ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ

Міранцов Сергій Леонідович

УДК621.9.025

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЗБІРНИХ ВІДРІЗНИХ РІЗЦІВ ДЛЯ

ВАЖКИХ ВЕРСТАТІВ ШЛЯХОМ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ МІЦНОСТІ

РІЗАЛЬНОЇ ЧАСТИНИ НА СТАДІЇ ПРОЕКТУВАННЯ

СПЕЦІАЛЬНІСТЬ 05.03.01 – “Процеси механічної обробки,

верстати та інструменти”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі “Металорізальні верстати та інструменти” Донбаської державної машинобудівної академії Міністерства освіти і науки України (м. Краматорськ).

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Гузенко Віталій Семенович, Донбаська державна машинобудівна академія (м. Краматорськ), доцент кафедри металорізальних верстатів та інструментів.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Матюха Петро Григорович, Донецький національний технічний університет (м. Донецьк), завідувач кафедри “Металорізальні верстати та інструменти”,

кандидат технічних наук, доцент Тарасюк Анатолій Петрович, Українська інженерно-педагогічна академія (м. Харків), проректор з навчальної роботи та виробничому навчанню.

Провідна установа:

Національний технічний університет “ХПІ” Міністерства освіти та науки України, кафедра “Різання матеріалів та різальний інструмент”, м. Харків.

Захист відбудеться “23” січня 2003р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К11.052.04 у Донецькому національному технічному університеті за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корпус 6, аудиторія 6.202.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58.

Автореферат розісланий “20” грудня 2002р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент Т.Г. Івченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Сучасні економічні умови, у яких працюють машинобудівні і верстатобудівні підприємства України, вимагають безупинного підвищення ефективності обробки, обумовленою продуктивністю і собівартістю.

Підвищення продуктивності механічної обробки на важких верстатах обмежується деякими технологічними операціями, однією з яких є відрізка. Операція відрізки на важких верстатах являє собою невільне різання, що характеризується деякими особливостями. Відрізні різці працюють зі значними питомими навантаженнями на різальні леза в умовах утрудненого відводу стружки, що приводить до великої кількості поломок різальних пластин. Крім того, знижена жорсткість технологічної системи при відрізуванні, що є наслідком наявності великих вильотів різців, приводить до виникнення коливань інструмента в процесі різання.

Статистичні дані по експлуатації збірних відрізних різців для важких верстатів показують, що відмови зазначених конструкцій різців до досягнення нормативного критерію зносу складає до 80%. Це веде до підвищеної витрати твердого сплаву і зниженню техніко-економічних показників процесу обробки, підвищенню собівартості.

Зв'язок роботи з науковими програмами кафедри. Виконана робота здійснювалася в рамках науково-дослідної теми Д-06-96 “Розробка теорії системного аналізу технологічних систем зі складною структурою стосовно до машинобудівних підприємств і об'єднань” (реєстраційний номер №0198U004244).

Мета роботи і задачі досліджень. Мета роботи – підвищення ефективності збірних відрізних різців для важких верстатів шляхом визначення раціональних конструктивних параметрів різальної пластини та поліпшення жорсткості її кріплення, що забезпечує підвищення продуктивності і зниження собівартості відрізних операцій.

Для реалізації поставленої мети вирішені наступні задачі:

1. Розроблено прикладну програму для ПЕОМ розрахунку тривимірного напружено-деформованого стану різальних пластин з використанням методу кінцевих елементів.

2. Досліджено напружено-деформований стан пластин відрізних різців за допомогою методу кінцевих елементів для визначення величини і характеру розподілу нормальних і еквівалентних напружень.

3. Досліджено вплив конструктивних параметрів і форми різальних пластин відрізних різців на величину і характер розподілу напружень.

4. Запропоновано розрахункові формули, що дозволяють визначити величину максимальних еквівалентних напружень у небезпечному перерізі різальних пластин відрізних різців для важких верстатів з урахуванням їхніх конструктивних параметрів і елементів режиму різання.

5. Розроблено розрахункову схему і математичну модель динамічної системи верстат-пристосування-інструмент-деталь для дослідження коливань збірних відрізних різців.

6. Розроблено прикладну програму для моделювання коливань збірних відрізних різців.

7. Розроблено конструкцію нового інструмента для відрізування на важких верстатах.

8. Перевірено адекватність математичної моделі динамічної системи верстат-пристосування-інструмент-деталь шляхом проведення експерименту.

Об'єкт досліджень – конструктивні параметри різальної пластини і динамічні характеристики збірних відрізних різців для важких верстатів.

Предмет досліджень – функціональні зв'язки між конструктивними параметрами різальної пластини та її напружено-деформованим станом.

Методи досліджень. Як методи дослідження використовувалися метод кінцевих елементів і аналітичне моделювання. Методом кінцевих елементів визначався напружено-деформований стан різальних пластин відрізних різців. Математична модель використовувалася для опису коливань збірного відрізного різця як елемента динамічної системи верстат-пристосування-інструмент-деталь. Адекватність математичної моделі перевірялася експериментальними дослідженнями.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше при визначенні еквівалентних напружень у різальній пластині враховано дію сил тертя та пружної післядії стінок прорізуваної канавки на допоміжні різальні леза різця та встановлена залежність максимальних еквівалентних напружень від конструктивних параметрів різальної пластини та режимів різання.

