Разработка направлений повышения качества токарной обработки с применением тангенциального вибрационного резания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат технических наук Солис Пинарготе, Нестор Вашингтон

• Солис Пинарготе, Нестор Вашингтон
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Солис Пинарготе, Нестор Вашингтон

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Обзор методов лезвийной обработки с применением ульт- д развуковых колебаний

1.1. История развития технологий ультразвуковой обработки

1.2. Исследования процессов, происходящих при ультразвуковом | ^ резании

1.3. Авторезонансная система

1.4. Выводы по обзору литературных источников и постановка 27 задач исследования

ГЛАВА 2. Приспособления, используемые при реализации процессов 30 ультразвукового точения.

2.1. Особенности процесса вибрационного резания

2.2. Анализ конструкции преобразователей для ультразвукового 34 точения

2.3. Расчет статической жесткости применяемого приспособле- 49 пия

2.4. Анализ динамической жесткости применяемого приспособ- 43 ления

2.5. Измерения фактических частот и амплитуды преобразователя.

2.5.1. Измерение частоты ультразвукового преобразователя

2.5.2. Измерение амплитуды ультразвукового преобразователя

2.6. Выводы по главе

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования ультразвукового резания с приспособлением, работающим на основе авторезонанса

3.1. Влияние ультразвуковых колебаний при резании на качество ^ получаемых поверхностей при обработке разных материалов

3.2. Особенности влияния СОТС на шероховатость поверхности при УЗ точении металлов

3.3. Влияние применения СОТС на динамическую характеристику УЗ преобразователя при ультразвуковом резании

3.4. Влияние СОТС при УЗ обработке хрупких материалов на шероховатость поверхности

3.5. Особенности износа инструмента при ультразвуковом резании с применением СОСТ с разными значениями вязкости

3.5.1. Дробный факторный эксперимент. Планирование эксперимента

3.5. Выводы по главе

ГЛАВА 4. Особенности образования стружки при ультразвуковом точении

4.1. Схема сил, действующих на стружку при лезвийной обра- ^23 ботке

4.2. Разработка представлений об особенностях влияния СОТС ^21 на УЗ резание

4.3. Экспериментальное подтверждение механизма влияния 130 СОТС на стружкообразование при УЗ точении

4.4. Автоколебательный характер образования стружки при вы- ^у нужденных УЗ колебаниях

4.5. Направления дальнейших исследований по результатам экс- <^39 периментов главы

4.6. Выводы по главе 141 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка направлений повышения качества токарной обработки с применением тангенциального вибрационного резания»

В настоящее время во всех отраслях промышленности, используются современные материалы с новыми физико-механическими характеристиками, позволяющие расширить их применения и создать новые технологии, которые позволят снизить стоимость производства и повысить срок службы изготовленных новыми материалами деталей.

Как всегда происходит, с появлением новых материалов должны появляться новые методы и технологии для их обработки. Ультразвуковой метод обработки является одним из таких перспективных методов.

Первые работы по ультразвуковой обработке материалов появились еще в середине 50-х годов XX века. Такие работы были проведены одновременно в России, США и Японии. В те времена, не смотря на интерес развития этой технологии, она не получила должного значения на производстве из-за разногласий мнений ее применения разными исследователями. Нужно сказать, что уровень технологии того времени тоже сыграл важную роль на возможность внедрения ультразвукового резания на производстве, так как появились проблемы, связанные с технологией проведения обработки, а также с настройкой и поддержанием резонанса ультразвукового оборудования в течение обработки материалов на разных режимах обработки резания.

В ходе изучения этого относительно нового метода обработки было установлено, что он является одним из перспективных методов обработки будущего, и это было связанно с его особенностями:

• Существенное снижение сил резания при обработке;

• Устранение нароста;

• Обеспечение доступа СОТС в зону резания;

• Снижение высоты микронеровности обработанной поверхности в несколько раз по сравнению с обработкой, на одинаковых режимах, без ультразвуковых колебаний инструмента;

• Снижение до минимума или отсутствие остаточных напряжений на обработанной поверхности после применения ультразвуковой технологии.

