НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ“

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Нощенко Олександр Миколайович

УДК 621.941-229.3-187

Підвищення ефективності використання твердосплавних різців на основі об’ємного моделювання їх термоміцності

Спеціальність 05.03.01- “Процеси механічної обробки, верстати та інструменти”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” на кафедрі “ Конструювання верстатів та машин”

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Остаф’єв Володимир Олександрович Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри виробництва приладів

Офіційні опоненти: Мазур Микола Петрович, доктор технічних наук, професор кафедри технології машинобудування, Технологічний університет поділля Міністерства освіти і науки України (м.Хмельницький), завідувач кафедри технології машинобудування

Ковальова Любов Іванівна, кандидат технічних наук, доцент, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, доцент кафедри кафедри інструментального виробництва

Провідна установа:

Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля НАН України, відділ “Обробка металів різанням та деформуванням”, Київ

Захист відбудеться 17.02.2003 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.11 при Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, навчальний корпус № 1, ауд. 214.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий 15.01. 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент Майборода В.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Задача підвищення ефективності процесу різання є однією із самих актуальних для виробництва. Особливістю сучасного виробництва є швидкий ріст його комп'ютеризації, великою різноманітністю вироблених виробів, їхня мала серійність. При цьому частка вартості ріжучого інструменту доходить до 30-40% від загальної технологічної собівартості. Тому для ефективної реалізації технологічного процесу на одне з перших місць виходить ощадлива витрата ріжучого інструмента і визначення оптимальних умов його застосування. У зв'язку з цим в умовах виробництва виникає гостра необхідність у створенні віртуальних технологій, що різко підвищують ефективність виробництва. Для їхньої реалізації необхідно розробити моделі роботи ріжучого інструмента найбільш відповідні його реальної експлуатації. Принципово новий підхід для рішення цієї задачі став можливий з появою могутніх комп'ютерів, що дозволяють створити програмне забезпечення враховуючи велику кількість факторів, які впливають на роботу ріжучого інструменту і створити модель найбільш відповідну його реальній роботі. Підвищення ефективності роботи твердосплавного ріжучого інструменту на основі дослідження його термоміцності є актуальною проблемою, як для науки, так і для практики.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами, планами.

Актуальність теми дисертації підтверджується тим, що вона виконувалася в рамках реалізації науково-дослідної роботи № 2196 Міністерства Освіти і Науки:“

Розробка і впровадження медичного оптично-електронного пристрою для лазерного опромінювання” №0197U006618.

Метою роботи є підвищення ефективності роботи твердосплавних різців за рахунок знищення їх поломок і підвищення стійкості на основі об’ємного моделювання міцності ріжучої частини інструменту при призначені режимів різання. Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні задачі:

1.Створити об’ємну модель і розрахувати міцність ріжучої частини інструмента при спільній дії температурних і силових навантажень.

2.На основі методу скінчених елементів (МСЕ) створити об'ємну динамічну нелінійну модель розподілу температури в зоні різання, що визначає теплові навантаження ріжучого інструменту при його врізанні, стаціонарній роботі й охолодженні після закінчення процесу різання.

3.Визначити об'ємне розподілення механічних контактних навантажень діючих на передній і задній гранях.

4.Провести дослідження по впливу типу покриттів, величини і роль комплексного напруженого стану ріжучої частини інструменту на його ефективність при обточуванні різних матеріалів.

5.Запропонувати методи підвищення ефективності роботи ріжучого інструменту за рахунок значного зниження вірогідності його руйнування і підвищення стійкості різців.

Об'єктом дослідження є міцність і температура твердосплавного різального інструменту.

Предмет дослідження - міцність і температура твердосплавних різців при різних умовах різання з різними видами покрить, що забезпечують надійну та ефективну роботу ріжучого інструменту.

Методи дослідження - теоретичні методи, які ґрунтуються на математичному аналізі, чисельному аналізі, теорії міцності і руйнуванні матеріалів, фізиці твердого тіла і теорії різання матеріалів. Теоретична частина виконана з використанням МСЕ, варіаційно-градієнтних методів рішення системи лінійних алгебраїчних рівнянь. Експериментальна частина виконана експериментально - промисловою перевіркою.

