НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ | “КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ | СТЕПЧИН ЯРОСЛАВ АНАТОЛІЙОВИЧ

УДК 621.941 | РАЦІОНАЛЬНЕ ВИКОРИСТАННЯ РЕСУРСА СТІЙКОСТІ

ТОКАРНИХ РІЗЦІВ В УМОВАХ ВІБРОАКТИВНОСТІ

ТЕХНОЛОГІЧНОЇ ОБРОБНОЇ СИСТЕМИ

Спеціальність 05.03.01 – Процеси механічної обробки, | верстати та інструменти |

АВТОРЕФЕРАТ | дисертації на здобуття наукового ступеня | кандидата технічних наук |

Київ - 2006 | Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології машинобудування і конструювання технічних систем Житомирського державного технологічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Мельничук Петро Петрович,

Житомирський державний технологічний університет, ректор, завідувач кафедри технології машинобудування і конструювання технічних систем. | Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, доцент

Данильченко Юрій Михайлович,

Київський національний технічний університет України ”Київський політехнічний інститут”, професор кафедри конструювання верстатів та машин, м. Київ | кандидат технічних наук, доцент

Кириченко Андрій Миколайович,

Кіровоградський національний технічний університет, завідувач кафедри конструювання верстатів та систем,

м. Кіровоград | Провідна установа: | Запоріжський національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра металорізальних верстатів і систем, м. Запоріжжя. |

Захист відбудеться ”20” червня 2006 р. о 15 00 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, корп 1, ауд № 214

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

Автореферат розісланий ” 19 ” травня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор |

В.С. Майборода

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Продуктивність токарної чистової обробки на верстатах з ЧПК, обробляючих центрах значною мірою залежить від повного використання ресурсу інструмента. Однією з вагомих складових, що впливає на стійкість інструмента, є рівень та характеристики вібрацій, що виникають у технологічній обробній системі (ТОС). Але, існуючі залежності стійкості лезових інструментів від основних параметрів вібраційних процесів при різанні, рекомендації по протидії вібраціям не враховують зміни поточних характеристик ТОС з часом зношення різця, і визначають найкращі умови безвібраційної обробки у визначений (частіше за все, початковий) момент часу.

Таким чином, є необхідність у технологічних методах, що забезпечать раціональне використання ресурсу кожного різального інструмента на основі визначення умов раціональної по рівню вібрацій обробки різанням з поточним контролем та підтримкою досягнутого рівня “маловібраційного” режиму обробки на протязі всього періоду стійкості інструмента.

Тому створення теоретичних основ раціонального використання ресурса стійкості токарних різців в умовах віброактивності ТОС, є актуальною науковою проблемою.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертація є складовою частиною досліджень, що виконувались в Житомирському державному технологічному університеті на кафедрі “Технології машинобудування і конструювання технічних систем” за пріоритетним напрямком "Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі" згідно з Законом України "Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки" від 11 липня 2001р. №2623-III. Матеріали дисертаційного дослідження використані у науково-дослідній темі № 301 (номер державної реєстрації - 0104U006129).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – раціональне використання ресурса стійкості токарних різців при чистовій обробці за рахунок визначення раціональних умов їх роботи методами віброакустичної діагностики технологічної обробної системи.

Досягнення поставленої мети визначило задачі дослідження:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Вперше розроблено теоретичні основи раціонального використання ресурса стійкості різальних інструментів на прикладі токарних твердосплавних різців при чистовій токарній обробці за рахунок досягнення та підтримки мінімального рівня вібрацій у ТОС цілеспрямованою зміною параметрів режиму різання при зношенні різця.

2. На основі теоретичних досліджень вперше визначено критерій залежності рівня віброактивності обробки від параметрів режиму різання та зношення інструмента на прикладі процесу точіння.

3. Дістала подальший розвиток теорія віброакустичної діагностики стану токарних різців під час різання в області контролю частотних діапазонів підвищеної віброактивності ТОС, що дозволило підвищити точність визначення ступеня зношування різців.

Практичне значення отриманих результатів

1. Розроблено метод керування стійкістю токарних різців при чистовому точінні шляхом цілеспрямованої зміни швидкості різання та подачі з метою досягнення та підтримки мінімального рівня коливань у зоні різання. За рахунок його застосування отримано зростання продуктивності обробки на 36%, збільшення площі обробленої різцем поверхні деталі до затуплення (при інших рівних умовах) на 35%.