2. Вперше встановлена залежність напруженого стану різальної пластини від форми опорної поверхні різальної пластини відрізного різця для важких верстатів.

3. Вперше отримані розрахункові формули, що дозволяють визначити величину максимальних еквівалентних напружень у небезпечному перерізі різальної пластини відрізних різців з урахуванням їхніх конструктивних параметрів і елементів режиму різання

,

,

4. Вперше розроблена розрахункова схема і математична модель динамічної системи верстат-пристосування-інструмент-деталь, що враховує конструкцію відрізного різця як підсистему, що складається з окремих елементів.

5. Вперше отримані динамічні характеристики відрізних різців з механічно закріпленою і напаяною різальною пластиною для важких верстатів у залежності від режимів різання.

Практичне значення отриманих результатів:–

встановлена залежність еквівалентних напружень від конструктивних параметрів різальної пластини відрізного різця і виведена формула для їхнього визначення, що дозволяє на стадії конструювання інструмента визначити конструктивні параметри;–

розроблена розрахункова схема і математична модель системи верстат-інструмент-деталь для визначення амплітуди і частоти коливань збірних відрізних різців з метою прогнозування виду відмов у залежності від сполучення амплітуди і частоти коливань;–

розроблені нові відрізні різці для важких токарських верстатів, що гарантують підвищення продуктивності обробки (Патент України № 40742А від 15.08.2001);–

впроваджені у навчальний процес прикладні програми для розрахунку напружено-деформованого стану різальної частини інструмента і моделювання коливань технологічної системи;–

нові конструкції відрізних різців для важких токарських верстатів впроваджені на ВАТ “КЗТС”. Річний економічний ефект від впровадження збірних відрізних різців одного типорозміру склав одинадцять тис. грн.

Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно.

Апробація роботи. Результати роботи доповідалися на науково-технічній конференції “Проблеми техніки, технології й економіки машинобудівного виробництва” (Україна, м. Краматорськ 1996); Міжнародній науково-технічній конференції “Автоматизація проектування і виробництва виробів у машинобудуванні” (Україна, м. Луганськ 1996); Міжнародній науково-технічній конференції “Машинобудування і техносфера на рубежі XXI століття” (Україна, м. Севастополь, 1998); Міжнародній науково-технічній конференції “Надійність різального інструмента і оптимізація технологічних систем” (Україна, м. Краматорськ 1999), Міжнародній науково-технічній конференції “Надійність інструмента і оптимізація технологічних систем” (Україна, м. Краматорськ 2001), Першій Всеукраїнській молодіжної науково-технічній конференції “Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї – наука – виробництво” (Україна, м. Суми 2001).

Робота обговорена і схвалена на об'єднаному науковому міжкафедральному семінарі кафедр “Металорізальні верстати та інструменти”, “Технології і управління виробництвом”, “Прикладна математика” та НТЦ “Інструмент”, протокол № 4 від 11 червня 2002р.

Публікації. Основний зміст роботи відображено у 8 наукових статтях та 1 патенті України. 2 статті надруковані без співавторів. Із загальної кількості статей – 2 надруковані у наукових журналах, 6 у збірниках наукових праць.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів і висновків наприкінці кожного розділу, загальних висновків, списку використаних джерел, що складає 145 найменувань,8 додатків. Обсяг роботи складає 192 сторінки основної частини, додатків – 35 сторінок, рисунків – 104, таблиць – 14.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В вступі дана характеристика роботи.

У першому розділі зроблений аналіз методів дослідження напружено-деформованого стану різальної частини, коливань інструмента і їхнього впливу на його міцність та застосовувані конструкції збірних відрізних різців для важких верстатів. На підставі аналізу визначена мета роботи та задачі досліджень.

Встановлено, що в даний час не існує досить ефективної і надійної системи розрахунку різальних пластин відрізних різців, працюючих в умовах важкого машинобудування, з урахуванням їхніх конструктивних параметрів. Розрахунки різальної частини методом кінцевих елементів розроблені для цільного інструмента, причому в основному застосовується розбивка розрахункової області за допомогою трикутників і тетраедрів. Експериментальні методи трудомісткі, вимагають спеціального устаткування, мають відносно низьку точність, вимагають тривалого часу обробки даних, крім того, у цьому випадку використовується плоска модель і вільне різання. Наявні в даний час розрахункові схеми і математичні моделі динамічної системи верстат-пристосування-інструмент-деталь розглядають інструмент як передатну ланку між деталлю і супортною групою і не враховують конструкцію інструмента як підсистему, що складається з окремих елементів.

Рис. 1 – Восьмивузлові и двадцятивузлові кінцеві елементи.

У другому розділі розглянутий розрахунок міцності різальних пластин відрізних різців методом кінцевих елементів, що враховує специфіку й особливості роботи інструмента. При визначенні напружень у різальній частині інструмента застосовуються кінцеві елементи двох типів: восьмивузлові просторові елементи у формі довільного паралелепіпеда і двадцятивузлові елементи у формі довільного паралелепіпеда з криволінійними гранями (рис.1).

