Совершенствование проектирования и эксплуатации токарных резцов с криволинейной передней поверхностью на основе математического моделирования формирования стружки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Скворцов, Дмитрий Сергеевич

• Скворцов, Дмитрий Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Скворцов, Дмитрий Сергеевич

Обозначения и сокращения.

Введение.

1 Современное состояние проблемы прогнозирования, оптимизации и управления процессом завивания и дробления сливной стружки.

1.1 Повышение эффективности автоматизированной механической обработки на основе получения благоприятной формы стружки.

1.2 Классификация и анализ современных способов получения благоприятной формы стружки.

1.3 Проблемы моделирования и оптимизации процесса завивания и дробления стружки.

1.4 Цель и задачи исследования.

2 Математическое моделирование формообразования и дробления сливной стружки при резании инструментом со стружкозавивающей поверхностью.

2.1 Физическая природа завивания и дробления сливной стружки.

2.2 Расчетное определение геометрических параметров срезаемого слоя и начального угла схода стружки с передней поверхности инструмента при несвободном резании материалов.

2.3 Моделирование завивания стружки в плоскости ее схода.

2.4 Моделирование процесса завивания стружки в плоскости передней поверхности инструмента.

2.4.1. Расчет боковой кривизны стружки.

2.4.2. Расчет угловых параметров схода стружки.

2.5 Моделирование завивания стружки в плоскости ее поперечного сечения.

2.6 Моделирование пространственного формирования стружки инструментом с криволинейной передней поверхностью сложного профиля.

2.7 Моделирование процесса дробления сливной стружки.

2.8. Выводы по второй главе.

3 Компьютерное прогнозирование и системный анализ процессов формообразования и дробления стружки при резании материалов.

3.1 Автоматизированная система прогнозирования параметров схода стружки с инструмента.

3.2 Экспериментальная проверка модели формообразования стружки и оценка надежности работы автоматизированной системы.

3.3 Системный анализ причинно-следственных связей процессов образования, завивания и дробления сливной стружки.

3.4 Выводы по третьей главе.

4 Совершенствование конструкций и технологии эксплуатации инструментов со стружкозавивающей поверхностью.

4.1 Создание новых конструкций СМП на основе автоматизированной системы прогнозирования формы и направления схода стружки с инструмента.

4.2 Программное динамическое управление стружкодроблением.

4.3 Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование проектирования и эксплуатации токарных резцов с криволинейной передней поверхностью на основе математического моделирования формирования стружки»

Актуальность темы

Эффективность обработки материалов резанием в значительной степени зависит от вида сходящей с инструмента стружки и надежности ее удаления из зоны резания и от станка. Стабильное получение благоприятной формы стружки часто является решающим фактором при организации малолюдной автоматизированной механической обработки. В условиях, когда операции установки, обработки, контроля, снятия детали, смены инструмента, транспортировки стружки выполняются автоматически, нарушение процессов устойчивого завивания и дробления стружки неизбежно влечет за собой возникновение аварийных ситуаций и нарушение технологического процесса.

Поиски решения проблемы стабильного получения благоприятной стружки привели к появлению множества различных методов. Наиболее эффективными из них являются способы управления сходом стружки путем создания сменных многогранных пластин (СМП) со сложной криволинейной формой передней поверхности. Производственный опыт и лабораторные исследования показывают, что при оптимальном сочетании геометрических параметров СМП и режимов резания удается не только получать компактную форму стружки, но и добиться повышения работоспособности инструментов и качества обрабатываемых поверхностей деталей.

Вместе с тем, приходится признать, что в настоящее время теория проектирования и эксплуатации инструментов со стружкозавивающей передней поверхностью находится на стадии своего развития. До сих пор разработка новых и усовершенствование существующих конструкций СМП осуществляется эмпирическим путем на основе длительных исследований. Отсутствие научно-обоснованного подхода к назначению геометрии лезвийных инструментов переводит эту задачу на уровень изобретательства. Остается нерешенной и проблема выбора оптимальных конструкций СМП для конкретных условий обработки. Очевидно, что целенаправленные действия по развитию методов проектирования и эксплуатации инструментов с СМП возможны лишь при полном представлении об особенностях формирования стружки инструментом со сложной формой передней поверхности и механики ее разрушения в процессе резания.