2. За рахунок застосування удосконаленого методу віброакустичної діагностики зношення токарних твердосплавних різців при чистовому точінні досягнуто збільшення періода використання різців на 20 – 39 % відносно розрахованого періода стійкості.

3. Розроблена конструкція установки по контролю і управлінню процесом різання для оцінки величини та характеру зношення токарних різців за низькочастотними коливаннями у ТОС в режимі реального часу.

4. Розроблені рекомендації по

- забезпеченню оптимального співвідношення параметрів: рівень віброактивності ТОС – період стійкості токарного твердосплавного різця;

- збільшенню періода стійкості токарних різців регулюванням інтенсивності вібрацій у ТОС.

Результати роботи у вигляді теоретичних основ та рекомендацій по раціональному використанню ресурса стійкості токарних твердосплавних різців впроваджено на ВАТ “Верстатуніверсалмаш” (м. Житомир) та ВАТ “Вібросепаратор” (м. Житомир). За рахунок впровадження було досягнуто збільшення продуктивності токарної чистової обробки на 25-35%. Загальний економічний ефект від впровадження результатів роботи склав 14 тис. грн. на рік.

Результати дисертації використовуються у навчальному процесі кафедри “Технології машинобудування і конструювання технічних систем” Житомирського державного технологічного університету при викладанні навчальних дисциплін “Динаміка і випробування верстатів”, “Обладнання та транспорт механічних цехів”, “Металорізальне обладнання” для студентів спеціальностей 7.090202 “Технологія машинобудування” та 7.090203 “Металорізальні верстати та системи”.

Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі автор формулював мету, задачі та постановку роботи, методики і способи досягнення поставленої мети, виконував розрахунки, аналізував та узагальнював отримані результати. Особистий внесок здобувача у роботах, виконаних у співавторстві полягає у розробці основної ідеї, проведенні експериментів та підготовці матеріалів до опублікування. Обговорення наукових результатів виконувалося разом з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати досліджень доповідалися і обговорювалися на: міжнародних науково-технічних конференціях “Процеси металообробки, верстати та інструмент” (Житомир, ЖІТІ. 2001); „Важке машинобудування. Процеси металообробки, верстати, інструмент” (Краматорськ, ДУМА. 2003); на V Всеукраїнській молодіжній науково-технічній конференції “Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї – наука – виробництво.”(Суми, СДУ. 2005); на ХХХ науковій конференції, присвяченій 45-ій річниці ЖДТУ (Житомир, ЖДТУ, 2005).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 8 статей у фахових виданнях, (3 статті опубліковано одноосібно).

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, загальних висновків, списку літератури, що містить 142 найменування та 5 додатків. Повний обсяг роботи становить 180 сторінок, в тому числі 62 рисунки і 14 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, які вирішуються в роботі. Вказується наукова новизна та практичне значення отриманих результатів. Наведено інформацію щодо апробації, структури та обсягу роботи.

В першому розділі на основі аналізу літературних джерел встановлено, що при застосуванні статистичних методів оцінки періода стійкості металорізальних інструментів (в тому числі - токарних різців), особливо у чистових операціях на автоматизованому обладнанні не використовується весь ресурс стійкості інструмента, що призводить до підвищеної витрати інструментів, додаткового простоювання обладнання та зниження точності і продуктивності обробки.

Крім того, не враховуються зміни умов обробки в залежності від характеристик реальної ТОС та динаміки процесу обробки при спрацюванні інструмента.

Одним з вагомих факторів, який впливає на стійкість інструмента є рівень та характеристики вібрацій, що виникають у ТОС. Проблема впливу вібрацій, що виникають при різанні, на стійкість інструмента та продуктивність обробки розглядалaся у роботах А.І. Каширіна, В.Н. Подураєва, І.Г. Жаркова, В.Л. Заковоротного, А.І. Ісаєва, А.І. Маркова, А.Д. Макарова, В.С. Корсакова, А.Д. Шустикова.

На основі існуючих моделей динаміки ТОС, розглянутих у роботах В.А. Кудінова, М.Е. Ел’ясберга, М.Л. Орлікова, В.Б. Струтинського, Ю.В. Петракова, відмічається значна залежність її динамічних характеристик (перш за все, процесу різання) від величини та характеру зношення різця. З іншої сторони - стійкості (інтенсивності зношення) токарного різця від рівня та параметрів вібрацій при різанні.