Для розрахунку напружено-деформованого стану різальної пластини відрізних різців розроблена прикладна програма. До достоїнств розробленої програми варто віднести:

1. Програма для дискретизації розрахункової області використовує кінцеві елементи у вигляді паралелепіпедів довільної форми і паралелепіпедів із криволінійними гранями, що дає можливість описувати складні просторові конструкції інструмента.

2. Використання восьмивузлових і двадцятивузлових ізопараметричних кінцевих елементів дозволяє скоротити кількість вхідної інформації.

3. Програма використовує для оцінки запасу міцності різальних пластин інструмента критерії міцності для різних твердих сплавів з урахуванням температури (критерій Писаренка – Лебедєва, уточнений В.А. Остаф’євим).

4. При дискретизації області за допомогою вищевказаних кінцевих елементів спрощується аналіз результатів.

5. Використання кінцевих елементів із криволінійними гранями дозволяє підвищити точність розрахунку у порівнянні з елементами простої форми.

Найбільш істотним фактором, тісно переплетеним з питаннями міцності, є коливання в процесі роботи елементів верстата та інструмента. У той же час, незважаючи на важливість прогнозування коливань, не існує загальної всіма прийнятої методики розрахунку. У зв'язку з цим дуже важливо розробити загальну методику розрахунків коливань інструмента і елементів важких токарських верстатів.

Представлено загальну розрахункову схему і математичну модель динамічної системи верстат-пристосування-інструмент-деталь, у якій враховуються коливання інструмента і вузлів металорізального верстат один відносно іншого і демпфірування у стиках. З урахуванням цього отримана система диференціальних рівнянь:

де m – маса елемента розглянутої динамічної системи;

I – момент інерції елемента розглянутої динамічної системи;

– коефіцієнти, s=1, …, 6, i=1, 2, 3, j=1, …, m;

– зовнішні збурюючі впливи;

яка представляється у матричному вигляді

,,

де – – постійні коефіцієнти;

– функції, зв'язані з зовнішніми збурюючіми впливами;

– вектор невідомих переміщень;

р – оператор Лапласа.

Загальне рішення системи лінійних диференціальних рівнянь являє собою вираз:

,

де – , – постійні коефіцієнти, обумовлені початковими умовами системи диференціальних рівнянь;

– вектор невідомих переміщень.

Загальна розрахункова схема і математична модель дозволяє одержати приватні моделі, що описують коливання окремих елементів технологічної системи верстат-пристосування-інструмент-деталь. У розрахунках застосовується матрична форма запису рівнянь, що робить зручним їхнє рішення за допомогою ПЕОМ.

У третьому розділі розроблені методики експериментальних досліджень, описані устаткування, застосовуваний інструмент і умови проведення експериментів. Для експериментальних досліджень динамічних характеристик збірних і напайних відрізних різців застосовувався вимірювальний комплекс, функціональна схема якого, представлена на рис. 2.

Рис. 2 – Функціональна схема вимірювального комплексу.

Основу вібровимірювального комплексу складає персональна ЕОМ на базі процесора Intel Pentium 200MMX, що керує процесом виміру, а спеціальне програмне забезпечення дозволяє робити запис, візуальний контроль на моніторі та попередню обробку отриманої в ході експерименту інформації безпосередньо у процесі виміру.

Аналіз динамічних характеристик досліджуваного інструмента проводився по амплітудно-частотним характеристикам (спектрограмам). Амплітудно-частотні характеристики інструмента будувалися після обробки записаного сигналу за допомогою дискретного перетворення Фур'є (ДПФ). ДПФ дає можливість виявити частоти і амплітуди, що мають місце в залежному від часу сигналі і визначається залежністю:

,

де F(jщ) – спектр залежного від часу сигналу f(t), отриманого в результаті експериментальних досліджень;

N – кількість дискретних значень функції f(t), до яких застосовується ДПФ;

j – уявна одиниця.

Обчислення ДПФ для обробки експериментальних даних виконувалося за допомогою електронного документа на базі програмного пакета для фізичних і математичних розрахунків MathCAD 7.0.

У четвертому розділі представлені результати дослідження тривимірного напруженого стану різальних пластин відрізних різців у залежності від їх конструктивних параметрів, форми та режимів різання. Напруження визначалися методом кінцевих елементів за допомогою розробленої прикладної програми.

У якості базової для розрахунку була прийнята різальна пластина із твердого сплаву Т5К10 (аналог пластини за ДСТ17163-90), що має перетин lbs=122010. Геометричні параметри пластини =0, =8, 1=230, =90, 1=230. Дана різальна пластина була обрана в якості базової для подальших досліджень. Пластина розташовувалася на державці перетином BH=1060. Навантаження сил різання прикладалося до передньої і задньої поверхонь пластини у напрямку дії складових сили різання Pz і Py. Також враховувалося тертя допоміжних різальних лез за стінки прорізуваної канавки і сили пружної післядії стінок канавки.

Рис. 3 – Розрахункові схеми пластини відрізного різця і прийнята система координат:

а – напаяна пластина; б – механічно закріплена.

Різальна пластина при розрахунках розбивалась на 275 кінцевих елементів у формі довільного паралелепіпеда, державка інструмента на 50 елементів. На рис.3 приведені розрахункові схеми різальної пластини відрізного різця (розбивка державки не показана) і прийнята система координат.