Все это было хорошо, но тогда для внедрения ультразвукового резания в промышленности нужно было еще решать проблему с поддержанием авторезонансного режима колебательной системы в течении всего процесса обработки при любых режимах резания.

Эта проблема была решена лишь в конце первого десятилетия XXI века с появлением прибора, работающего на авторезонансной основе.

Одной из ведущих компании, которая разработала такую систему, является Национальная Технологическая Группа (НТГ). НТГ после долгих лет работы под руководством профессора Асташева В.К. сумела разработать такую систему, поддерживающую авторезонанс для любых режимов резания. Теперь главными задачами, после разработки авторезонансной системы, являются наблюдения исследования за поведением авторезонансного прибора при обработке материалов, его влияние на качество получаемой поверхности и нахождение методов повышения эффективного ее применения. Один из предполагаемых методов повышения эффективности - применение СОТС в зону резания при ультразвуковом резании. Нужно сказать, что до настоящего момента не существовало механизма, объясняющего процесс, происходящий при ультразвуковом резании с применением СОТС. В этой связи представляется актуальным исследование влияния на качество обработанной поверхности при наложении ультразвуковых колебаний на режущий инструмент и нахождение методов повышения эффективности применения при ультразвуковом резании.

Целью работы является поиск направлений повышения качества токарной обработки в условиях применения тангенциального вибрационного резания.

Для достижения указанной цели в диссертации были поставлены следующие задачи:

1. Создание лабораторного стенда для изучения механизмов ультразвукового воздействия на процесс резания. Определение положительных и отрицательных факторов применения ультразвукового точения. Определение факторов, способных позитивно воздействовать на процесс ультразвукового точения.

2. Исследование влияния ультразвукового воздействия при точении на качество поверхности и поверхностного слоя, на формирование стружки.

3. Исследование динамических характеристик упругой системы ультразвуковой установки.

4. Исследование влияния ультразвукового воздействия на стойкость режущего инструмента, изучение природы этого влияния, определение путей повышения стойкости инструмента при УЗ воздействии на процесс резания.

5. Исследование влияния СОТС на процесс ультразвукового точения, изучение природы влияния СОТС на качество ультразвукового точения.

6. Разработка рекомендаций по совершенствованию ультразвуковых установок для ультразвукового точения, определение областей эффективного применения систем с вибрационным воздействием на процесс резания.

В экспериментах использовался прибор для ультразвукового точения, разработанный Национальной Технологической Группой. Проводились исследования на разных материалах и были использованы разные жидкости в качестве СОТС.

Научная новизна проведенной работы состоит в следующем:

1. Исследованы особенности разрушения твердосплавных пластин при УЗ воздействии и возможные в этих условиях методы повышения стойкости режущего инструмента;

2. Исследован механизм стружкообразования при УЗ воздействии в разрезе влияния на угол сдвига элементов стружки;

3. Установлено, что при вынужденном УЗ воздействии на отделяемый материал механизм сдвига элементов стружки может сохранять автоколебательный характер;

4. Выявлен основной недостаток конструкции УЗ установок с тангенциальным расположением волновода, заключающийся в их низкой динамической жесткости;

5. Показано, что под влиянием СОТС при УЗ резании может формироваться стружка с уникальными свойствами, заключающимися в формировании прирезцового слоя стружки с твердостью ниже исходной твердости обрабатываемого материала. Предложен механизм, объясняющий это явление и влияние СОТС на чистоту поверхности;

6. Поставлены задачи дальнейших исследований в области вибрационного резания, решение которых позволит повысить качество обработки и расширить диапазон скоростей резания с эффективным применением вынужденных колебаний.