Однак, проблемі раціонального використання ресурса стійкості різальних інструментів (токарних різців) за рахунок досягнення та підтримки мінімального рівня вібрацій у зоні різання при зношенні різця приділялося недостатньо уваги. Відсутня інформація по впливу зміни динамічних характеристик процесу різання при спрацюванні різальної частини інструмента на загальний рівень віброактивності обробки та шляхи його використання. Ці передумови і визначили основні завдання наукового дослідження.

У другому розділі наведені методики експериментальних та теоретичних досліджень, розглянуті передумови аналізу впливу динамічних характеристик складових ТОС на процес спрацювання різця, визначені обмеження, що накладають на процес різання умови обробки (розглянуті у роботі). Представлені теоретичні положення відображення та обробки вібраційного сигнала, що надходить з зони різання.

Перед аналізом динаміки пружної системи – визначені (експериментально) основні динамічні параметри вибраного для дослідження верстата з встановленими пристосуваннями, інструментом (різцем) та параметрами заготовки.

Представлені методики експериментальних досліджень та основні характеристики вимірювального обладнання, що використовувалося у роботі (рис. 1): вимірювальний комплекс на основі крейтової системи LTC виробництва LCard.

Рис. 1. Загальний вигляд установки для експериментальних досліджень.

1 – ПЕОМ, 2 – крейт LTC, 3 – підсилювач заряда, 4 – верстат КА-280,

5 – п’єзоакселерометр ДН-13

Наведені результати визначення основних статичних та динамічних параметрів вузлів верстата КА-280, що найбільше впливають на динаміку процесу обробки – шпиндельного вузла (з відповідним оснащенням) та супорта з інструментом.

Визначалися статичні параметри жорсткості шпиндельного вузла з патроном в залежності від кута повороту шпинделя, сили навантаження та її напрямку, динамічні характеристики шпинделя за методом вільних коливань.

Для супорта було визначено координати центра жорсткості по методу “пеленгації” жорсткість системи різець-супорт по напрямкам вісей у та z (для спрощеної плоскої схеми) і крутну жорсткість.

Визначення перших власних частот коливань супорта вконувалося за записом вільних коливань, які знімалися з п’єзоакселерометра, встановленого на різці по відповідному напрямку.

Розглянуто динамічні параметри токарного різця, як окремого елемента ТОС, розраховано власні частоти поперечних, поздовжніх та крутних коливань різця, виконана експериментальна перевірка отриманих значень.

Також розглянуті умови побудови математичної моделі ТОС на основі верстата КА-280. Побудовані динамічні моделі складових ТОС – шпиндельної (1) та супортної (2) груп та різця (3).

Спрощена динамічна характеристика пружної системи шпиндельної групи верстата КА-280 у вигляді амплітудно-фазової частотної характеристики має вигляд:

, (1)

де

А, В – постійні коефіцієнти, що враховують геометричні параметри передач та жорсткість шпиндельної групи.

Спрощена динамічна характеристика пружної системи супортної групи верстата КА-280 в формі амплітудно-фазової частотної характеристики:

,

де

(2)

Динамічна характеристика різця у вигляді амплітудно-фазової частотної характеристики:

, (3)

де

,

Враховуючи, що складові вхідних впливів та вихідних параметрів динаміки ТОС є, як правило, незалежними, побудовано спрощені структурні схеми верстата КА-280 при вхідному впливові – зміні припуску а і вихідних параметрах - динамічній складовій похибки обробки Д (рис. 2.), переміщення (коливання) вершини різця ус (рис. 3.) та динамічної складової сили різання Р. За схемами визначені трансформуючі функції динамічної системи верстата з метою аналізу впливу вхідних параметрів обробки та величини зношення різця на усталеність системи та її реакцію на збудження. На рисунках позначено: Wр – трансформуюча функція процесу різання, Wі - трансформуюча функція різця, Wс - трансформуюча функція супорта, Wш - трансформуюча функція шпиндельного вузла верстата.

На основі побудованих моделей ТОС є можливість виконати аналіз впливу кожного елемента на кінцеві параметри динамічної якості системи.