Як приклад на рис. 4 приведені розподіли еквівалентних напружень у твердосплавній різальній пластині відрізного різця.

Рис. 4 – Розподіл еквівалентних напружень: а – по допоміжній задній поверхні; б–головній задній поверхні; в – передній поверхні пластини.

Шукані параметри напружено-деформованого стану різальної пластини x, y, z, xy, yz, zx, э визначалися поблизу передньої поверхні, де спостерігаються екстремальні значення напружень.

Аналіз напружень виконувався на відстані 1.0мм від передньої поверхні пластини, у трьох поздовжніх перетинах, що розташовуються поблизу допоміжних різальних лез на відстані 1,2мм від них (перетин 1, 3) і по середині пластини (перетин 2).

Аналіз механізму руйнування інструментальних матеріалів показує, що відповідно до принципів механіки суцільного середовища стан матеріалу у місті можливого його руйнування цілком визначаються рівнем діючих напружень. Тому що виникнення граничного стану обумовлюється критерієм виникнення тріщини, тісно зв'язаним з дотичними напруженнями, і критерієм їхнього поширення, зумовлюваного нормальними розтяжними напруженнями, то загальний критерій міцності інструментальних матеріалів повинний враховувати дію обох механізмів руйнування. Якщо при низьких температурах нагрівання найбільше значення для руйнування інструментальних матеріалів мають нормальні розтяжні напруження, то з підвищенням температури збільшується роль дотичних напружень. Цей загальний критерій міцності інструментальних матеріалів враховується еквівалентними напруженнями.

Як показує аналіз графіків розподілу нормальних розтяжних напружень, максимальні напруження, розташовуються поблизу передньої поверхні за зоною контакту зі стружкою – ця область приймається в якості небезпечного переріза. Як приклад, на рис. 5 представлені розподіли еквівалентних напружень у залежності від товщини пластини. При дослідженні інших конструктивних параметрів характер розподілу істотно не змінювався.

Рис. 5 – Розподіл еквівалентних напружень э в залежності від товщини пластини поблизу передньої поверхні в поздовжніх перетинах: а – 1 і 3; б – перетині 2.

У результаті проведених досліджень встановлено, що найбільший вплив на величину еквівалентних напружень э робить товщина різальної пластини.

Довжина різальної пластини мало впливає на величину э, причому зі збільшенням довжини різальної пластини понад 20мм вони залишаються практично незмінними. Тому довжину різальної пластини варто приймати тільки з погляду її надійного закріплення (для різальних пластин, що закріплюються механічно) і вільного сходу стружки.

Крім того, встановлений зв'язок між шириною різальної пластини l та її товщиною s. Для l=12мм не доцільно призначати s більш 0,85l, а при збільшенні l до 24мм, s рекомендується приймати: для l=(16...20)мм – s = (0,5...0,4)l, а для l=24мм – s =0,25l. У цьому випадку максимальні еквівалентні напруження, що виникають у небезпечному перерізі, приблизно однакові при різній ширині різальної пластини.

У процесі різання безпосередній вплив на силу, а, отже, і на напружений стан різальної пластини відрізного різця, роблять режими різання. З режимів різання найбільший вплив на силу при відрізуванні роблять подача і глибина, а швидкість істотно не впливає. Тому для дослідження впливу елементів режимів різання на напружено-деформований стан різальних пластин, як досліджуваний параметр була прийнята сила, що враховує комплексний вплив глибини і подачі.

Результати досліджень показують, що збільшення сили різання приводить до збільшення нормальних і еквівалентних напружень. При цьому відбувається зміна характеру розподілу нормальних напружень, розширення зони дії і ріст величини розтяжних нормальних напружень.

На базі розрахункових значень були отримані емпіричні формули для визначення еквівалентних напружень у небезпечному перерізі різальної пластини, враховуючі конструктивні параметри різальної пластини і силу, обумовлену режимами різання

,

,

де - Е13, Е2 - еквівалентні напруження в області екстремальних значень у поздовжніх перетинах 1, 3 і 2 відповідно, МПа;

l – ширина різальної пластини відрізного різця, мм;

b – довжина різальної пластини відрізного різця, мм;

s – товщина різальної пластини відрізного різця, мм;

P - сила різання, що діє на пластину, Н.

Форма різальної пластини відрізного різця визначається видом передньої поверхні, формою різальних лез і опорної поверхні. Дані елементи різальних пластин відрізних різців у загальному випадку можуть мати складну просторову конфігурацію, що певним чином впливає на напружено-деформований стан пластин.

Та чи інша форма різальної пластини відрізного різця форма опорної поверхні вибирається на стадії проектування інструмента з метою забезпечення максимальної міцності пластини як об'ємного тіла, забезпечення більш рівномірного навантаження корпусу інструмента, а також для запобігання бічних зсувів пластини в процесі різання (для різців з механічним кріпленням різальних елементів). Для цих цілей, зокрема для пластин відрізних різців, можуть застосовуватися V-образні опуклі й увігнуті форми опорних поверхонь з різними кутами призми, а також опуклої чи увігнутої радіусної поверхні.