Практическая значимость работы определяется следующим:

- расширена область знаний о динамике процесса резания;

- установлены основные причины малого объема внедрения УЗ точения в промышленности;

- разработаны направления изменения конструкции устройства для вибрационного резания и методы применения СОТС для повышения качества обработки и увеличения диапазона допустимых скоростей резания.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация в машиностроении», Солис Пинарготе, Нестор Вашингтон

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате исследований были достигнуты поставленные задачи.

1. Установлено, что применение тангенциального УЗ резания в устройствах, работающих на основе авторезонансной поднастройки, положительно влияет на качество поверхностного слоя. Применение УЗ резания эффективно в случаях, когда качество поверхностного слоя является важнейшим фактором. Это труднообрабатываемые и хрупкие материалы, роль которых с каждым годом растет.

2. Выявлен основной недостаток конструкции УЗ установок с тангенциальным расположением волновода, заключающийся в их низкой статической и динамической жесткости, что сказывается на шероховатости обработанной поверхности и стойкости инструмента. Радиальная жесткость обычного токарного резца в десятки раз выше типовой конструкции УЗ установки. Это дало основания рекомендовать к использованию в УЗ устройствах изгибные колебания инструмента с тангенциальными вибрациями вершины.

3. Исследованы особенности разрушения твердосплавных пластин при УЗ резании и возможные в этих условиях методы повышения стойкости режущего инструмента. Проведенные опыты показали, что основным негативным фактором является циклическая нагрузка на ТСП, переходящая в условиях низкой динамической жесткости в ударную, показали недопустимость концентраторов напряжений на поверхностях ТСП. В качестве мер по повышению стойкости ТСП при УЗ резании были рекомендованы: применение мелкодисперсных сплавов, доводка поверхностей ТСП, применение современных износостойких покрытий и СОТС с низким коэффициентом динамической вязкости.

4. Показано, что использование СОТС при УЗ точении хрупких материалов может давать негативные результаты за счет шаржирования обработанной поверхности частицами абразива, попадающими в СОТС. В связи с этим были даны рекомендации по введению принудительного обмена СОТС в зоне резания.

5. Показано, что под влиянием СОТС при УЗ резании может формироваться стружка с уникальными свойствами, заключающимися в формировании прирезцового слоя стружки с твердостью ниже исходной твердости обрабатываемого материала. Предложен механизм, объясняющий это явление и влияние СОТС на чистоту поверхности. Очень важным фактором для повышения эффективности обработки при УЗ резании является выбор СОТС в зависимости от ее вязкости и смачивающей способности. На основании полученных результатов предложено новое устройство для вибрационного резания, находящееся в состоянии оформления патентов, суть которого состоит в создании переменного давления СОТС, подаваемой в зону резания через саму ТСП. В связи с этим возник целый пакет задач дальнейших исследований: отработка параметров и режимов работы устройства, его влияние на стойкость инструмента, определение области эффективного применения. }

6. Исследован механизм стружкообразования при УЗ воздействии в разрезе влияния на угол сдвига элементов стружки. Установлено, что при вынужденном УЗ воздействии на отделяемый материал механизм сдвига элементов стружки может сохранять автоколебательный характер.

7. Среди задач дальнейших исследований, возникших в процессе настоящей работы, надо дополнительно отметить необходимость исследований роли эффектов расклинивающего давления и кавитационных процессов при вибрационном резании с применением СОТС на формирование стружки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Солис Пинарготе, Нестор Вашингтон, 2011 год

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий». М.: Наука, 1976г. 278с.

2. Агапов С.И. Определение истинной скорости резания при ультразвуковом зубофрезеровании. Агапов С.И. Материалы межвузовского сборника научных трудов "Прогрессивные технологии в машиностроении". — Волгоград, 2002. - с. 3 - 7

3. Агапов С.И., Парецкий Д.Е., Лукша О.Г. Ультразвуковое приспособление для зубодолбления для высосочастотных деталей. Материалы межвузовского сборника научных трудов "Прогрессивные технологии в машиностроении". Волгоград, 1999. - с. 3 - 5

4. Агапов С.И. Физические аспекты ультразвуковой механической обработки. Волгоградский государственный технический университет. Известия ВолгГТУ стр. 5-8. http://www.vstu.rU/research/pub/izvestiya/ptm/Q 1 .pdf

5. Асташев В.К., Бабицкий В.И., Герц М.Е. Адаптивная система управления ультразвуковым станком — Приборы и системы управления, 1977, №2, с. 11-12

6. Асташев В.К. Влияние ультразвуковых резца на процесс резания. Проблемы машиностроения и надежности машин. № 3, 1992. с. 81-86.