Наукова новизна одержаних результатів. Розроблено динамічну об'ємну нелінійну модель розподілу температури в зоні різання на основі МСЕ, що дозволяє досліджувати зміни температурних полів, при врізанні інструменту, при стаціонарному різанню і при охолодженні ріжучої частини інструмента після закінчення процесу обробки. Створено модель для визначення тривимірного напруженого стану ріжучої частини інструменту при одночасній дії теплових і силових навантажень. Використання варіаційно-градієнтного методу дозволило визначати напружено-деформований стан ріжучого інструменту практично в реальному масштабі часу. Зроблена рахункова об’ємна модель механічних контактних навантажень на працюючих поверхнях ріжучого інструмента. У результаті створена модель міцності ріжучого інструменту враховуюча реальні умови його експлуатації.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені алгорітми та пакети програм, по яким виконені розрахунки по визначенню розподілу напруги у частині ріжучого інструменту, що дозволяють оцінити його міцність для різних умові обробки і визначити умови для його надійної роботи. Установлений взаємозв'язок між зносом і напруженим станом ріжучої частини інструмента дозволив визначити тип його покрить які підвищують стійкість інструменту. Запропонований спосіб врізання ріжучого інструмента з наростанням швидкості різання до заданої величини на основі досліджень термопружного стану ріжучого інструмента дозволив скоротити його знос у кілька разів.

Розроблені методи розрахунку термопружних напруг у ріжучій частині інструменту використані при виконанні теми “Розробка і впровадження медичного оптично-електронного пристрою для лазерного опромінювання” №0197U006618, впроваджені в навчальний процес Національного Технічного Університету України “КПІ” при створенні комплексу лабораторних робіт ( лабораторні роботи для дисципліни “Фізичні основи обробки матеріалів”), а також використані у виробничому процесі при призначенні режимів різання на Державному підприємстві завод “Арсенал” і Державної акціонерної холдингової компанії “Київський радіозавод”.

Особистий внесок здобувача:

1. Розроблено динамічну об'ємну нелінійну модель розподілу температури в зоні різання.

2. Розроблено динамічну модель для визначення тривимірного напруженого стану ріжучого інструменту, що дозволяє вести розрахунки в реальному масштабі часу.

3. Розроблена об’ємна модель для рахування контактних навантажень на працюючих поверхнях ріжучого інструмента.

4. Установлено взаємозв'язок між зносом і пружних станом різця, що дозволило визначити оптимальний вид покрить ріжучої частини твердосплавних інструментів при обробки різних матеріалів і запропонувати методи підвищення їх стійкості.

5. Створено принципи призначення режимів різання що дозволяють забезпечити надійну роботу ріжучого інструменту.

Апробація роботи. Міжнародна конференція “Типові механізми і технологічне оснащення верстатів автоматів, верстатів із ЦПУ і ГВС” Чернігів 1991 р. Основні положення роботи доповідалися на Генеральної асамблеї технологів (СІРП) у Палермо в 1985 р. і в Берліні в 1989 р., Всесоюзної конференції в ІСМ НАН України в 1985р., Всесоюзному семінарі “Питання оптимізації обчислень” Алушта 1987р., Всесоюзної конференції “Теплофізика технологічних процесів” 1984 та 1989р.,

Публікації. По темі дисертації опубліковано 16 наукових робіт з них 8 у провідних фахових спеціальних виданнях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, трьох розділів і висновків. Загальний обсяг роботи 121 сторінок машинописного тексту, 48 малюнків, 2 таблиці, списку літератури, що складає 138 найменувань і додатка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету на основі задачі дослідження, показано наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, особистий внесок автора, а також апробації матеріалів роботи на конференціях і в публікаціях.

У першому розділі викладений огляд літературних джерел по темі дисертації і сформульовано її тему та задачі. Аналіз літературних даних показав, що поломка інструменту складає одну із важливих проблем машинобудування і приладобудування. Розглянуті вимоги висунуті до міцності твердосплавних різців і методи призначення режимів різання. На основі проведеного аналізу визначені та обґрунтовані шляхи розрахунку міцності твердосплавних різців та обґрунтовані шляхи її підвищення під час обробки різних матеріалів, що дозволило сформувати мету і завдання дослідження.

У другому розділі викладено побудову об’ємного моделювання динамічної термоміцності твердосплавних різців.

Рівняння, які описують поведінку твердого тіла під дією силових і температурних навантажень, взаємопов’язані і мають розв’язуватися разом. На першому етапі розв’язання задачі термопружності було створено модель для визначення температурного поля в зоні різання, на другому - для визначення термоміцного термопружного стану ріжучої частини інструменту.