Для визначення найбільш придатної форми опорної поверхні пластини і її параметрів досліджувався напружено-деформований стан і зроблений порівняльний аналіз для різних форм, зазначених вище. Аналіз розподілу нормальних і еквівалентних напружень x, y, z, Е поблизу передньої поверхні пластини показує, що зі зміною форми опорної поверхні пластини і кута призми має місце зміна величини нормальних напружень. Раціональною формою є V – образна опукла форма з кутом призми опори 2 = 120.

На міцність різальних пластин відрізних різців істотний вплив роблять також коливання інструмента в процесі роботи. Тому розроблена математична модель коливань збірного інструмента, що працює з поперечною подачею. Збірний токарський відрізний різець являє собою складну багатомасову збірну конструкцію, елементами якої є державка різця, опорна і різальна пластини, деталі механічного кріплення пластини. Причому кожен перерахований елемент має масу і має власну жорсткість і частоту коливань. Для аналітичного дослідження динамічних характеристик збірних відрізних різців для важких верстатів і їхнього впливу на міцність різальної частини, при різних конструктивних виконаннях, побудована відповідна математична модель на базі загальної моделі технологічної системи у вигляді системи диференціальних рівнянь, що піддається простому аналізу.

Стосовно до збірної конструкції інструмента приймаються наступні припущення: твердосплавна пластина є абсолютно жорсткою; усі деформації відбуваються за рахунок зсувів у стиках; малі кути повороту пластин зневажаються. На основі прийнятих допущень збірні відрізні різці для важких верстатів можна розглядати як багатомасовую систему, ланки якої зв'язані між собою пружніми і дисипативними зв'язками.

Розрахункова схема пружної системи складається шляхом переходу від розподілених параметрів (маси, жорсткості) до зосередженого з обмеженням числа ступенів волі. На рис. 6 представлена динамічна модель системи верстат-пристосування-інструмент-деталь зі збірним відрізним різцем. Динамічна модель системи являє собою чотиримасову систему, елементами якої є:

1. Супортна група верстата масою m1, при допущенні про досить велику жорсткість різцетримача.

Рис. 6 – динамічна модель системи зі збірним відрізним різцем.

2. Різальний інструмент. Збірний інструмент представляється у вигляді двох мас m2 і m3, що відносяться до державки і різальної частини. Під різальною частиною різця розуміється різальна й опорна (якщо така присутня у конструкції) пластини і деталі механічного кріплення. Перераховані елементи мають порівнянні маси, а отже повинні мати близькі частоти й амплітуди коливань, тому вони і заміняються однією масою. При цьому коефіцієнти жорсткості і демпфірування Kz2, Cz2 розраховуються як комбінації послідовних, паралельних чи послідовно-паралельних (у залежності від конструкції механічного кріплення різальної пластинки) з'єднань пружніх і демпфіруючих характеристик ланок реального механічного кріплення. Інструмент зв'язаний із супортом пружнім і демпфіруючим зв'язком Kz1, Cz1, що враховує згибну жорсткість державки. Це актуально для токарського відрізного різця, що працює з великими вильотами. З іншої сторони різальна частина інструмента зв'язана з оброблюваною на верстаті деталлю за допомогою процесу різання.

3. Оброблювана на верстаті деталь масою m4, розглядається абсолютно жорсткою, оскільки мова йде про обробку на важких верстатах. З однієї сторони вона зв'язана з інструментом, з іншої з несучою системою верстата за допомогою пружного Kz4 і демпфіруючого елементів Cz4, що є приведеними значеннями коефіцієнтів жорсткості і демпфірування передньої бабки токарського верстата. Для подібної коливальної системи як систему координат приймаються абсолютні переміщення центрів мас тіл. Математична модель буде представляти систему з восьми диференціальних рівнянь із правою частиною виду:

де – – радіальна складова сили різання,

– тангенціальна складова сили різання,

a0, b – товщина зрізу (статичне значення) та ширина зрізу;

- ексцентриситет установки деталі в патроні,

- кутова швидкість обертання оброблюваної деталі,

T – час одного обороту оброблюваної деталі,

- фазова характеристика сили різання.

Пропоновану математичну модель і прикладну програму для моделювання коливань відрізних різців “OSCLab 2.0” можна використовувати для прогнозування переважного виду відмов відрізних різців при роботі в залежності від величини амплітуди і частоти коливань. У залежності від сполучення значень амплітуди коливань відрізних різців і частоти виділяються три зони, кожній з яких відповідає переважний вид відмов інструмента: знос, викришування і сколювання.

У п'ятому розділі приведені результати експериментальних досліджень коливань відрізних різців. Об'єктами дослідження були частота й амплітуда коливань відрізних різців у залежності від елементів режиму різання.

Процес відрізки виконувався на токарно-гвинторізному верстаті моделі 164. Заготовка мала діаметр 250мм, довжину l=2000мм. Матеріал заготовки - сталь 40ХН2МА. Як інструмент використовувалися відрізні різці з напаяними різальними пластинами і пластинами, закріпленими механічним способом з наступними геометричними параметрами різальної частини: =6, =8, 1=230, =90, 1=230. Матеріал різальної частини різців – твердий сплав Т5К10. Виліт відрізних різців L при різанні складав 250мм і був однаковим для всіх досліджуваних конструкцій інструмента.

