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 № 2 237 549). 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 2007 г.), Международной юбилейной технической конференции «Проблемы формообразования деталей при обработке резанием», посвященной 90-летию со дня рождения С. И. Лашнева (г. Тула, 2007 г.), 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, 2006 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков (Рыбинск, 2002 г.), 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, 2000 г.).

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.

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.

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.