В процесі теплообміну при різанні металів враховують три тіла - інструмент, деталь, стружка, які знаходяться в безупинному русі відносно один одного. Наявність в області дослідження рухомого тіла потребує вибору схеми розрахунків для встановлення відношення між вивчаємими величинами та координатами простору. Кращими розрахунковими якостями володіє змішана схема Ейлера-Лагранжа, основана на принципі розщеплення по фізичним процесам. На кожному тимчасовому кроці виконується два “дробових” кроки. Перший крок відповідає лише процесу теплопровідності, другий - конвективному переносу тепла. Відповідні до них рівняння мають вигляд:

(1) (2)

Перший крок - лагранжевий “дробовий” крок, другий - ейлерів.

Для нестаціонарних процесів розподіл тепла в зоні різання описується по змішаній схемі Ейлера-Лагранжа, охолодження ріжучого інструмента - по схемі Лагранжа. Для опису стаціонарних процесів теплообміну використовується схема Ейлера. Тоді температура в j-му вузлі, в момент часу обчисляється за рекурентною формулою

(3)

Тут в скалярному добутку j-го рядка матриці [К’] на {Т}ф включаються елементи стрічки матриці [К’] або лише нульові елементи і-го рядка, а - j-а компонента вектора . Поліпшені наближення на кожному кроці ітераційного уточнення для нелінійної задачі будується за формулами, де індекси ?+?? та ? замінюються на n+1 та n. Процес уточнення рішення на кожному часовому кроці ?? закінчується, коли для всіх вузлових значень виконується умова

(4)

індекс n відповідає n-му наближенню.

Таким чином, обчислювальний процес, побудований по запропонованому закону, значно скорочує необхідний для розрахунку час і робить можливим рішення задачі нестаціонарної теплопровідності в зоні різання в нелінійній постановці для тривалих періодів різання. Дискретизація області на скінчені елементи здійснюється автоматично, так як загальний об’єм даних про розбиття області в реальних складних задачах вимірюється тисячами чисел та підготовка вручну такої кількості даних просто неможлива.

Якщо геометрія будь-якої ділянки зони різання змінюється в часі, наприклад, змінна товщина зрізу при обточені нециліндричних тіл, зношенні поверхні інструменту, можлива деформація сітки стисненням або розтягом вздовж вузлових ліній.

Об’ємна зона різання січеться площинами, паралельними векторами швидкості різання, швидкості стружки та лініям деформуванням обробляючого матеріалу. В січних площинах розміщуються вузли по розробленому алгоритму, який враховує і кінематику процесу різання. Після цього вузли сусідніх січних площин зв’язуються в призми, які діляться на п’ять чи шість тетраедральних елементів.

Математичне моделювання термопружної міцності проводилось таким чином: вектор вузлових сил, зв’язаних з тепловим розширенням, має вигляд

, (5)

де - коефіцієнт теплового розширення; - модуль пружності; - об’єм елемента; - ко-ефіцієнт Пуассона; - температурний гра-ді-єнт; - матриця розмірів тетраедра.

Вектор контактних силових навантажень має вигляд

, (6)

де - матриця функції форми елемента; p - механічні об’ємні контактні навантаження, для розрахунку яких був розроблений алгоритм на основі енергетичного принципу.

Система рівнянь матиме вигляд

, (7)

де - матриця жорсткості елемента; - змі--щення вузлових точок.

Для розв’язання системи лінійних алгебра-їч-них рівнянь (7), яку записуємо у вигляді

, (8)

було використано варіаційно-градієнтний метод.

Розв’язок починається за формулою

(9) в якій (10)

де - задана система лінійно незалежних векторів.

Параметри і знаходяться з умови мінімуму функціонала

. (11)

Якщо початкове наближення побудувати за методом Рітца, тобто

(12) (13)

а поправку шукати за формулою

(14)

то алгоритм матиме вигляд

, , , (15)

де і визначаються із системи рівнянь

, ,… (16)

Швидкість збіжності варіаційно-градієнтного методу характеризується оцінкою

(17)

де - точний розв’язок; - k-те наближен-ня; - границі спектра матриці ; - по-чат-кове наближення; ; - константи, що задовольняють нерівність

. (18)

При такій організації зберігання інформації про матрицю, системи лінійних алгебраїчних рівнянь (СЛАР) обчислювальний алгоритм варіаційно-градієнтного методу набув такого виг-ляду.

Крок 1. Задаємо систему лінійно незалежних векторів , де . (19)

Крок 2. Будуємо матрицю , .