При випробуваннях проводилося дев'ять серій експериментів з різними значеннями подачі інструмента s і швидкості різання V.

Рис. 7 – АЧХ коливань збірного відрізного різця: а – низькочастотних; б – високочастотних.

Аналіз отриманих у результаті експерименту сигналів виконувався з використанням дискретного перетворення Фур'є за допомогою пакета MathCAD і програмного комплексу SpectraLAB. Попередньо для визначення амплітуди поперечних коливань відрізних різців проводилося векторне підсумовування записаних сигналів коливань у тангенціальному і радіальному напрямку. Для відсівання випадкових пікових значень амплітуд, що спотворюють реальну картину процесу, використовувалося усереднення амплітуди сигналу. Усереднення амплітуди сигналу здійснювалося за допомогою пакета SpectraLAB і полягало в розподілі сигналу на 20 діапазонів, що підсумовувались і, по одержуваній сумі, обчислювалося середнє значення (функція “Peek Hold”). Після попередньої обробки сигналу обчислювалося дискретне перетворення Фур'є. Результатом обчислення дискретного перетворення Фур'є було одержання амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) процесу коливань. Як приклад на рис. 7 показані АЧХ збірного відрізного різця у процесі різання.

Як приклад на рис. 8, приведені залежності амплітуди коливань збірних відрізних різців від швидкості різання і подачі в області низьких частот. Для збірних різців зі збільшенням швидкості різання спостерігається ріст амплітуди, а при збільшенні подачі – її зниження. Залежність амплітуди коливань напайних відрізних різців від швидкості різання не є однозначною, вона має екстремальний характер. Так, процес відрізки деталі напайними різцями характеризується наявністю областей швидкостей різання, у яких спостерігаються максимальні значення амплітуд коливань інструмента.

Рис. 8 - Залежності амплітуди коливань в області низьких частот при відрізці збірним відрізним різцем, отримані аналітично й експериментально від: а – швидкості різання; б – подачі інструмента.

Аналіз отриманих результатів свідчать про незначний вплив подачі інструмента і швидкості різання на частоту коливань для відрізних різців. Частота коливань відрізних різців у процесі різання визначається переважно масами і жорсткістю відрізних різців, жорсткістю оброблюваної на верстаті деталі, а також жорсткістю вузлів металорізального верстата.

Для перевірки адекватності математичної моделі коливань збірних відрізних різців у процесі різання виконувалося порівняння залежностей отриманих розрахунковим шляхом і залежностей отриманих експериментально. Аналіз показав адекватність пропонованої математичної моделі. Розбіжність між теоретичними й експериментальними даними не перевищує 15%.

У шостому розділі приведено впровадження результатів досліджень. Розроблена нова конструкція збірного відрізного різця із клиновим кріпленням різального елемента впроваджена на ВАТ “КЗТС”, запропоновані рекомендації по експлуатації зазначеного інструмента при відрізуванні на важких токарських верстатах. Впроваджена прикладна програма для ПЕОМ розрахунку міцності різальних пластин важконавантаженого інструмента, та методика прогнозування на стадії проектування переважного виду відмови відрізних різців у залежності від їх динамічних характеристик.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертаційній роботі на основі аналітичних і експериментальних досліджень вирішена актуальна задача підвищення ефективності збірних відрізних різців для важких верстатів шляхом створення нових конструкцій інструмента, які володіють підвищеною жорсткістю вузла кріплення різального елемента і міцністю, що забезпечує підвищення продуктивності відрізних операцій.

2. Розроблено прикладну програму для ПЕОМ розрахунку тривимірного напружено-деформованого стану різальних пластин відрізних різців для важких верстатів, що дозволяє визначати величину нормальних і еквівалентних напружень у пластинах складної конфігурації і оцінювати їхню міцність.

3. Встановлено специфічні для відрізних різців закономірності розподілу нормальних і еквівалентних напружень у різальних пластинах. Поблизу передньої поверхні пластини за зоною контакту зі стружкою виявлене місце розташування зони дії максимальних еквівалентних напружень, де можливе зародження тріщин, що приводять до руйнування твердого сплаву.

4. Встановлено зв'язок між шириною різальної пластини l і її товщиною s. Для l=12мм не доцільно призначати s більш 0,85l, а при збільшенні l до 24мм, s рекомендується приймати: для l=(16...20)мм – s=(0,5...0,4)l, а для l=24мм – s=0,25l. У цьому випадку максимальні еквівалентні напруження, що виникають у небезпечних перерізах, приблизно однакові при різній ширині різальної пластини.

5. Довжина різальної пластини мало впливає на величину еквівалентних напружень, причому зі збільшенням довжини понад 20мм вони залишаються практично незмінними. Тому довжину різальної пластини варто призначати з погляду її надійного закріплення і вільного сходу стружки.

6. Форма опорної поверхні різальної пластини впливає на розподіл і величину еквівалентних напружень. З погляду міцності і технологічності рекомендується приймати V-образну форму підстави пластин з кутом призми 2=120.

7. Розроблено розрахункові формули, що дозволяють визначити величину максимальних еквівалентних напружень у небезпечному перерізі різальних пластин відрізних різців з урахуванням їхніх конструктивних параметрів і елементів режиму різання. Погрішність апроксимації не перевищує 8%.

