НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

БУШЛЯ ВОЛОДИМИР МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 621.914

ПІДВИЩЕННЯ ПРОДУКТИВНОСТІ ЧОРНОВОЇ ОБРОБКИ
ПЛОСКИХ ПОВЕРХОНЬ ЧАВУННИХ ДЕТАЛЕЙ ТОРЦЕВИМИ
ФРЕЗАМИ З НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ

Спеціальність 05.03.01 – Процеси механічної обробки, верстати та інструменти

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Житомирському державному технологічному університеті на кафедрі "Технологія машинобудування і конструювання технічних систем" Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Виговський Георгій Миколайович,

Житомирський державний технологічний університет,

м. Житомир, МОН України,

проректор з науково-педагогічної роботи

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Луців Ігор Володимирович,

Тернопільський державний технічний університет

ім. І.Пулюя, м. Тернопіль, МОН України,

перший проректор, проректор з навчальної роботи

кандидат технічних наук, доцент

Герасимчук Олена Михайлівна,

Національний технічний університет України “Київський

політехнічний інститут”, м. Київ, МОН України,

доцент кафедри “Інструментальне виробництво”

Захист відбудеться “22” жовтня 2007 р. о 15:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.11 у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 01056, м. Київ, пр. Перемоги, 37, корпус №1, ауд. 214.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 01056, м. Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “20” вересня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Майборода В.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення продуктивності лезової чорнової обробки плоских поверхонь фрезеруванням є важливою задачею металообробного виробництва. Ефективним шляхом вирішення даної задачі є впровадження процесів обробки прогресивними інструментами, оснащених новими інструментальними матеріалами з високими фізико-механічними властивостями. Зокрема запровадження процесів торцевого фрезерування надтвердими матеріалами замість обробки твердосплавними фрезами дозволяє досягати одночасного підвищення продуктивності і якості обробки деталей та гарантує ріст ефективності верстатобудування та машинобудування в цілому. Впровадження надтвердих матеріалів на операціях чорнової обробки плоских поверхонь чавунних деталей є особливо актуальним, оскільки до 27% від загального числа виготовлених деталей на верстатах із ЧПУ і багатоцільових верстатах припадає на корпусні деталі, а на трудомісткість їхньої обробки – близько 60% сумарної трудомісткості.

Підвищення продуктивності при знятті припусків 8...10 мм на чорнових та попередніх операціях торцевого фрезерування вимагає застосування прогресивних схем
різання, визначення параметрів обробки при яких забезпечується максимальна ефективність даного процесу. Крім того комплекс властивостей нових інструментальних
матеріалів потребує пошуку нових підходів до проектування інструменту, геометрії
різальних елементів та режимів різання.

Дослідження розглянутих перспективних напрямків підвищення продуктивності чорнової обробки, при забезпеченні стабільності процесу та стійкості торцевих фрез оснащених НТМ, має важливе значення і є актуальним на сучасному етапі розвитку машинобудування та науки про інструмент і різання металів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Матеріали дисертаційної роботи пов'язані з виконанням НДР Житомирського державного технологічного університету: фундаментальне наукове дослідження “Теоретичні основи високопродуктивної технології чистової лезової обробки плоских поверхонь деталей композитним інструментом” (№ державної реєстрації 0106U010633); госпдоговірна тема “Фінішна обробка загартованих сталей косокутними фрезами з полікристалічними надтвердими матеріалами” (№ державної реєстрації 0102U005623/ 0304U001440); госпдоговірна тема “Розробка прогресивного багатолезового інструменту для чистової обробки плоских протяжних поверхонь на вертикально-фрезерних верстатах” (№ державної реєстрації 0102U005622/0304U001439).