У третьому розділі виконано теоретичний аналіз проблеми керування стійкістю токарних твердосплавних різців за рівнем вібрацій зони різання та експериментально визначено співвідношення параметрів віброакустичного сигнала зони різання і вхідних умов токарної чистової обробки деталей машин, вплив рівня та характеристик вібрацій на спрацювання різців.

Рис. 2. Спрощена структурна математична модель токарного верстата (а) та блок-схема (б) даної моделі з визначеною передатною функцією динамічної системи верстата.

Вихідний параметр - динамічна складова похибки обробки Д.

Рис. 3. Спрощена структурна математична модель токарного верстата (а) та блок-схема (б) даної моделі з визначеною передатною функцією динамічної системи верстата. Вихідний параметр – переміщення вершини різця ус.

Розглянуті питання прогнозування величини та особливостей зношення токарних твердосплавних різців моніторингом віброакустичного сигналу з зони різання та особливості зміни динамічних характеристик ТОС при зношенні різця, вплив зношення на усталеність процеса різання. Виконано розгляд можливості цілеспрямованого вибору вхідних параметрів обробки з метою підтримки мінімального рівня віброактивності процесу різання на протязі усього часу зношення різця.

Виконана оцінка змінності частотних діапазонів динамічної активності складових ТОС при різанні

Зміна динаміки процеса різання у характерних для вибраної ТОС точках представлена на рис. 4. та 5. Графіки АФЧХ розташовані на рисунку знизу вгору відповідно зміні ширини фаски зношення різця, яка зростає від 0,1 (0,2, 0,4…) до 1 мм.

В залежності від величини фаски зношення, змінюються параметри: Tб ~ h2 та Тг, якщо враховувати залежність складових сили різання від зміни товщини зріза при коливаннях. Крім того, при зношенні різця збільшується сила різання. Відповідно, АФЧХ процеса різання змінюються ще більше (рис. 5.).

Таким чином, є можливість оцінити зміну величини фазового зсуву між коливаннями сили різання та товщини зрізуваного шару від величини фаски зношення h по задній поверхні та частоти.

Рис. 4. АФЧХ ПР в залежності від зміни швидкості різання та умов обробки.

Товщина зріза a = 0,05 мм. а, в – V = 120 м/хв; б, г - V = 240 м/хв.

а, б – неусталене різання, в, г– усталене рiзання.

За рис. 4. i 5. видно зміну двох основних параметрів, що обумовлюють виникнення і підтримку коливальних процесів при різанні, в залежності від величини фаски зношення по задній поверхні різця. Перший – це кут ц (кут фазового зсуву), величина якого пропорційна енергії підтримки коливань (максимум якої відповідає значенню ц = 90о, - 90о , мінімум – ц = 0о). Другий параметр – модуль характеристики R - радіус-вектор, що з’єднує початок координат з точкою на кривій АФЧХ процесу різання, яка відповідає конкретній частоті коливання, який показує співвідношення енергії і амплітуди коливання (чим менший модуль характеристики на визначеній частоті тим менша амплітуда при Eкол = const).

Рис. 5. АФЧХ ПР в залежності від величини спрацювання токарного різця.

На б враховано вплив величини спрацювання на Кр (зростання сили різання).

Спираючись на динамічну модель ПР та сумарну модель ТОС отримано залежність рівня віброактивності ТОС при різанні з часом зношення різця. Введено коефіцієнт віброактивності обробки KK = ? А sinц ? , де ц – фазовий кут, пропорційний енергії, яка йде на коливання, а А = R / Кр – відносна динамічна характеристика процесу різання. Зміна цього коефіцієнта характеризує ймовірність виникнення автоколивань, які унеможливлюють якісну обробку.

На рис. 6. показано залежність фазового кута ц та відношення „модуля АФЧХ” R до жорсткості різання Кр від величини зношення різця. Значення частот відповідають першим власним частотам коливань шпинделя (згинаючих) та супорта (по вісям y та z).

На основі визначених у розділі 2 динамічних параметрів cкладових ТОС (верстата КА-280) та вхідних умов процесу різання були побудовані АФЧХ динамічної системи, що об’єднує математичні моделі супортної та шпиндельної груп верстата, різця та процеса різання.