Недостаточная изученность процесса стружкообразование и научно-практическая значимость вопросов рационального проектирования и эксплуатации инструментов с криволинейной передней поверхностью обусловили актуальность и выбор темы диссертации.

Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой научно-технической программой по гранту Минобразования и науки 2005 г. «Снижение энергетических затрат при механической обработке материалов на основе оптимизации технологических условий резания с учетом получения благоприятной формы стружки» (тема РИ-111/001/007).

Цель и задачи исследования. Целью исследований является повышение эффективности проектирования и эксплуатации токарных резцов со сложной формой стружкозавивающей поверхности. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить системный анализ причинно-следственных связей процессов образования, завивания и дробления стружки, при точении пластичных материалов.

2. Разработать математические модели пространственного формирования сливной стружки и ее разрушения при резании пластичных материалов инструментом со сложной формой стружкозавивающей передней поверхности.

3. Разработать автоматизированную систему проектирования режущих пластин со сложной формой передней поверхности и прогнозирования параметров схода стружки с инструмента.

4. Создать новые конструкции резцов с улучшенным отводом стружки из зоны резания.

5. Разработать научно-обоснованные рекомендации по проектированию и эксплуатации сборных резцов, оснащенных СМП со сложной формой стружкозавивающей поверхности.

Методы исследования. Задачи, поставленные в работе, решались экспериментальными и теоретическими методами. В теоретических исследованиях применены основные положения теории резания материалов и проектирования инструментов, теории пластичности и упругости, методы математического и компьютерного моделирования, теоретической механики. Исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием промышленного оборудования и современных измерительных средств. Обработка результатов экспериментов проводилась методами математической статистики.

Автор защищает

1. Математическую модель пространственного формирования стружки при резании инструментом со стружкозавивающей поверхностью.

2. Методы расчета и количественные зависимости параметров схода стружки от технологических условий обработки инструментом с криволинейной передней поверхностью.

3. Методы получения благоприятной формы стружки, основанные на управлении ее завиванием в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.

4. Новые конструкции резцов с СМП, обеспечивающие получение БФС.

5. Автоматизированную систему прогнозирования формы стружки и получения на ее основе практических рекомендаций по проектированию и эксплуатации сборных резцов, оснащенных СМП со стружкозавивающей передней поверхностью.

Научная новизна заключается в установлении количественных закономерностей пространственного формирования стружки при резании пластичных материалов резцами со сложной формой передней поверхности, развитии методов естественного и принудительного стружкодробления.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Разработана автоматизированная система прогнозирования параметров схода стружки при резании пластичных материалов, позволяющая повысить эффективность проектирования и эксплуатации резцов с СМП. Развито направление естественного управления формой стружки за счет интенсификации ее завивания в плоскости поперечного сечения. Созданы новые конструкции СМП с расширенными технологическими возможностями. Новизна конструкций подтверждена патентом (патент РФ № 2237549). Разработана методика расчета периодичности принудительного стружкодробления многовитковой сливной стружки.

Результаты работы приняты к внедрению на ОАО «Мотордеталь», ООО «Костромской завод автоматических линий». Материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедре «Технология машиностроения» Костромского государственного технологического университета.

Апробация работы. Основные положения и результата диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции «Технологическое обеспечение и автоматизированное управление параметрами качества поверхностного слоя, точности обработки детали и сборки газотурбинных двигателей» (Рыбинск 2007г.), Международной юбилейной технической конференции «Проблемы формообразования деталей при обработке резанием», посвященной 90-летию со дня рождения С. И. Лашнева (г. Тула, 2007г.), Международной школе-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов им. П. А. Соловьева и В. Н. Кондратьева «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых решений» (Рыбинск, 2006г.), Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков (Рыбинск, 2002г.), межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов, посвященной памяти Смирнова Е. А. «Студенты и молодые ученые университета - развитию науки и производства Костромской области — 2000 (Кострома, 2000г.).

