.И. Теория тепломассопереноса. «Наукова думка», Киев 1983.-352 с.

40. Никитенко Н.И. Сопряженные и обратные задачи тепломассопереноса. «Наукова думка», Киев 1988. - 240 с.

41. Островский В.Ф.. Температурные деформации, возникающие в токарно-револьверных станках от внутренних источников тепла и их исследований. Машиностроение, оборудование ремонт и эксплуатация. - Красноярск, 1975. 72 с.

42. Панова О.Г.. Повышение эффективности операций хонингования на основе анализа температурных деформаций инструмента и детали: Дис. на соискание степени канд. тех. наук. Рыбинск 2004. - 169 с.

43. Петруха П.Г., Марков А.И., Беспахотный П.Д.. Технология обрабтки конструкционных материалов. -М.: Высш. шк. 1991. - 512 с.

44. Полтавцев А.Ф. Соколов А.. Методы контроля регистрации и снижения температуры и тепловых деформаций металлорежущих станков. НИИМАШ, обзор 1982.-36 с.

45. Проник A.C. Надежность машин. - М.: Машиностроение, 1978.

46. Резников А.Н.Резников JI.A.. Современное состояние и задачи дальнейшего изучения теплофизики резания металлов. Вестник машиностроения . №5-6, 1993.

47. Резников А.Н., Резников Л.А.. Тепловые процессы в технологических системах. Учебник для вузов по специальности «Технлогоия машиностроения» и «Металлорежущие станки и инструменты». - М.: «Мшиностроение», Москва 1990.-288 с.

48. Резников А Н.. Теплофизика резания. «Машиностроение». 1969. - 288с.

49. Рохин В.Л. Исследование и прогнозирование точности надежности токарных патронных станков с ЧПУ. Автореф. дис. На соиск. Уч. Степени канд. техн. наук. -М.: МВТУ, 1959. - 73-75 с.

50. Рыжов Э.В. Исследование температурных деформаций резцов. - Вестник машиностроения. №4,1959. - 73-75 с.

51. Сахов В. Б., Сыроегина Н. А., Парманин О. А.. Порошковая металлургия и чистовая обработка деталей поверхностным пластическим деформированием в приборостроении. Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт имени В. И. Ульянова (Ленина) 1981. с. 45-48.

52. Семенов В.В. К вопросу о методике оценке эффективности исследований процесса резания. В сб. «Научная школа В.Н. Латышева». - ИвГУ, Иваново 1999.-39-40 с.

53. Серебряный Ю.Л. Повышение точности обработки на основе анализа температурных деформаций заготовок. Дис. на соискание степени канд. тех. наук. Москва, 1988. - 164 с.

54. Силин С.С.. Аналитический метод определения обрабатываемости резанием сталей и сплавов на основе совместного изучения механических и тепловых явлений. Вестник машиностроения, №5-6, 1993.

55. Силин С.С.. Метод подобия при резании материалов. - М.: «Машиностроение» , Москва 1979. - 152 с.

56. Соломенцев Ю.М. Косов В.Г.. Моделирование точности при проектировании процессов механической обработки. Митрофанов. - М.: НИИМАШД984. - 56 с.

57. Соколов Ю.Н. Температурные расчеты в станкостроении. - М.: Машиностроение, 1968. - 77 с.

58. Соколовский А.П. Расчет точности обработки на металлорежущих станках. - М.: МАШГИЗ, 1952. - 274 с.

59. Справочник технолога машиностроителя Т.1. Под редакцией Косиловой А.Г., и Мещерякова. -М.: Машиностроение, 1985. - 656 с.

60. Сулима A.M. Шулов В.А. Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М: Машиностроение, 1988.-240 с.

61. Суслов А.Г. Дальский A.M.. Научные основы технологии машиностроения. -М.: Машиностроение,2002. - 684 с.

62. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М: Машиностроение 2000.-320 с.

63. Татьянченко А.Г. Влияние температурных деформаций детали и инструмента на искажение профиля продольного сечения отверстия при развертывании. Интернет ресурс http://www.nbuv.gov.ua/portal/ natural/Npdntu/Mim/2005/14.pdf

64. Талантов Н.В.. Физические основы процесса резания и износа инструмента. Издательство «Волгоградская правда», Волгоград 1988. - 129 с.

65. Талантов Н.В.. Температурно-деформационные закономерности прцесса резания. Оптимизация процессов резания жаро- и особопрочных материалов. -Уфа,1984.

66. Третьяченко Г.Н., Грачева Л.И. Термическое деформирование неметаллических деструктирующих материалов . «Наукова думка», Киев 1983.

_ ?ZLR Г

^ IV/ Vi

67. Туманов А.Т., Ф.И. Квасов Ф.И., Фридляндер И.Н.. Алюминий. Перевод с англ. М., «Металлургия», 1972. - 664 с.

68. Федорченко И. М., Андриевский Р. А.. Основы порошковой металлургии, К. 1961. с. 18-66.

69. Фокин В.М., Бойков Г.П., Видин Ю.В.. Основы технической теплофизики. Издательство «Машиностроение-1» Москва 2004. - 172 с.

70. Черневский JI. В.. Повышение эффективности производства при токарной обработке деталей подшипников. М. -ВНИПП. 1984. с. 78-104.

71. Ящерицин П.И. Фельдштейн Е.Э. Корниевич М.А.. Теория резания. Учебник. -Мн.: Новое знание, 2005. - 512 с.

72. Ящерицын П. И., Цокур А. К., Еременко Н. Д.. Тепловые явления при шлифовании и свойства обработанных поверхностей. Минск: Наука и техника, 1973.- 184 с.

73. Ящерицын П. И., Зайцев А. Г., Барботько А. И.. Тонкие доводочные процессы обработки деталей машин и приборов. Минск: Наука и техника, 1976. - 328 с.

74. Herwig Nielsen, Waldemar Hufnagel, Georg Ganoulis. Алюминиевые сплавы (свойства, обработка, применение). Перевод с немецкого под редакцией Дрица М.Е., Райтбарга J1.X., «Металургия», Москва 1979. - 679 с.

75. Monoronjak К.Р. A study of methods to minimize thermal deformation and their effect on the working accuracy of machining tools. - Proc. Int. Conf. Prod. Eng., NewDehly, 1977, v.l, Calcutta, -p.98-112.

76. Okushima K. Kakino Y. Compensation of thermal displacement by coordinate system correction. CIRP Anns., 1975, v.24. №1. p. 327-331.

77. Shuijin L. Yunfei Z. Моделирование сил резания при фрезеровании концевой фрезой со сферической режущей частью. Huazhong ligong daxue xuebao J. Huazhong Univ. Sci. and Technol.2000. Вып.28. №6. - с.99-113.

78. Spur G. Thermal behavior of NC machine tools. P. de Haas. Int. Mach. Tool. Des. and Res. Conf. Manchester 1973. - London, 1974. - p. 267-272.

nr\ т_____u:„ т с т о______i__________„.c^__1 :______x\,„. ____

/у. jawrnui l. о. rci j. L-unipicnciiMvc cvtuutiuuii oi iuui nibciii iul uup uunuui

using fuzzy modeling of machinability parameters. Trans. NAMRI, 1993. №21. - c. 205-213.

80. Yoshida Y. Thermal deformation of machine tools and its compensation. -CIRP Anns, №4, 1978. P. 163-169.

81. Руководство по металлообработке (Технический справочник фирмы «SANDVIK»).