Процес побудови приблизного розв’язку закінчувався, коли виконувалася умова

(20) (21)

де (22)

.

Крок 3. Обертаємо матрицю і зберігаємо

. (23)

Крок 4. Визначаємо початкове наближення за методом Рітца

, (24) де , (25)

Крок 5. На k-й ітерації, якщо - наближення відомо, виконуємо такі дії:

5.1), (26)

де , , , , , ;

5.2) , (27)

де , , , , , ;

5.3) , ; (28)

5.4) ; (29)

5.5) , . (30)

Оцінка міцності ріжучої частини інструменту проводилась за критеріальними напругами Писаренко-Лєбєдєва ?з.

У третьому розділі викладено дослідження термопружної міцності твердосплавних різців при їх нестаціонарному тепловому та силовому навантаженні (рис.1). Силові навантаження визначались об’ємними контактними навантаженнями діючих на передній та задній гранях згідно з розробленим енергетичним методом. Теплові навантаження визначаються розподілом температури в ріжучій частині інструменту. Об’ємні розподіли температури визначались за допомогою раніше описаних методик на основі МСЕ, як при стаціонарному точінні так і при його врізанні та охолодженні.

Аналіз параметрів процесу різання показав, що як характер їх взаємодії так і їх величини залежать від виду оброблюваного матеріалу, режимів різання, геометрії ріжучого інструменту, виду покриття та цілого ряду інших умов точіння. Тому

Рис.1. Силові та теплові пружно-деформований стан

навантаження на ріжучу ріжучого інструменту, який

частину інструмента визначає його міцність

необхідно розраховувати для кожного конкретного випадку обробки та при кожній зміні хоча б одного з параметрів процесу різання.

В першу чергу була оцінена роль силового та теплового напруження ріжучого інструменту, а також їх сумарної взаємодії (рис.2).

Рис. 2. Розподіл термопружних напруг в ріжучій частині

твердосплавного різця Т15К6 при точінні сталі 45 (V=2.1м/с, S=0,15 мм/об, t=1 мм. )

1) - під дією контактних навантажень; 2) - під дією температур;

3) - під дією сил різання та температур.

Під дією лише контактних навантажень максимальна величина ?з знаходиться на задній грані (рис.2.1) трохи нижче кромки і досягає величини 1140МПа, зменшивши свою величину майже в 2 рази на ріжучій кромці. Термонапруження, що визначаються лише температурним полем, мають дві зони своїх максимальних значень (рис.2.2). Перша зона створює максимальні термонапруження на ріжучій кромці ?з= 660МПа, а друга зона знаходиться під передньою гранню в зоні контакту взаємодії стружки з різцем. Величина ?з в цій зоні в двоє менша ніж на ріжучій кромці ?з =320МПа. Як бачимо окремий розгляд теплових і силових навантажень не дають правильної картини розподілу уз, що не відповідає експериментам і практиці руйнування ріжучої частини інструменту. Сумарна їх взаємодія показана на рис.2.3. В цьому випадку зона максимальних критеріальних напружень ?з починається на ріжучій кромці та розповсюджується вздовж задньої грані, досягаючи величини ?з=1320МПа. Точіння титанового сплаву ВТ1-0 твердосплавним різцем ВК8 (V=2.1м/с, S=0.15мм/с, t=0.5мм) дає іншу картину розподілу критеріальних напруг визначаючи, що їх гранична величина виникає не лише на задній грані, але й на передній в зоні контакту зі стружкою утворюючи лунку. Характер розміщення ?з при комбінованій дії силових та теплових навантажень повністю відповідає характеру руйнування ріжучої кромки. В даному випадку зона, де запас міцності менший одиниці, розповсюджується безпосередньо від ріжучої кромки вздовж задньої грані, та довжина її досягає 0.17 мм. Вимір довжини фаски зносу, утвореної на задній грані був 0.16 мм, що практично співпадає з розмірами зони, де критеріальні напруження, перевищують кордон міцності твердого сплаву ВК8. При охолодженні ріжучого інструменту максимальна величина критеріальних напруг утворюється під передньою гранню різця, що призводить до появи тріщин на ній.

Рис.3 Зміна параметрів процесу різання при точінні сплаву 30ХГСА твердосплавним різцем Т5К10. (Рz,Рy,Рx- сили різання, ln- довжина контакту стружки, h3- знос різца, qf- середні контактні навантаження тертя, ?? - крітеріальні навантаження ріжучої кромки, Тocmax, Тkpmax- максимальні температури різання і ріжучої кромки. V=1,2 м/с, S=0,1 мм/об, t=0,5мм.)