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є підвищення продуктивності чорнової обробки плоских поверхонь чавунних деталей торцевими фрезами зі спірально-ступінчастим розташуванням ножів, оснащених надтвердими матеріалами, із забезпеченням стабільності фрезерування шляхом використання раціональних параметрів фрез та режимів їх роботи.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

· встановити умови ефективної роботи чорнових торцевих фрез з НТМ на основі порівняльного аналізу конструкцій і геометричних параметрів фрез, характеристик процесу чорнового торцевого фрезерування, матеріалів різальної частини ножів та їх впливу на продуктивність чорнової обробки і стійкість інструменту;

· визначити геометричні параметри фрез та режими їх роботи за умови мінімізації динамічного перевантаження ножа за допомогою розробленої моделі процесу врізання косокутного безвершинного ножа чорнової торцевої фрези в заготовку із врахуванням перехідних явищ;

· визначити вплив конструкції фрези, схеми зрізання припуску та режимів експлуатації інструменту на динамічну стабільність процесу обробки плоских поверхонь торцевими фрезами з надтвердих матеріалів за допомогою розробленої моделі багатоножового чорнового торцевого фрезерування;

· експериментально встановити взаємозв’язок між режимами обробки і основними геометричними параметрами ножа фрези і величинами складових сили різання і нормальних середніх напружень на передній поверхні ножа;

· дослідити вплив режимів різання на стійкість торцевих фрез з НТМ та характер зношування різальних їх елементів при чорновій обробці чавунів;

· обґрунтувати конструктивні параметри фрези, схеми зрізання припуску, геометрію інструменту та режими різання для досягнення підвищення продуктивності і розробити рекомендації щодо впровадження результатів дисертаційної роботи на машинобудівних підприємствах.

Об’єктом дослідження є процес чорнової обробки плоских поверхонь торцевими фрезами з надтвердих матеріалів.

Предмет дослідження є торцеві фрези з надтвердих матеріалів для чорнової обробки плоских поверхонь чавунних деталей.

Методи досліджень. Теоретичні та експериментальні дослідження, розробка практичних рекомендацій проводилися на базі використання положень технології машинобудування, теорії інструментального виробництва, теорії різання металів, інтегрального та диференційного числення, прикладних методів теорії коливань, теорії чисельного аналізу, засобів математичного моделювання на ЕОМ. Експериментальні дослідження проводилися з використанням сучасної вимірювальної техніки.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше розроблено аналітичну модель процесу врізання косокутного безвершинного ножа торцевої фрези в заготовку із врахуванням перехідних явищ з метою визначення геометричних параметрів фрези та режимів її роботи за умови мінімізації динамічного перевантаження ножа.

2. Набула подальшого розвитку модель багатоножового чорнового торцевого фрезерування для визначення сумарних значень сили різання та оцінки стабільності процесу обробки за критерієм коефіцієнта нерівномірності, яка, на відміну від існуючих, враховує похибки розташування ножів фрези і елементів режимів різання та перехідні процеси при врізанні і виході ножів.

3. За результатами експериментальних досліджень вперше визначено значення коефіцієнта та показників степеня узагальненої степеневої залежності складових сили різання для випадку чорнового косокутного безвершинного торцевого фрезерування НТМ та визначено характер впливу на них режимів різання і геометрії інструменту.