8. Розроблено розрахункову схему і математичну модель динамічної системи верстат-пристосування-інструмент-деталь, що дозволяє аналітично визначати характеристики коливань збірних відрізних різців у залежності від їхніх жорсткості, жорсткості технологічної системи і режимів різання. Експериментальні дослідження підтвердили адекватність відображення процесу коливань різців з погрішністю не більш 15%.

9. На основі запропонованої математичної моделі динамічної системи верстат-пристосування-інструмент-деталь розроблена прикладна програма для ПЕОМ моделювання коливань збірних відрізних різців, що дозволяє у залежності від режимів різання і жорсткості технологічного устаткування прогнозувати вид відмов інструмента на стадії проектування.

10. Розроблено нові конструкції збірних відрізних різців із клиновим кріпленням різальних елементів, що дозволяють: скоротити номенклатуру відрізних різців за рахунок застосування взаємозамінних різальних вставок; зменшити допоміжний час заміни інструмента на 50%; збільшити подачу в середньому на 20% за рахунок збільшення жорсткості і вібростійкості конструкції інструмента. Нові різці впроваджені на ВАТ “КЗТС”, річний економічний ефект від впровадження одного типорозміру склав одинадцять тис. грн.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

ТА ОСОБИСТИЙ ВНЕСОК ЗДОБУВАЧА:

1. С.Л. Миранцов, В.С. Гузенко, Л.М. Миранцов. Аналитическое исследование прочности режущей части отрезных резцов для тяжелых станков. //Надежность режущего инструмента и оптимизация технологических систем. Сб. статей. В 2-х т. - Краматорск: ДГМА, 1997. – Т.1. – С. 130-134.

Здобувачем виконано розрахунок напружено-деформованого стану різальних пластин відрізних різців для важких верстатів.

2. В.С. Гузенко, Н.И. Зиновьев, С.Л. Миранцов. Особенности расчета прочности режущих элементов сложной пространственной конфигурации. //Резание и инструмент в технологических системах. - Харьков: ХГПУ, 1999 - С.31-34.

Здобувачу належить розробка алгоритму розрахунку тривимірного напружено-деформованого стану різальних елементів складної просторової конфігурації.

3. В.С. Гузенко, С.Л. Миранцов, В.Л. Федоров. Математическое моделирование динамического состояния тяжело нагруженного инструмента. //Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Международный сборник научных трудов. - Донецк: ДонГТУ, 1998. – Т.1. – С.220-223.

Здобувачем розроблена динамічна модель важконавантаженого інструмента.

4. Н.И. Зиновьев, С.Л. Миранцов, Л.М. Миранцов. Динамическая модель сборных отрезных резцов для тяжелых станков. //Механіка та машинобудування. Науково-технічний журнал. - Харків: ХДПУ, 1998. - Вип №1. - С.154-159.

Здобувачем розроблена схема і математична модель динамічної системи станок-пристосування-інструмент-деталь, яка враховує конструкцію відрізного різці як підсистему, що складається з окремих елементів. Запропоновано метод вирішення математичної моделі.

5. Гузенко В.С., Билык Г.Б., Веремей О.В., Миранцов С.Л. Программный комплекс для расчета и моделирования напряжений методом конечных элементов. //Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. – Краматорськ: ДДМА, 1999. - Вип. 9. - С.23 - 29.

Здобувачу належить розробка алгоритмів і програмного комплексу для розрахунку напружень методом кінцевих елементів.

6. Гузенко В.С., Миранцов. С.Л. Экспериментальные исследования динамических характеристик отрезных резцов. //Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. – Краматорськ: ДДМА, 2000. - Вип. 10. – С.65 – 73.

Здобувачем виконані експериментальні дослідження та виконано обробку результатів на ПЕОМ.

7. Миранцов С.Л. Математическая модель напряженного состояния режущих пластин отрезных резцов. //Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. – Краматорськ: ДДМА, 2001. - Вип. 11. – С.103 - 107.

8. Миранцов С.Л. Динамический расчет сборного инструмента для тяжелых станков в процессе резания. //Вісник Сумського державного університету. Науковий журнал. Серія технічні науки (машинобудування). – Суми, СумДУ, 2002. – №2. - С.79 - 83.

9. Гузенко В.С., Миранцов С.Л., Носков В.В. Отрезной резец. Патент Украины № 40742А от 15.08.2001.

Здобувачем виконано теоретичне обґрунтування винаходу та розробка конструкції збірного відрізного різця.

АНОТАЦІЯ

Міранцов С.Л. Підвищення ефективності збірних відрізних різців для важких верстатів шляхом забезпечення міцності різальної частини на стадії проектування. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 – “Процеси механічної обробки, верстати та інструменти”. Донецький національний технічний університет. Донецьк. 2002р.

Дисертація присвячена питанням підвищення ефективності збірних відрізних різців шляхом визначення раціональних конструктивних параметрів різальної пластини і поліпшення жорсткості її кріплення, що забезпечує підвищення продуктивності і зниження собівартості відрізних операцій. Раціональні конструктивні параметри різальних пластин відрізних різців визначалися на базі досліджень їхнього напруженого стану з використанням методу кінцевих елементів.