На рис. 7. показано АФЧХ, що має декілька петлеподібних ділянок, які відповідають основним резонансним частотам динамічної системи верстата у низькочастотному діапазоні. щ1 = 210 Гц – перша власна частота згинаючих коливань шпинделя (з трьохкулачковим патроном і заготовкою). щ2 = 290 Гц, щ3 = 670 Гц - власні частоти згинаючих коливань супорта по головним осям жорсткості, щ4 = 740 Гц – перша власна частота крутних коливань шпинделя.

Рис. 6. Залежність фазового кута ц та співвідношення R/Кр від ширини фаски

спрацювання. Усталене різання. а, б, в, ж, з, і: товщина зріза а = 0,05 мм;

г, д, є, к, л, м – а = 0,1 мм; а, г, ж, к: V = 120 м/хв; б, д, з, л: V = 180 м/хв;

в, є, і, м: V = 240 м/хв.

Рис. 7. АФЧХ розімкнутої системи (верстат КА-280). Вхідні параметри:

а = 0,05 мм, в = 1 мм, V = 250 м/хв, К = 2, h = 0,1 мм. Усталене різання.

Досліджено залежність параметрів віброакустичного сигнала від величини зношення різальної частини різця (рис. 8, 9, 10) і впливу вібропотужності процеса різання на стійкість (рис. 11).

На рис. 8. показано залежність спектрів коливань при зростанні фаски зношення та виникненні тріщини на різальній кромці різця, що привела до її викрошування. Перші ознаки реакції ТОС на виникнення мікротріщини простежуються вже при h = 0,3 мм, тоді як викрошування різальної кромки відбулося при h = 0,075 мм, відповідно після мікроруйнування різальної кромки значно зросла потужність вібраційного сигналу та зникла група піків на частотах 2…2,2 кГц.

Аналізуючи загальний спектр вібраційного сигнала на присутність та розвиток аномальних викидів, є можливість не тільки діагностувати стан різального інструмента, але і прогнозувати розвиток його спрацювання.

Рис 8. Динаміка зміни амплітудних спектрів коливань в залежності від величини фаски

зношення h різця. 1: h = 0 мм, 2: h = 0,15 мм, 3: h = 0,3 мм, 4: h = 0,45 мм,

5: h = 0,6 мм, 6: h = 0,75 мм. Заготовка ш60 мм, L = 150 мм.

V = 120 м/хв, S = 0,05 мм/об, t = 0,3 мм.

На рис. 9.а представлені залежності рівнів вібропотужності від величини фаски зношення по задній поверхні різця для випадків обробки труби (виліт заготовки 150-170 мм), б – обробка суцільної заготовки (виліт заготовки 50-70 мм)

Експериментальні дані апроксимовані поліномами:

рис. а: середній рівень потужності вібрацій Рср = -1,1679 + 13,6786h

вібропотужність на частоті 690 Гц Р690 = 0,6607+ 30,893h

рис. б: середній рівень потужності вібрацій Рср = - 0,6071 + 6,40476h

вібропотужність на частоті 690 Гц Р690 = 0,5536 + 25,7143h

Рис. 9. Залежність потужності віброакустичного сигнала від зношення різця. а – обробка

труби ш 60 мм, б – обробка суцільної заготовки ш 60 мм, 1 – зміна середньої потужності сигнала,

2 – зміна потужності на частоті ? 690 Гц.

Рис. 10. Залежність співвідношення потужностей вузькосмугового (690 Гц)

та широкосмугового спектрів від величини фаски зношення різця

по задній поверхні. 1 – за рис. 9.а. 2 – за рис. 9.б.

На рис. 10. представлено співвідношення абсолютних значень потужності сигнала.

Отримані залежності апроксимовані поліномами другого ступеня:

-

-

Рис. 11. Залежність стійкості токарних твердосплавних від рівня вібропотужності:

а: 1 - V = 180 м/хв, ц = 93?; 2 - V = 180 м/хв, ц = 45?; 3 - V = 220 м/хв, ц = 93?;

4 - V = 220 м/хв, ц = 45?. б: 1 - V = 180 м/хв, ц = 93?; 2 - V = 180 м/хв, ц = 45?;

4 - V = 220 м/хв, ц = 45?.