7. Асташев В.К., Герц М.Е. Возбуждение и стабилизация резонансных колебаний ультразвуковых стержневых систем. Акустический журнал, 1976, т. XXII, вып. 2, с. 192 - 200.

8. Асташев В.К., Андрианов H.A., Крупенин В.Л., Козочкин М.П., Со-лис Н.В, Колик Л.В. К реализации авторезонансной ультразвуковой технологии. Проблемы машиностроения и надежности машин № 06 2009. ст. 52 - 59

9. Асташев В.К. Настройка ультразвуковых станков под нагрузкой. Станки и инструмент, 1972, №10, с.32 34.

10. Асташев В.К., Бабицкий В.И. Методы повышения эффективности ультразвуковых станков. Станки и инструмент, 1982, №3, с.25 27

11. Асташев В.К.О нелинейной динамике ультразвуковых технологических процессов и систем. Вестник научно-технического развития №2, 2007.

12. Асташев В.К. Системы возбуждения авторезонансных вибротехнических устройств. Вестник научно-технического развития, №1, 2007.

13. Баранов В.Н. и др. Дробление стружки при точении вязких материалов. « Станки и инструмент», 1963, № 1.

14. Баранов В.Н., Захаров Ю.Е. Некоторые вопросы применения вибраций в технологии машиностроения. «Известия вузов», 1961, № 12.

15. Беляев И. М. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1976. — 608 с.

16. Боуден Ф.П. Тейбор Д. Трение и смазка. М.: Машиностроение, 1968, 542 с.

17. Буталов В.А. Технология металлов. М.: Металлургиздат, 1963. 512с.19. «Вибрационное резание металлов». М., ЦНИИТМАШ, 1962

18. Вижесундара Пемсири. Влияние сдвига фаз колебаний по отделным координатам упругой системы на износ токарных проходных резцов. Диссертация кандидата технических наук. М.: 1989, 208 с.

19. Вульф А. М. Резание металлов. Л. «Машиностроение», 1973. 496 с.

20. Дерягин Б. и Кусаков М. Экспериментальное исследование сольватации поверхностей в применении к построению математической теории устойчивости коллоидов. Изд. Академии Наук СССР.

21. Устройство контроля и управления резанием изделий из хрупких материалов. Патент на полезную модель № 102557 U1. Бюл. № 7 от 10. 03. 2011 (авторы: М. П. Козочкин, В. В. Юркевич, Н. В. Солис Пинарготе).

22. Зорев Н. Н. Вопросы механики процесса резания металлов. М., «Машгиз», 1956. 379 с.

23. Исаев А.И., Анохин B.C. Применение ультразвуковых колебаний инструмента при резании металлов Вестник машиностроения, 1961, № 5, с.56-62.

24. Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов». М., Машгиз, 1958.

25. Киселев Е., Ковальногов В. Ультразвуковое снятие технологических остаточных напряжений. Техномир №2 (38) 2008.

26. Кривоухов В.А. и Воронов A.A. Высокочастотные вибрации резца при точении. М., Оборонгиз, 1956.

27. Козлов А. А. Интенсификация процессов резания на основе анализа эффектов неизотермической неустойчивости упругопластической деформации в зоне стружкообразования и контактных явлений: докторская диссертация, Москва, 1997.

28. Козочкин М.П. Виброакустическая диагностика технологических процессов. М.: Каталог, 2005.