Публикации результатов исследований. Основное содержание диссертации опубликовано в 14 научных работах объемом 3.9 п.л., из них авторских 2,1 п. л., в том числе в 3-х статьях в центральных изданиях, 1-м патенте, 7-и статьях в сборниках научных трудов, 2-х материалах научных конференций, 1 тезисов докладов.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 71 наименования и приложения. Работа изложена на 240 стр., содержит 133 рисунка, 1 таблицу.

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

4.3 Выводы по четвертой главе

1. Разработана методика оптимизационного расчета переменных вдоль режущей кромки инструмента параметров стружкозавивающих элементов, позволяющая проектировать СМП с улучшенным отводом стружки из зоны обработки.

2. Получены расчетные зависимости оптимального изменения параметров стружкозавивающих элементов вдоль режущей кромки резца для различных условий обработки.

3. Разработаны новые конструкции режущих пластин с расширенными технологическими возможностями. Установлены параметры управления процессом формирования и дробления многовитковых отрезков стружки, регулируемой длины.

4. Разработанный метод и алгоритм расчета периодичности дробления многовитковой сливной стружки в зависимости от технологических условий резания позволяет определять рациональные условия принудительного стружкодробления. Предложенный расчетный метод может быть использован для совершенствования различных искусственных методов стружкодробления, в том числе с применением систем с ЧПУ.

229

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам работы сделаны следующие основные выводы.

1. В настоящее время теория проектирования и эксплуатации инструментов со стружкозавивающей передней поверхностью находится на стадии своего развития. До сих пор разработка новых и усовершенствование существующих конструкций СМП осуществлялась эмпирическим путем на основе длительных трудоемких исследований. Выполненные ранее исследования в этой области ограничены. Их результаты не позволили раскрыть всех возможностей различных методов управления формой стружки.

2. Разработанные методики расчета параметров зоны резания и общая математическая модель пространственного формирования стружки позволяют осуществлять прогнозирование и управление формой и направлением схода стружки с инструмента, определять выходные параметры механической обработки с учетом завивания стружки, устанавливать рациональную геометрию стружкоформирующей части передней поверхности инструментов, определять оптимальные условия эксплуатации резцов с СМП.

3. Разработанная автоматизированная система прогнозирования параметров схода стружки при точении резцами с криволинейной передней поверхностью предоставляет возможность осуществлять визуальный анализ формообразования стружки на компьютере и определять оптимальные условия ее завивания и дробления на стадии проектирования технологического процесса без проведения трудоемких экспериментальных исследований. Результаты компьютерного моделирования процесса формирования стружки удовлетворительно согласуются с экспериментальными исследованиями и могут быть использованы при оптимизации конструкций и условий эксплуатации токарных инструментов с СМП.

4. На основе математического моделирования пространственного завивания стружки установлены технологические параметры, обеспечивающие получение БФС за счет оптимального соотношения вращательных движения стружки в трех координатных плоскостях. Получены новые конструкции режущих пластин, обладающие повышенными эксплуатационными характеристиками.

5. Разработанный метод и алгоритм расчета периодичности дробления многовитковой сливной стружки в зависимости от технологических условий резания позволяет определять рациональные условия принудительного стружкодробления. Предложенный расчетный метод может быть использован для совершенствования различных искусственных методов стружкодробления, в том числе с применением систем с ЧПУ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Скворцов, Дмитрий Сергеевич, 2008 год

1. Куфарев, Г. Л. Стружкообразование и качество обработанной поверхности при несвободном резании Текст. / Г. Л. Куфарев, К. Б. Окенов, В. А. Говорухин. Фрунзе : Мектеп, 1970. - 170 с

2. Старков, В. К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве Текст. / В. К. Старков. — М. : Машиностроение, 1989. 296 с.

3. Лавров, Н. К. Завивание и дробление стружки в процессе резания Текст. / Н. К. Лавров. М. : Машиностроение, 1971. - 88 с.