Рис.4. Основні параметри процесу різання (Рz,Рy,Рx- сили різання, ln- довжина контакту стружки, h3- знос різца, qf- середні контактні навантаження тертя, ?Ю,oi,o1,oМ- навантаження ріжучої кромки, n- показник ступення нормальних навантажень, Тocmax,

Тkpmax- максимальні температури різання і ріжучої кромки) при точінні сталі 20Х різцем ВК8 с азотованою поверхнею (1), з покриттям молібдену (2), без покриття (3) (V=2,1м/c, S=0,1 мм/об, t=0,5 мм)

Одним із головних показників ефективності роботи ріжучого інструменту являється стійкість. Найбільша температура і контактні навантаження в різці виникають на передній грані, із-за цього з точки зору теорії тертя передня грань повинна зношуватись набагато інтенсивніше ніж задня. Практика показала, що зношування ріжучого інструменту виникає в основному по задній грані. Очевидно, що одну із вирішальних ролей в інтенсифікації зношення визначають термопружні навантаження, які саме на задній грані досягають своєї максимальної величини і сприяють руйнуванню її поверхні. Так при точінні сталі 30ХГСА твердосплавним різцем Т5К10 зона розподілення критеріальних навантажень перевищує межу міцності через 18с досягаючи величини 0.13мм, а зношення 0.12мм (Рис.3).

При точінні титанового сплаву ВТ1-0 та сталі 20Х різцем ВК-8 зона небезпечних критеріальних навантажень досягає величини 0.21 мм, та відповідно знос дорівнює 0.20. Таким чином чітко спостерігається ріст зношення з ростом критеріальних навантажень, а величина і форма зношення відповідають розподілу критичних критеріальних навантажень.

Така взаємодія зношення та міцності різця дозволяє визначити найбільш ефективні його покриття для заданих умов обробки.

Так при точінні твердосплавним різцем ВК-8 сталі 20Х, найбільшу міцність різцю як і стійкість забезпечує азотування, при точінні титанового сплаву ВК1-0-молібденове покриття (Рис.4).

Аналогічні результати були отримані і при застосуванні покриттів для твердосплавних різців Т5К10 та Т15К6 при точінні сталі 30ХГС. В якості оцінки напруженого стану ріжучої частини приймається критеріальне напруження ?з, яке комплексно включає величини і інтенсивності головних напруг. Аналізуючи динаміку зміни термонапруг в ріжучому інструменті було виявлено, що їх найбільш небезпечні величини виникають при врізанні різців. Тому щоб зменшити їх вплив на руйнування інструменту було запропоновано поступове збільшення швидкості різання при врізанні різців. Застосування цього методу була приведена при точінні сталі 20Х твердосплавним ріжучим інструментом ВК ХОМ (?=0, б=8?, ц=ц1=45?). Врізання інструменту проводиться з S=0.15мм/с, t=0.5мм з початковою швидкістю різання 1.5 м/с з наступним її збільшенням на протязі 15с до 2.5 м/с.

Порівняння зношення різця після 180 с при цьому методі врізання та при звичайному врізанні одразу з заданою швидкістю показує, що запропонований метод врізання з наступним

збільшенням швидкості різання (за 10-15 с) практично не відображається на виробництві процесу точіння, але зменшує зношення інструменту в 5-6 разів (рис.5)

Рис. 5

Знос різця при звичайному врізанні (а) і з наступним збільшенням швидкості (б)

Таким чином, визначення термопружних напружень може не лише прогнозувати найбільш оптимальні геометричні параметри та види покриття ріжучого інструменту, а й значно зменшити його зношення нарощуванням швидкості різання при врізанні.

Загальні висновки.

1.В работі на основі об’ємного моделювання термоміцності твердосплавних різців вирішена проблема підвищення ефективності цього виду інструменту.

2.Вперше створена динамічна 3-х мірна модель для визначення термопружних напруг, які виникають в ріжучій частині інструмента при спільній дії на неї теплових та силових навантажень. Модель основана на МСЕ, що дозволяє вести розрахунки для будь-яких геометричних параметрів ріжучої частини інструмента в широкому діапазоні зміни умов його застосування від врізання до охолодження.