4. За результатами комплексу експериментальних досліджень, розроблених математичних моделей та аналітичних залежностей, вперше досягнуто підвищення продуктивності чорнової обробки торцевими фрезами з НТМ у 2-4 рази, в порівнянні з твердосплавним інструментом, за рахунок впровадження раціональних схем зняття припуску, при одночасному збереженні зносостійкості завдяки обґрунтуванню режимів різання і геометрії інструменту.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному: при обробці чавунних деталей досягнуто підвищення продуктивності чорнового торцевого косокутного фрезерування НТМ у 2-4 рази, в порівнянні з твердосплавним інструментом, за рахунок використання спірально–ступінчастих схем різання в досліджуваних фрезах; розроблено рекомендації щодо вибору раціональних конструктивних параметрів чорнових торцевих фрез та раціональних геометричних параметрів ножів і режимів експлуатації даних фрез, внаслідок чого досягнуто високий рівень зносостійкості інструменту та продуктивності обробки; спроектовано ряд чорнових торцевих фрез з надтвердих матеріалів та розроблено керівні матеріали з вибору ефективних режимів їх експлуатації. Розроблені фрези та керівні матеріали передані для впровадження у виробництво на ВАТ “Верстатуніверсалмаш” (м. Житомир) та ВАТ “Вібросепаратор” (м. Житомир) для чорнової обробки ряду корпусних чавунних деталей з очікуваним річним економічним ефектом 14426,38 грн./рік та 11372,06 грн./рік відповідно.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто розглянуті та проаналізовані теоретичні і практичні підходи та методи до проектування чорнових торцевих фрез і рекомендації щодо їх ефективної роботи. Створено та удосконалено моделі процесу одно- та багатоножового чорнового торцевого фрезерування. Розроблено рекомендації щодо раціональних конструктивних параметрів фрез, схем обробки, геометрії ножів фрез та режимів експлуатації. Проведено аналітичні та експериментальні дослідження, результати яких дозволили досягнути підвищення продуктивності чорнової обробки торцевими фрезами з НТМ і забезпечення зносостійкості інструменту. В держбюджетних та госпдоговірних науково-дослідних роботах автор приймав активну участь в теоретичній, так і в експериментальній частинах.

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися й були схвалені на: І-й Всеукраїнській молодіжній науково-технічній конференції “Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї – наука – виробництво” (Суми, 2001); International Conference “Tools 2002” (Slovakia, Bratislava, 2002); IІI-ій міжнародній науково-технічній конференції “Процеси механічної обробки, верстати та інструмент” (Житомир, 2003); International Conference “MECHANICS 2002” (Poland, Rzeszow, 2002); ІІ-й Всеукраїнській молодіжній науково-технічній конференції “Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї – наука – виробництво” (Суми, 2002); V-й міській міжвузівській науково-практичній конференції студентів та молодих вчених (Житомир, 2003); III-ій Всеукраїнській молодіжній науково-технічній конференції “Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї – наука – виробництво” (Запоріжжя, 2003); IV-ій міжнародній науково-технічній конференції “Процеси механічної обробки, верстати та інструмент” (Житомир, 2005); 32th Jupiter international conference with foreign participants (Serbia, Beograd, 2006).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 10 наукових робіт, в тому числі: 6 статей – у фахових наукових виданнях, 2 роботи опубліковано одноосібно.

Структура та обсяг роботи. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та 5 додатків. Робота викладена на 156 сторінках, проілюстрована 74 рисунком та 22 таблицями. Список літературних джерел включає 137 найменувань. Кількість додатків – 5 на 51 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі досліджень, вказані наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, подані відомості про апробацію, публікації та структуру роботи і сформульовані мета і задачі дослідження.

У першому розділі проведено аналіз особливостей конструкцій та геометричних параметрів фрез, характеристик процесу та інструментальних матеріалів.

Аналіз механізмів регулювання осьового та торцевого биття різальних елементів торцевих фрез, типів і форм полікристалів з НТМ, методів їх закріплення в інструменті та схем зняття припуску показав необхідність застосування спірально-ступінчастої схеми розташування різальних елементів та розподілу припуску за глибиною та подачею, регулювання осьового та радіального положення різальних елементів та доцільність оснащення різальних елементів непереточуваними круглими пластинами при стандартній геометрії та переточуваними напаяними пластинами при використанні спеціальної геометрії.

Дослідження впливу режимів різання та геометричних параметрів ножів фрез при обробці чавунних заготовок на продуктивність обробки і стійкість інструменту дозволило встановити загальні межі ефективної роботи фрез з НТМ, однак аналіз даних явищ показав, що надійні практичні рекомендації відносно раціональних параметрів процесу майже відсутні.