Проведено дослідження впливу вібропотужності процеса різання на стійкість. Рівень потужності коливальних процесів вимірювався в діапазоні частот від 0 до10000 Гц, який розбивався на два піддіапазони, умовно “низькочастотний” (1 піддіапазон – 0…2500 Гц, який включає в себе всі перші власні частоти коливань системи заготовки та системи інструмента (супорта) і низькочастотні автоколивання процеса різання) та “високочастотний” (2 піддіапазон – 2500…10000 Гц, який включає вищі власні частоти коливань системи заготовки та системи інструмента, першу власну частоту поперечних коливань різця та високочастотні автоколивання процеса різання).

З деякими обмеженнями, отримано лінійну залежність стійкості токарних твердосплавних різців від рівня вібропотужності процеса різання у всьому діапазоні досліджуваних частот та вхідних параметрів обробки - рис. 11: а - рівень вібропотужності у 2 піддіапазоні високий (12,5 Дб), у 1 зростає від 2,5 до 12,5 Дб. б - рівень вібропотужності у обох піддіапазонах зростає від 2,5 до 12,5 Дб.

У четвертому розділі виконано узагальнення результатів теоретичного дослідження за динамічною моделлю процесу різання та проведена їх експериментальна перевірка; розглянуті основні умови надійної діагностики та прогнозування процесу зношення токарних твердосплавних різців при чистовому точінні на основі контролю віброакустики зони різання; визначено взаємозв’язок параметрів режиму різання та інших вхідних характеристик токарної чистової обробки з рівнем вібрацій зони різання; подано рекомендації по застосуванню розробленого метода керування стійкістю токарних різців при чистовому точінні.

На основі отриманих експериментальних даних та теоретичного узагальнення реакції ТОС на процес різання та зношення токарного різця, розроблена система контролю процеса різання за параметрами вібраційного сигнала у низькочастотній зоні (рис. 12.).

Рис. 12. Структурна схема контролю процеса різання за спрацюванням різця.

Робота установки базується на застосуванні у керуванні процесом контроля зношення різального інструмента (як приклад, розглянуто токарний прохідних різець) ПЕОМ, яка виконує послідовний контроль-опитування через вимірювальну систему групи датчиків встановлених на елементах ТОС (верстата або верстатів).

На основі графіка мінімальної інтенсивності вібрацій (рис. 13.) виконано розрахунок та експериментальну перевірку ефективності використання розробленого метода за критеріями: максимальною площею обробленої поверхні П = VTS/1000 та продуктивністю обробки Р = П/Т, де П – площа обробленої поверхні різцем за період стійкості Т, V - швидкість різання, S – подача (табл. 1, рис. 14).

Послідовності зміни складових режиму різання (наприклад, 1 - 3 - 4) передбачають обробку при фіксованих значеннях S, V, коли при зростанні фаски зношення підтримується мінімум вібрацій, далі перехід до наступної пари S, V.

Рис. 13. Співвідношення віброактивності процесу різання, параметрів режиму

різання та спрацювання токарного різця. Графік а - мінімальна віброактивність

за умов t = 1 мм, ц = 90?, г = 10?, б = 6?, б - t = 1 мм, ц = 45?, г = 0?, б = 8?.

Зона в – підвищена віброактивність обробки.

На рис. 14. показано зростання площі обробленої поверхні (а) та продуктивності обробки (б) при постійних V та S (1, 2, 3) та з їх послідовною (за графіком рис. 12.) зміною. Нумерація на діаграмі відповідає нумерації таблиці 1.

При порівнянні варіанту 1 - 3 - 4 з найкращими варіантами (точки 3 та 5) постійних S та V, досягається зростання ефективності обробки по критерію

Таблиця 1.

N

з/п | Параметри режиму різання

S, V (точки на

рис. 11.) | Середня експери-ментальна стійкість (хв.) | Критерії оптимальності обробки

П = VST/1000 | Р = П/Т

м2 | м2/хв

1. | 3 | 95 | 2,375 | 0,025

2. | 4 | 83 | 1,245 | 0,015

3. | 5 | 115 | 1,581 | 0,013

4. | 1 - 3 - 4** | 96 | 3,24*** | 0,03375

5. | 2 - 3 - 4 | 110 | 3,05 | 0,028

6. | 2 - 3 - 5 | 102 | 2,775 | 0,027

Рис. 14. Залежність площі обробленої поверхні (а) та продуктивності обробки (б) при постійних V та S (1, 2, 3) та з послідовною (за графіком рис. 11)

зміною V та S (4, 5, 6).