3. Вперше розроблена об’ємна модель розрахунку нестаціонарних температурних полів, які виникають як при стаціонарному, так і при перервному різанні. Створена на базі МСЕ модель, враховує нелінійність теплофізичних параметрів як при нагріванні інструмента в процесі різання, так і при охолодженні після закінчення процесу різання. Модель враховує нерівномірність розподілу теплових джерел на передній та задній гранях інструмента, а також різноманітну тепловіддачу в навколишнє середовище в залежності від виду охолодження в кожній частині ріжучої пластини. Експериментальні данні підтвердили високу достовірність розрахункових даних, які враховують майже всі основні параметри процесу різання.

4. Розроблена об’ємна модель для розрахунку контактних навантажень діючих на передній та задній гранях ріжучої частини інструменту.

5. Розрахунки, які враховують лише силові навантаження, призводять до зони максимальних напружень на задній грані, але нижче ріжучої кромки. В той час як врахування лише теплових навантажень призводить до появи зони максимальних напружень на ріжучій кромці з однаковим поширенням на передній та задній гранях. Лише спільне врахування теплових та силових навантажень на ріжучу частину інструменту дає справжню картину термопружного стану ріжучої частини інструменту підтверджену експериментально.

6. Дослідження різних видів покриттів ріжучої частини інструменту показали, що їх ефективність в більшості випадків визначається міцністю інструменту. Показано, що види покриттів з понижуючими термопружними напругами збільшують стійкість інструменту.

7. Отриманий на основі моделювання зв’язок термопружного стану ріжучої частини інструменту та його зношення в процесі різання значно інтенсифікує виникнення тріщин на задній грані, і лунки на передній грані.

8. Рекомендовано виконувати врізання ріжучого інструменту з поступовим нарощенням швидкості до її заданої величини, що призводить до зменшення термопружних напруг на 20-30% та скороченню зношення інструменту до 6 разів.

9. Розроблена модель дозволяє віртуальну реалізацію процесу точіння твердосплавним інструментом, що дає можливість визначати як режими різання, так і інші параметри процесу та інструменту, які дають його максимальну ефективність. Використання методів разрахунку термоміцності резців у виробничому процесі на Державному підприємстві завод “Арсенал” і ДАХК “Київський радіозавод” дозволили значно підвищити надійність і стійкість твердосплавних резців. Впровадження цієї технології дозволяє зменшити кількість зупинок та переналадок верстатів-автоматів, пов`язаних з поломками твердосплавних різців та продовжити їх термін роботи у 5 разів, а також збільшити кількість обробленних виробів.

1. Ostafiev V.A., Noshchenko A. N.Numerical Analis of Three-Dimentional Heat Excnange in Obligne Cutting. Annals of the CIRP Vol 34/1.1985. p.137-140
Здобувачем запропанована модель, розроблені алгоритми, програми та виконані розрахунки.

2. Нощенко А. Н. Численный анализ трехмерных нестационарных нелинейных температурных полей в зоне резания. “Физика и химия обработки материалов” №1.1986. с.44-47. Здобувачем розроблена модель та програми для ії реалізації.

3. Нощенко А. Н., Усачев П.А. Расчет температурных полей зоны резания. “Станки и инструмент” №2. 1986. с. 23-24.

Здобувачем розроблена модель, виконані алгоритми, програми та розрахунки.

4. Ostafiev V.A., Noshchenko A. N. Thermostrength of Carbide Tools. Annals of the CIRP. Vol.38/1. 1989. p.65-68/Здобувачем запропанована модель термоміцності, розроблені програми та виконані розрахунки термоміцності резців.

5. Нощенко О.М., Остаф’єв В.А., Термопружні напруження при приревчастій роботі твердосплавного різального інструмента. Вісник Технологічного Університету Поділля №4. 2002/4 1. с. 188-192.

Здобувачем розроблена модель, програми та виконано розрахунки.

6. Нощенко М.О., Остаф’єв В.А., Вплив термопружних напружень на знос різального інстументу. Вісник Технологічного Університету Поділля №5. 2002/4 1. с. 138-143.

Здобувачем запропанована модель, розроблені програми та виконано розрахунки.

7. Остаф”ев В.А., Нощенко М. О. Об’ємне моделювання термопружної міцності твердосплавного ріжучого інструмента при обробці деталей приладів. Наукові вісті НТ УУ “КПІ”. 2002. №4. с.7-14

Здобувачем розроблена модель та розроблені програми.

8. Остафьев В.А. Нощенко Н. А., Термопрочность режущего инструмента “Вестник машиностроения”№ 10, 1990, с. 61-64,

Здобувачем запропанована модель, розроблені алгоритми та програми.