4. Способы завивания и дробления сливной стружки и области их применения Текст. : руководящие материалы ВНИИ. — М., 1970. — 35 с.

5. Kluft, W. Present Knowledge of Chip Contrail Текст. / W. Kluft, W. König, С. A. Luttervelt, K. Nakayama, A. J. Pekelharing // Annals of the CIRP. Vol 28/2/1979.-P. 441^55.

6. Акимов, А. В. Прогрессивные конструкции резцов Текст. / A.B. Акимов. М.: Машгиз, 1962.

7. Хает, Г. Л. Выбор и эксплуатация инструмента при использовании гибких инструментальных систем Текст.: Обзорн. информ. / ВНИИТЭМР. Вып.З / Г. Л. Хает, А. Л. Еськов, Е. В. Мироненко. М., 1991. - 72 с.

8. Михайлов, С. В. Развитие теории формообразования и дробления стружки с целью повышения эффективности механической обработки пластичных материалов Текст.: дис. . док. техн. наук / Станислав Васильевич Михайлов. ; РГАТА. Рыбинск, 2006. - 450 с.

9. Михайлов, С. В. Напряженное состояние лезвия резца при образовании циклической стружки Текст. / С. В. Михайлов // СТИН. 2004. - № 2. - С. 26-29.

10. Самойлов, В. С. Металлообрабатывающий твердосплавный инструмент Текст.Ж Справочник / В. С. Самойлов .- М.: Машиностроение, 1998 — 368 с.

11. Рябов, В. В. Механизация уборки и транспортировки стружки с помощью пневмотранспорта. Обзор / В; В. Рябов. М.: НИИмаш, 1984, 60с.

12. Разработка и исследование установок для стружкодробления и струж-коразрезания на токарных станках Текст. : отчет о НИР / Исполнитель Пермский политехнический институт (ППИ) : Руководитель Гаришин К.В. № Г. Р. 81035482.-Пермь, 1984. -81 с.

13. Федоров, А. И. Стружколомающие канавки Текст. / А.И. Федоров, А.И. Мисса. ЛПИ. - Ленинград, 1987, - 8с. (Дел. в ВНИИТЭМР, №192-87)

14. Шарин, Ю. С. Сменные многогранные пластины с радиусными стружколомающими канавками Текст. / Ю. С. Шарин, Н. В. Садовников // Машиностроитель. 1986. -№ 10. - С. 24-25.

15. Шарин, Ю. С. Технологическое обеспечение станков с ЧПУ Текст. / Ю. С. Шарин. М.: Машиностроение, 1986. - 198'с.

16. Федоров, В. Л. Инструментальные материалы и вопросы стружкодробления в гибких производственных системах Текст. / В. Л. Федоров, Э. Н. Дымова // Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Сер. Резание металлов. Станки и инструменты. — 1991. -№10,- 136 с.

17. Борискин, О. И. Исследования работоспособности резцов, оснащенных СМП с видоизмененной формой режущей кромки и ротационными элементами / О.И. Борискин, С.Я. Хлудов, В.В. Беляев, И.Е. Денисов, Ю.А. Хай-кевич Тула: Издательство ТГУ, 2006. - 168 с.

18. Васин, С.А. Стружкообразование при точении Текст. / С.А. Васин, В.В. Иванов. ТГУ, Тула, 2001. - 151 с.

19. А. с. 1X24502 СССР, МКИ В 23 В 27/00. Резец Текст. / Г. Л. Куфа-рев, И. Г. Куфарев (СССР). № 3424868/25 - 08; заявл. 19.04.82 ; опубл. 23.03.86. Бюл. № П.

20. Патент США №3942229, кл. В26Д1/00, 1976

21. Каталог продукции SANDVIK Coromant 2007. www.coromant.sandvik.com/ru.

22. Takatsuto, M. Chip diaposal system in intermittently decelerated ferd//Bull. Jap. Soc. Pres. Eng. 1988.-22, №2. - P. 109-114, (РЖ, 1988, 11A28).