29. М.П. Козочкин, Н.В. Солис. Влияние охлаждающей жидкости на процесс резания с ультразвуковыми вибрациями. М.: Вестник РУДН №3 2011.В печати

30. Козочкин М.П, Солис Н.В. Исследование связи вибраций при резании с качеством получаемой поверхности. Вестник Российского университета дружбы народов, Инженерный исследования, 2009 №2. стр.16 23 Изд. РУДН.

31. Козочкин М.П., Солис Н.В. Особенности стружкообразования при лезвийной обработке с ультразвуковыми вибрациями. М. «Машиностроитель». Изд-во МАШИЗДАТ. №2, 2011 с. 29 35.

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

33. Кулемин A.B. Ультразвук и диффузия в металлах. М.: Металлургия, 1978.200с.

34. Кумабэ Д. Вибрационное резание: пер. с японского / Д. Кумабэ. -М.: Машиностроение, 1985. с. 423.

35. Кумабэ, Масуко, Изучение ультразвукового резания Translation Japan Society Mechanics Engineers, т. 24, № 138, 1958, 109 114.

36. Кузнецов В.Д. Физика твердого тела. Т. 3 — Томск: Красное знамя, 1944.

37. H.A. Малинина, В.Г. Малинин, Г.В. Малинин. Способы определения перемещений при изгибе в балках и рамах. Методические указания по выполнению расчетно-графической работы. Изд-во ОрелГТУ. Орел 2008, с.14.

38. Марков А.И. Резание труднообрабатываемых материалов при помощи ультразвуковых и звуковых колебаний. Машгиз. 1962. 330 с.

39. Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов. М.: Машиностроение, 1980. -237с. Ил. (Б-ка технолога).

40. Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов. М.: Машиностроение, 1968, 367 с.

41. Монтгомери Д.К. Планирование эксперимента и анализ данных: Пер с англ. JL: Судостроение, 1980.-384 с.

42. Нерубай М.С., Штриков Б.Л., Калашников В.В. Ультразвуковая обработка и сборка. Самара: Кн. Изд-во, 1995. - 191с.

43. Патент на полезную модель № 66237 от 10.09.2007 г., приоритет от1105.2007 г. «Устройство для возбуждения автоматической стабилизации резонансных колебаний ультразвуковых систем». Патентообладатель: ЗАО «Национальная Технологическая Группа» (RU).

44. Подураев В.Н., Захаров Ю.Е. Вибрационное резание при точении металлов. Станки и инструмент, 1959, № 2

45. Подураев В.Н. Обработка резанием жаропрочных и нержавеющих материалов. М. 1965.

46. Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрациями. М.: Машиностроение, 1970. стр. 350

47. Разинкин А.В. Термомеханические процессы при ультразвуковом резании металлов. Кандидатская диссертация. М.: 2008. 106с. = 1.24-1.26

48. Разумов-Раздолов К.Л. Обеспечение качества деталей из труднообрабатываемых материалов. РИТМ (Ремонт, Инновация, Технология, Модернизация) специальный журнал. № 5, 2008.

49. Редько С.Г. Точение колеблющимся резцами. «Станки и инструмент», 1953, № 3

50. Робакидзе 3. Ю. Ультразвуковая механическая обработка жаропрочных сплавов твердосплавным инструментом. Кандидатская диссертация. Волгоград, 2006

51. Розенберг Л.Д., Казанцев В.Ф., Макаров Л.О., Яхимович Д.Ф. Ультразвуковое резание. М.: Изд-во АН СССР, 1962.

52. Розенберг Л.Д. Физика и техника мощного ультразвука. Том. 3. Физические основы ультразвуковой технологии. Издательство «Наука», Москва. 1970. 690 с.

53. Рыжков Д.И. Виброгаситель ударного действия для гашения крутильных колебаний сверла. «Передовая технология машиностроения» М., изд-тво АН СССР, 1955.

54. Рыжков Д.И. Опыт устранения вибрации при скоростном точении. М. Машгиз, 1954.

55. Сатель Э.А. и др. Вибрационное сверление в нержавеющих и жаропрочных сталях. Вестник машиностроения, 1962, № 1.