9.Остафьев В.А., Усачев П.А., Нощенко А. Н. Расчет прочности режущей части инструмента. Киев. Об-во “Знание”УССР. 1981. 24 с.

Здобувачем розроблена модель міцності та виконано розрахунки.

10.Усачев П.А., Нощенко А. Н. Основы повышения работоспособности режущего инструмента. Киев. Об-во “Знание”УССР. 1983. 17 с.

Здобувачем запропанована модель та розроблені програми.

11. Нощенко А. Н.,Усачев П.А. Численный расчет термопрочности режущего инструмента. Тезисы Всесоюз. конференции “Теплофизика технологических процессов”.Киев. 1984. с151 Здобувачем розроблена модель та виконано розрахунки.

12. Нощенко А. Н., Александров А.Н.Усачев П.А. Определение прочности и износостойкости СТМ. Тезисы Всесоюзн. Конференции “Новые сверхтвердые материалы и прогрессивные технологии и их применение”. Киев. ИСМ. АН УССР. 1985. с. 187.

Здобувачем розроблені програми та виконано розрахунки.

13. Остафьев В.А., Нощенко А. Н., Фам Кьен Тхьем, Буряк В.Г. Численный анализ трехмерного нестационарного нелинейного теплообмена в зоне резания. Рукопись депонирована в УкрНИИНТИ. №303-Ук. РЛК.5. 1086. с.8 Здобувачем розроблені моделі,програми та виконано розрахунки.

14. Лучка А. Г., Нощенко О.Э., Нощенко А. Н., Сергиенко И.В., Тукалевская Н.И. Вариационно-итерационные алгоритмы в вычислительном эксперименте по исследованию трехмерного термоупругого напряженно-деформированного состояния режущего инструмента. Тезисы Всесоюзного семинара “Вопросы оптимизации вычислений”. Ин-т кибернетики им.В.М.Глушкова АН УССР. 1987. с. 127-128.
Здобувачем розроблені алгоритми та програми.

15. Нощенко А. Н., Мирзиев А.А. Численное исследование трехмерного нестационарного теплообмена при резании и термопрочности режущей части инструмента. Труды Всесоюзной конференции “Технологическая теплофизика”.Тольятти. 1988. с.20-21.
Здобувачем розроблені моделі,програми та виконано розрахунки.

16. Новицкий А.А., Нощенко А. Н., Махмудов К. Г. Исследование обрабатываемости прецезионного сплава высокого демпфирования 15 ХЮ-ИД. Труды Всесоюзной конференции “Типовые механизмы и технологическая оснастка станков автоматов, станков с ЧПУ и ГПС”. Чернигов. 1991. с.66.

Здобувачем проведено аналіз міцності різальної частини різців.

АНОТАЦІЇ

Нощенко Олександр Миколайович. Підвищення ефективності використання твердосплавних різців на основі об`ємного моделювання їх термоміцності.- Рукопис.

Дисертація присвячена рішенню актуальної наукової проблеми по створенню моделі напружено-деформованого стану ріжучого інструменту. Розроблено об'ємну нелінійну модель на основі МСЕ розподілу температури в зоні різання, дозволяє простежити зміну розподілу температури і при врізанні інструменту і при його охолодженні після закінчення процесу різання. Створено модель для визначення тривимірного напруженого стану ріжучої частини у цих умовах при одночасній дії теплових і силових навантажень. За допомогою розробленого варіаційно-градієнтного методу зроблена модернізація МКЕ, що дозволило визначати напружений стан інструмента практично в реальному масштабі часу. Зроблено об'ємний опис механічних навантажень на передній і задній гранях. У результаті створена модель розрахунку міцності ріжучого інструменту, що найбільше точно враховує реальної умови процесу різання. Отримані розрахунки по розподілу напруг у ріжучої частині твердосплавного інструменту, що дає можливість не тільки визначити його міцність для різних умов обробки, але і вибрати їх гарантуючі його надійну роботу.

За допомогою створеної моделі установлений взаємозв'язок між зносом різця і величиною його термопружних напруг дозволило визначити параметри процесу різання, що підвищують його стійкість.

Ключові слова: термонапруження, температура, контактні навантаження, зусилля різання, об’ємне моделювання, метод скінченних елементів, динамічне навантаження, міцність різців, зносостійкі покриття, знос різців.

Нощенко Александр Николаевич. Повышение эффективности работы твердосплавных резцов на основе объёмного моделирования их термопрочности.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01. - Процессы механической обработки, станки и инструменты. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2002.