максимальної площі обробленої поверхні не менше ніж на 36% (точка 3), по продуктивності обробки - на 35% (точка 3), для варіанта 2 - 3 - 4 ? 28% та 12% відповідно.

ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ

ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Степчин Я.А. Теоретичні основи оцінки стану токарного різця за частотними спектрами // Вісник ЖІТІ . – 2002. – № 20. – С. 71-74

2. Степчин Я.А. Оцінка усталеності шпиндельного вузла верстата за часовими частотними характеристиками // Вісник ЖІТІ. – 2001. – Спец. випуск. – С. 274 –279.

3. Степчин Я. А. Підвищення стійкості токарних твердосплавних різців керуванням віброактивністю процесу різання // Вісник СумДУ, вип. 11(83) – С. 159-162.

4. Мельничук П.П, Степчин Я.А. Визначення характеристик динамічної системи верстата 16К20 // Вісник ЖІТІ. – 2000. – № 14. – С. 62–67. Дисертанту належить розробка методики, проведення експерименту та аналіз результатів.

5. Мельничук П.П., Степчин Я.А. Частотні характеристики системи “верстат-різець-деталь” як критерій спрацювання токарного твердосплавного різця // Вісник ЖІТІ. – 2001. - №17 / Технічні науки. С20-24. Дисертанту належить проведення експерименту, обробка отриманих експериментальних даних та виконання розрахунків.

6. Мельничук П.П, Степчин Я.А. Контроль та прогнозування спрацювання то-карних різців за динамічними характеристиками процеса різання. Праці міжнародної науково-технічної конференції „Важке машинобудування. Процеси металообробки, верстати, інструменти”. 3 -5 червня 2003 року. – Краматорськ: ДУМА. 2003. – С. 128 -132. Дисертанту належить проведення експерименту, аналіз і узагальнення результатів.

7. Мельничук П.П, Степчин Я.А. Керування стійкістю токарних твердосплавних різців в умовах віброактивності технологічної обробної системи // Збірник наук. праць КНТУ. – 2004, вип.15,- 484 с. Дисертанту належить постановка та проведення експерименту, розрахунки та аналіз результатів.

8. Мельничук П.П., Степчин Я.А. Оцінка динаміки ТОС при спрацюванні токарного різця // Вісник ЖДТУ / Технічні науки. – 2004. - №4(31). – Том 1. – С. 66-69. Дисертанту належить виконання теоретичного дослідження, експерименту та аналізу результатів.

Анотація

Степчин Я. А. Раціональне використання ресурса стійкості токарних різців в умовах віброактивності технологічної обробної системи. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 – Процеси механічної обробки, верстати та інструменти. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2006.

Робота присвячена раціональному використанню ресурса стійкості токарних різців та підвищенню продуктивності токарної чистової обробки за рахунок забезпечення умов оптимальної по рівню вібрацій обробки різанням. Розроблено теоретичні основи раціонального використання ресурса стійкості різальних інструментів на прикладі токарних твердосплавних різців при чистовій токарній обробці за рахунок досягнення та підтримки мінімального рівня вібрацій у технологічній обробній системі (ТОС) цілеспрямованою зміною параметрів режиму різання при зношенні різця. На основі теоретичних досліджень вперше визначено критерій залежності рівня віброактивності обробки від параметрів режиму різання та зношення на прикладі процесу точіння. Дістала подальший розвиток теорія віброакустичної діагностики стану токарних різців під час різання в області контролю частотних діапазонів підвищеної віброактивності ТОС, що дозволило підвищити точність визначення ступеня зношування різців.

За рахунок застосування розробленого методу керування стійкістю токарних різців отримано зростання продуктивності обробки на 36%, площі обробленої різцем поверхні деталі до затуплення (при інших рівних умовах) на 35%.

Ключові слова: технологічна обробна система, динаміка, процес різання, токарний твердосплавний різець, період стійкості.

Аннотация

Степчин Я. А. Рациональное использование ресурса стойкости токарных резцов в условиях виброактивности технологической обрабатывающей системы. – 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, 2006.