56. Солис Н.В. Исследование связи вибраций при резании с качеством получаемой поверхности. Международная научно-практическая конференция «Инженерные системы 2009». М.: РУДН 2009. ст. 133 - 134.

57. Солис Н.В, Козочкин М.П. Определение угла сдвига стружки при ультразвуковом точении с помощью высокоскоростной видеосъемки. М.: Вестник РУДН №3 2010. ст. 60-65.

58. Солис Н.В. Применение высокоскоростной видеосъемки для исследования снижения силы резания при ультразвуковом точении. Международная научно-практическая конференция «Инженерные системы 2010». М.: РУДН 2010. ст. 140

59. Спиридонов A.A. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. М.: Машиностроение , 1981 г. 184с.

60. Улитин М.Н., Курицын И.Г. Сверление отверствий малого диаметра с применением электромагнитной вибраций. ИТЭИН, № Т-56-9/1, 1956.

61. Улитин М.Н., Деев Е.А. Станок и электромагнитной вибрацией для сверления малых отверстий. Тракторы и сельхозмашины, 1958, № 3.

62. Эрлих JI.B. Резание вибрирующим резцом. Всесоюзной конференции по машиностроению. Машгиз, 1946.

63. Astashev V.K., Andrianov N.A., Krupenin V.L., Kozochkin M.P., Solis N.W., Kolik L.V. On the implementation of Ultrasonic Technology. Journal of Machinery Manufacture and Reliability, 2009, Vol.38, № 6, pp. 566-571. Allerton Press, Inc.

64. Astashev V.K., Babitsky V.I. Ultrasonic cutting as a nonlinear (vibroimpact) process Ultrasonics, 1998, №6, p. 89 - 96

65. Astashev V.K., Babitsky V.I. Ultrasonic processes and machines. Dynamics, control and applications. Berlin. Springer. 2007.

66. Guido P.H. Gubbels. Diamond turning of glassy polymers. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven, 2006.

67. Kumabi Junichiro. "Dencukore, Electronician". 12, 1963, № 4.

68. Lehfeld W. "Industrie-Rundschau", 1961, № 2.

69. Shamoto E., Suzuki N., Hino R. Analysis of 3D elliptical vibration cutting with thin shear plane model. CIRP Annals Manufacturing Technology 57 (2008) 57-60.

70. Shamoto E. and Moriwaki T., "Fundamental study on elliptical vibration cutting," Proc. of the 8th Annual Meeting, ASPE, pp. 162 165, 1993.

71. Shamoto E. and Moriwaki T. Study on Elliptical Vibration Cutting. CIRP Annals Manufacturing Technology, Volume 43, Issue 1, 1994, Pages 35 - 38

72. Shamoto E., Moriwaki T., Suzuki H., Mizugaki J., Maeyasu Y. and Higashi Y. Ultraprecision Cutting of Molybdenum By Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting. American Society for Precision Engieering Publications (ASPE) Annual 2004

73. Shamoto E. Ultraprecision micro machining of hardened die steel by applying elliptical vibration cutting. The Japan Society of Mechanical Engineers, vol. 16, №2. December 2005.

74. Suzuki N., Haritani M., Yang J., Hino R., Shamoto E. Elliptical Vibration Cutting of Tungsten Alloy Molds for Optical Glass Parts

75. Moriwaki T. and Shamoto E. Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting. Annals of the CIRP. 1995 Volume 44, number 1. Pages 31-34.

76. М.П. Козочкин, Н.В. Солис. Влияние охлаждающей жидкости на процесс резания с ультразвуковыми вибрациями. -Вестник РУДН, Сер. Инженерные исследования. -М.: №3-2011. В печати.

77. Устройство для вибрационного резания цилиндрических деталей. Заявка № 2011113314 от 07. 04. 2011 (авторы: С. Н. Григорьев, М. П. Козочкин, Ф. С. Сабиров, Н. В. Солис Пинарготе).