Розроблено розрахункову схему і математичну модель для визначення динамічних характеристик збірних відрізних різців. Модель дозволяє розглянути відрізний різець як збірну багатомасову конструкцію і шляхом моделювання процесу коливань прогнозувати на стадії проектування відмову інструмента у залежності від сполучення амплітуди і частоти.

На базі теоретичних і експериментальних досліджень розроблені нові конструкції збірних відрізних різців впроваджені у промисловість на ВАТ “КЗТС”.

Ключові слова: збірний відрізний різець, різальна пластина, напруження, метод кінцевих елементів, динамічна модель, амплітуда коливань, частота коливань.

Mirantsov S.L. Enhancement of efficiency of modular cutting-off blades for heavy machine tools by ensuring the strength of the cutting end at the stage of designing. – Manuscript.

The dissertation for the degree of a candidate of Technical Sciences on speciality 05.03.01 – Processes of technical machining, lathes and tools. Donetsk national technical university. Donetsk. 2002.

The thesis is devoted to the problem of enhancement of efficiency of modular cutting-off blades by determining rational design parameters of a cutting plate and improvement of its mount rigidity providing improvement of productivity and lowering the cost price of cutting operations. Rational design parameters of cutting-off blades’ cutting plates are defined on the basis of researches of tension using the finite-element method.

A designed scheme and mathematical model of dynamic responses of modular cutting-off blades has been developed. The model allows to consider a cutting-off blade as a modular multimass construction and by simulation of the process of oscillations to forecast outage of the tool at the stage of designing depending on the combination of amplitude and frequency.

New constructions of modular cutting-off blades have been developed on the basis of theoretical and experimental researches and applied in industry at the OJSC “KZTS” (“КЗТС”).

Keywords: modular cutting-off blade, cutting plate, tention, finite element method, dynamic model, amplitude of oscillations, frequency of oscillations.

Миранцов С.Л. Повышение эффективности сборных отрезных резцов для тяжелых станков путем обеспечения прочности режущей части на стадии проектирования. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 – “Процессы механической обработки, станки и инструменты”. Донецкий национальний технический университет. Донецк. 2002г.

Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности сборных отрезных резцов путем определения рациональных конструктивных параметров режущей пластины и улучшения жесткости ее крепления, обеспечивающих повышение производительности и снижение себестоимости отрезных операций. Рациональные конструктивные параметры режущих пластин отрезных резцов определялись на базе исследований их напряженного состояния с использованием метода конечных элементов.

Для определения напряжений разработана расчетная схема и прикладная программа для ПЭВМ, которые учитывают специфику работы отрезных резцов на тяжелых токарных станках. В результате исследований установлены специфические для пластин отрезных резцов закономерности распределений нормальных и эквивалентных напряжений с учетом конструктивных параметров пластин, их формы и элементов режима резания.

Исследованиями установлена связь между шириной режущей пластины l и ее толщиной s. Для l=12мм не целесообразно назначать s более 0,85l, а при увеличении l до 24мм, s рекомендуется принимать: для l=(16…20) мм – s=(0,5…0,4)l, а для l=24мм – s=0,25l. В этом случае максимальные эквивалентные напряжения, возникающие в опасных сечениях, примерно одинаковые при различной ширине режущей пластины. Длина режущей пластины мало влияет на величину эквивалентных напряжений, причем с увеличением длины свыше 20мм они остаются практически неизменными. Поэтому длину режущей пластины следует назначать с точки зрения ее надежного закрепления и свободного схода стружки.

Для расчета максимальных эквивалентных напряжений в опасном сечении режущей пластины отрезного резца предложена формула, в которой учитываются ее конструктивные параметры и элементы режима резания. Погрешность аппроксимации не превышает 8%.

Форма опорной поверхности режущей пластины оказывает существенное влияние на распределение и величину эквивалентных напряжений. С точки зрения прочности и технологичности рекомендуется принимать V-образную форму основания пластин с углом призмы 2=120.

На прочность режущих пластин отрезных резцов существенное влияние оказывают также колебания инструмента в процессе работы.

Для определения характеристик колебаний сборных отрезных резцов разработана расчетная схема и математическая модель динамической системы приспособление-инструмент-деталь с учетом их жесткости, жесткости технологической системы и режимов резания. Модель позволяет рассмотреть отрезной резец как сборную многомассовую конструкцию и путем моделирования процесса колебаний прогнозировать на стадии проектирования выход из строя инструмента в зависимости от сочетания амплитуды и частоты. Моделирования процессов колебаний производилось при помощи специально разработанной прикладной программы “OSC Lab 2.0”. Адекватность описания процесса колебаний сборных отрезных резцов в процессе резания проверялась путем сравнения расчетных данных и данных, полученных в результате проведения экспериментов. Экспериментальные исследования подтвердили адекватность отображения процесса колебаний резцов с погрешностью не более 15%.

На базе теоретических и экспериментальных исследований разработаны новые конструкции сборных отрезных резцов с клиновым креплением режущих элементов. Новые резцы испытаны и внедрены на ОАО “КЗТС”, годовой экономический эффект от внедрения одного типоразмера составил одиннадцать тыс. грн.

Ключевые слова: сборный отрезной резец, режущая пластина, напряжения, метод конечных элементов, динамическая модель, амплитуда колебаний, частота колебаний.