Диссертация посвящена повышению эффективности работы твердосплавных резцов на основе объёмного моделирования их термопрочности. Впервые рассчитано, на основе МКЭ, трехмерное распределение термоупругих напряжений и температуры, возникающих во всём объёме режущей части инструмента с учётом одновремённого действия тепловых и объёмных контактных нагрузок при врезании, стационарном точении и охлаждении резца. Расчет распределения температуры во всем объеме режущей части инструмента велся на основе процесса теплообмена между инструментом, стружкой и деталью, которые непрерывно двигаются относительно друг друга. Лучшей расчетной схемой в этом случае является смешанная схема Эйлера-Лагранжа, основанная на принципе разделения процесса теплопроводности и конвективного переноса тепла. Объем зоны резания разделяется сечениями параллельными скоростями резания, скорости движения стружки и обрабатываемого материала. В этих сечениях размещаются узлы, согласно созданному алгоритму, который и учитывает кинематику процесса резания. После этого узлы в соседних сечениях связывают в призмы, которые делятся на пять или шесть тетраэдрных элементов. Расчет термоупругих напряжений велся в полученных тетраедных элементах тоже в два этапа: в первом под действием теплового расширения, а во втором под действием контактных нагрузок. Объемное распределение контактных нагрузок на режущей части инструмента было получено на основе энергетического принципа. Впервые показано, что только совместный учёт тепловых и силовых нагрузок на режущую часть инструмента даёт реальную картину распределения термоупругих напряжений подтверждающую их связь с износом инструмента. Это дало возможность на основе расчёта термоупругих напряжений не только определять условия поломки резцов с любыми геометрическими параметрами , но и находить наилучший вид их покрытий. Анализ параметров процесса резания показал, что как их величина, так и характер взаимовлияния зависят от вида обрабатываемого материала, режимов резания, геометрии режущего инструмента, вида его покрытия и целого ряда других условий точения. Поэтому напряженно упругое состояние режущей части инструмента, определяющее его прочность необходимо рассчитывать для каждого конкретного случая обработки и пересчитывать при изменении хотя бы одного из параметров процесса резания. Под действием только контактных нагрузок зона максимальных напряжений находится на задней грани, но несколько ниже режущей части кромки. В то время как от температуры максимальные термонапряжения возникают на самой режущей кромке и под передней гранью в средине контактной зоны. При охлаждении режущего инструмента после окончания процесса резания резко падает температура, как на передней, так и задней гранях при этом максимальная величина критериальных напряжений возникает под передней гранью, приводя к появлению трещин на ней. Изучение динамики термоупругих напряжений показал, что их наибольшая величина достигается в первые 10-15 с работы резца. Поэтому врезание режущего инструмента с постепенным нарастанием скорости до ее заданной величины приводит к уменьшению термоупругих напряжений на 20% и сокращению износа инструмента до 6 раз. Предложенный метод расчета термопрочности твёрдосплавных резцов позволил значительно увеличить эффективность их работы за счет уменьшения отказов и повышения стойкости, особенно, при использовании разработанного метода врезания резца.

Ключевые слова: термонапряжения, температура, контактные нагрузки, усилия резания, объёмное моделирование, метод конечных элементов, динамическая нагрузка, прочность резцов, износостойкие покрытия, износ резцов.

Noshchenko A.N. Carbide tool cutting efficiency rise by volume modeling of thermostrength.- Manuscript.

Thesis for scholar degree of candidate of technical sciences, on specialty 05.03.01- Process of machining, machines and cutting tools - National technical university of Ukraine “Kyiv Polytechnic institute”, 2002.

Thesis is devoted to carbide tool efficiency rise by volume modeling its thermostrength. At the first time the three dimensional thermostrength and nonlinear temperature model has been developed for a cutting tool on the base of FEM while it entering, machining and leaving workpiecies. At the first time it has been proved that only simultaneous action of thermal and volume contact loads could present the real thermostrength distribution into a cutting tool and close connected with cutting tool wear. Therefore a cutting tool thermostrength determination has permitted both a cutting tool breakage prediction with any geometrical parameters and it better coating type. The proposed volume thermostrength model has risen carbide tool cutting efficiency because their reliability improvement as well as tool life increasing especially under proposed cutting tool entering conditions.

Key words: thermostrength, temperature, contact loads, cutting forces, volume modeling, finite element method, dynamic loads, tool strength, tool coating, cutting tool wear.