23. Иванов, B.B. Резание материалов. Назначение геометрии инструмента и оптимальных режимов резания при точении Текст.: учеб. пособие / В.В. Иванов, О.И. Борискин, Е.В. Павлова. Тула: Изд-во ТулГУ. - 104 с.

24. Nakayama, К. Basis rules on the form of chip in metal cutting Text. / K. Nakayama, M. Ogawa // Annals of the CJRP. Vol.27/1/1978. - P.17-21.

25. Куфарев, Г. JI. Теоретические основы управления формой стружки и создание гаммы резцов для точения пластичных металлов и сплавов на станках с ЧПУ Текст. : автореф. дис. док. техн. наук / Куфарев Георгий Леонидович ; ТПИ.-Томск, 1985.

26. Безъязычный, В. Ф. Кинематический анализ формирования сливной стружки Текст. / В. Ф. Безъязычный, С. В. Михайлов // Вестник машиностроения.-2003.-№ 11.-С. 48-50.

27. Михайлов, С. В. Анализ существующих теорий и разработка новой физической модели завивания стружки Текст. / С. В. Михайлов, В. Н. Чижов // Математическое обеспечение операций механической обработки: сб. науч. тр. / ЯПИ. Ярославль, 1988. - С. 59-65.

28. Михайлов, С. В. Формирование представлений о физической природеобразования различных форм и типов стружек при резании металлов Текст. / С. В. Михайлов // Системный анализ. Теория и практика : сб. науч. тр. — Кострома, КГТУ. 2001. - С. 155-161.

29. Безъязычный, В. Ф. Формообразование стружки при резании металлов Текст. / В. Ф. Безъязычный, С. В. Михайлов // Инженерный журнал. Справочник. -2005.-№5.-С. 26-32.

30. Pekelharing, A. J. Why and how does the chip curl and break? Text. / A. J Pekelharing // Annals of the CIRP 12(1964). p. 144-147.

31. Spaans, C. The fundamentals of three-dimensional chip curl, chip breaking and chip control Text. / Spaans C.; Doctor thesis, TH Delft, 1971.

32. Куфарев, Г. JI. Внутреннее напряжения как единственная причина завивания стружки Текст. / Г. JI. Куфарев // Пути интенсификации производственных процессов при механической обработке : межвуз. научн.-техн. сб. / ТПИ. Томск, 1979. - С. 8-12.

33. Куфарев, Г. JI. Физическая модель формирования сливной стружки при непрерывном резании Текст. / Г. Л. Куфарев // Вестник машиностроения. — 1981. -№ 10.-С. 54-58.

34. Клушин, М. И. Алгоритмы расчета сил и скоростей резания Текст.: труды проектно-технологического и научно-исследовательского института / М. И. Клушин, ВВСНХ. Вып. 2. - Горький, 1963. - С. 121-152.

35. Зорев, H. H. Вопросы механики процесса резания металлов Текст. / H. Н. Зорев. М. : Машгиз, 1956. - 367 с.

36. Михайлов, С. В. Моделирование завивания стружки в плоскости передней поверхности инструмента Текст. / С. В. Михайлов // Известия вузов. Машиностроение. 2004. - № 11. - С. 47-58.

37. Томленов, А. Д. Теория пластического деформирования металлов Текст. / А. Д. Томленов. М.: Металлургия, 1972. — 408 с.

38. Михайлов, С. В. Анализ завивания стружки при резании металлов методом линий скольжения Текст. / С. В. Михайлов // Известия вузов. Машиностроение. 2004. - №2. - С. 47-53.

39. Kudo, H. Some new slip-line solutions for two-dimensional steady-stale machining Text. / H. Kudo // International Journal of mechanical science. — 1965.—Vol. 7. -№ 1. P. 45-57.

40. Куцер, В. M. Анализ процесса ортогонального резания с учетом переменных свойств обрабатываемого материала Текст. / В. М. Куцер // Машиностроение. Вып. 13.-Минск, 1988.-С. 8-15.

41. Безъязычный, В. Ф. Расчет усадки стружки при резании инструментом со стружкозавивающей передней поверхностью Текст. / В. Ф. Безъязычный, С. В. Михайлов // СТИН. 2005. - № 2. - С. 26-29.