Работа посвящена рациональному использованию ресурса стойкости токарных резцов и повышению производительности токарной чистовой обработки за счет обеспечения условий оптимальной по уровню вибраций обработки резанием. Разработаны теоретические основы управления стойкостью режущих инструментов на примере токарных твердосплавных резцов при чистовой токарной обработке за счет достижения и поддержки минимального уровня вибраций в технологической обрабатывающей системе (ТОС) целенаправленным изменением параметров режима резания при износе резца. На основе теоретических исследований впервые определен критерий зависимости уровня виброактивности обработки от параметров режима резания и износа на примере процеса резания. Получила дальнейшее развитие теория виброакустической диагностики состояния токарних резцов во время резания в области контроля частотных диапазонов повышенной виброактивности ТОС, что позволило повысить точность определения степени износа резцов.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов, списка использованной литературы и приложений.

Во вступлении обоснована необходимость рационального использования ресурса стойкости каждого режущего инструмента.

В первом разделе на основании анализа литературных источников определены возможности повышения периода стойкости инструментов (на примере токарных резцов) за счет управления уровнем вибраций во время процеса обработки.

Во втором разделе рассмотрены предпосылки теоретического анализа влияния динамических характеристик составляющих ТОС на процесс износа резца. Определены ограничения, которые накладывают на процесс резания условия обработки, диапазоны изменения параметров режима резания, геометрии резца, механических характеристик обрабатываемых материалов. Выполнена оценка непостоянства зон динамической активности составляющих ТОС при резании и построены их динамические модели и суммарная модель ТОС.

В третьем разделе рассмотрено возможности целенаправленного выбора входных параметров обработки с целью поддержания оптимального уровня виброактивности процесса резания на протяжении всего времени износа резца. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований зависимости уровня и характеристик виброакустического сигнала от режимов резания, параметров упругой системы станка, заготовки, инструмента и собственно процеса резания, а также величины износа резца. Исследовано влияние мощности вибраций при резании на стойкость резца. Выполнен анализ условий достижения минимального уровня вибраций при чистовом точении. На основе динамической модели процеса резания и суммарной модели ТОС получена зависимость уровня виброактивности ТОС при резании от величины износа резца.

В следующем разделе выполнено обобщение результатов теоретических исследований и их экспериментальная проверка. Рассмотрены основные условия надежной диагностики и прогнозирования процесса износа токарных твердосплавных резцов при чистовом точении на основе контроля виброакустики зоны резания. Приведены данные по разработке и использованию системы контроля процеса резания по параметрам вибрационного сигнала в низкочастотной области.

Поданы рекомендации по использованию разработанного метода управления стойкостью токарных резцов при чистовом точении.

Результаты работы в виде теоретических основ и рекомендаций по рациональному использованию ресурса стойкости токарных твердосплавных резцов внедрены в производство на двух предприятиях Украины. За счет внедрения получено увеличение производительности обработки в 1,3 раза.

Ключевые слова: технологическая обрабатывающая система, динамика, процесс резания, токарный твердосплавный резець, период стойкости.

Annotation

Stepchin Ya. A. Stability resource to make use of turning incisors in the conditions of vibroactivity technological processed system. – The manuscript.

Dissertation for the candidate of the Technical Sciences / Engineering degree in speciality 05.03.01 – The Processes of the mechanical treatment, tools and instruments. – National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2006.

The dissertation is dedicated to increase the period of resistance turning cutting tools and the rise of efficiency turning dimension treatment in the conditions of optimum vibration on the level of the processing of cuttings. The theoretical bases management stability of cutting instruments is designed on the example of turning hard-alloys incisors with dimension turning processing to account of the achievement and support of the minimum level of vibration in TРS goal-directed change parameters mode of the cutting at wear-out incisor. On base of the basic researches is determined for the first time the criterion to dependencies of level vibroactivity of processing from parameters of the mode of the cutting and productions on the example of the process of the sharpening.

The theory of vibroacoustic diagnostic of the condition turning incisors during cutting in the field of checking frequency range increasing vibroactivity TРS has got the most further development that has allowed to raise accuracy of the determination degree wear-out incisors.

To account of the use the designed method of stability management turning incisors is received the increase of productivity of the processing on 36%, the area of processed incisor surface of the detail to dulling ( with the other equal terms) on 35%.

Key words: technological processed system, track record, process of the cutting, turning hard-alloy incisor, period of stability (resistance).