42. Михайлов, С. В. Компьютерное моделирование формообразования стружки при резании инструментом со стружкозавивающей поверхностью Текст. / С. В. Михайлов, Д. С. Скворцов // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2005. - № 7. - С. 53-56.

43. Михайлов, С. В. Компьютерное прогнозирование параметров схода стружки с инструмента Текст. / С. В. Михайлов, Д. С. Скворцов // Вестник КГТУ. Кострома, КГТУ. - 2005. - № 11. - С. 84-87.

44. А. с. 1360902 СССР, МКИ3 В 23 В 1/00. Способ получения корней стружки Текст. / В. Н. Чижов, С. В. Михайлов (СССР). № 4093163/31 - 08 ; заявл. 14.07.86 ; опубл. 23.12.87, Бюл. № 19.

45. Михайлов, С. В. Управление формой и направлением движения сливной стружки при резании металлов Текст. / С. В. Михайлов, Д. С. Скворцов // Вестник Костромского государственного технологического университета Кострома : КГТУ, 2003. - № 7. - С. 83-86.

46. Величко, Ю. Н. Математическое моделирование поверхности завитой стружки Текст. / Ю. Н. Величко ; МВТУ. М.,,1982. - 8 с. - Деп. в ВНИИ-ТЭМР 82, № 19856.

47. Михайлов, С. В. Математическая модель схода стружки с инструмента Текст. / С. В. Михайлов, Д. С. Скворцов // СТИН. 2004. - №6. - С. 28-31.

48. Люкшин, В. С. Теория винтовых поверхностей в проектировании режущих инструментов Текст. / В. С. Люкшин. — М. : Машиностроение — 1967.-372 с.

49. Игошин, В. В. Определение оптимального радиуса завивания стружки при ее дроблении и расчет стружколомов Текст. / В. В. Игошин // Вопросы обработки резанием (ученые записки) / ПЛИ. Вып.1. Пенза, 1965. - С. 67—72.

50. Михайлов, С. В. Прогнозирование и управление формой стружки с целью повышения эффективности автоматизированных токарных операций Текст. : дис. .канд. техн. наук / Михайлов Станислав Васильевич. — Рыбинск, 1991.-217с.

51. Сорокин, Е. В. Повышение стойкости токарных резцов на основе учета формы передней поверхности и кривизны поверхности резания: Авто-реф. дис. . канд. техн. наук / Сорокин Е. В. ТГУ-Тула, 2006. - 19 с.

52. Михайлов, C.B. Улучшение отвода стружки из зоны резания с ограниченным стружечным пространством Текст. /C.B. Михайлов, // Инженерный журнал. Справочник. Приложение №9 2006 - №8.

53. Патент 2237549 Российская Федерация, МПК7 В 23 В 27/04. Сменная режущая пластина Текст. / С. В. Михайлов, Д. С. Скворцов. № 2003105381; заявл. 25.02.2003 ; опубл. 10.10.2004, Бюл. № 28. - 12 с.

54. Ряузов, Н. Н. Общая теория статистики Текст. / Н. Н. Ряузов. М.: Финансы и статистика, 1984. - 343 с.

55. Трыков, Ю. П. Прибор для измерения радиуса округления режущих кромок резцов и твердосплавных пластин Текст. / Ю. П. Трыков, Л. М. Петровская, В. Н. Чижов, А. Е. Волков // Измерительная техника. — 1990. — № 2. — С. 12-15.

56. Безъязычный, В. Ф. Оптимизация конструкций и условий эксплуатации инструментов со стружкозавивающей поверхностью Текст. / В.Ф. Безъязычный, С.В. Михайлов, Д.С. Скворцов // Инженерный журнал. Справочник. Приложение №8 2007 - №8 - С. 16-19.

57. ГОСТ 2787-75. Металлы черные вторичные. Общие технические условия. Текст. Введ. 1977 - 07 - 01. - М.: Госстандарт СССР: Из-во стандартов, 1977.-51 с.