Встановлено, що загальною умовою ефективної обробки чорновими торцевими фрезами з НТМ є використання обладнання з високими показниками точності та жорсткості і методів стабілізації процесу обробки.

У другому розділі проведено аналітичні дослідження динаміки процесу чорнового фрезерування на базі розроблених математичних моделей процесів одно- та багатоножового торцевого фрезерування.

Забезпечення на максимально високому рівні стійкості інструменту може бути досягнуте за рахунок мінімізації перехідних процесів, викликаних ударною взаємодією інструменту і заготовки в моменти його врізання/виходу.

Відомим є закон навантаження еквівалентної динамічної пружної системи, що забезпечує відсутність перевантаження системи при імпульсних навантаженнях і який характеризується значенням коефіцієнта динамічності . Запропоновано досягнення таких умов навантаження оброблюючої системи за рахунок наближення динамічної поведінки реальної системи до вказаної шляхом варіювання конструктивних та геометричних параметрів фрез, режимів і схеми обробки. Математично поставлену задачу можна описати наступною залежністю:

, | (1)

де – оптимальний закон навантаження динамічної пружної системи;

– розрахункова залежність навантаження реальної динамічної системи;

г, л, r – передній кут, кут нахилу головної різальної кромки та радіус різальної пластини відповідно;

– діаметр фрези;

,n, t – подача на зуб, частота обертання фрези та глибина різання відповідно;

е, B – ексцентриситет та ширина заготовки відповідно;

и– кут, який визначає положення вершини різального елемента.

При розгляді однократного врізання при наявності сліду від попереднього різу по необробленій плоскій поверхні при стабільному значенні припуску, що зрізається, а також наявності радіусної косокутної різальної кромки та рівномірний розподіл навантаження залежність навантаження реальної системи можна представити через відношення поточної площі до повної площі контакту передньої поверхні ножа з заготовкою (2). Визначення поточної площі контакту проводиться при розбитті повної площі на ділянку до моменту перетину передньої поверхні ножа (рис. 1, а) і після контакту ножа (рис. 1, б) з верхньою площиною заготовки.

. | (2)

Рис. 1. Схема визначення поточної площі контакту ножа чорнової торцевої

фрези з бічною площиною заготовки в її особливих положеннях

На базі аналізу впливу вихідних параметрів на характер навантаження згідно із запропонованою моделлю встановлено, що найбільш ефективним шляхом досягнення співпадання розрахункового та оптимального характерів навантаження косокутного безвершинного ножа торцевої фрези є варіювання значень глибини різання (рис. 2, а), переднього кута, кута нахилу головної різальної кромки (рис. 2, б) та значення ексцентриситету положення фрези відносно заготовки.

Рис. 2. Вплив миттєвого кута різання на відношення поточного до повного
часу навантаження при зміні глибини різання (а) та кута
нахилу головної різальної кромки (б)

Для визначення раціональних параметрів геометрії ножа фрези, режимів і схеми обробки необхідним є додаткове експериментальне визначення реальних значень таких вхідних параметрів моделі, як: узагальнена маса , жорсткість та коефіцієнт демпфування динамічної пружної системи.

З метою перевірки умови міцності різальної частини ножа фрези та згідно з поставленою задачею щодо підвищення зносостійкості інструменту розроблено геометричну модель для визначення залежностей площі контакту передньої поверхні ножа із заготовкою від кінематичних та геометричних параметрів процесу торцевого фрезерування із врахуванням змінності зрізу по ширині заготовки.

Необхідно відмітити, що в даній моделі, на відміну від типових, враховані наступні особливості: рух ножа фрези в процесі різання по циклоїді, кут між площинами передньої поверхні у двох послідовних циклах траєкторії, наявність частини площі зрізу у від’ємній півплощині напрямку – координата (рис. 4).

В результаті моделювання встановлено типовий характер впливу основних вихідних параметрів моделі на площу контакту і значний та нелінійний вплив кута нахилу головної різальної кромки (рис. 5).

Рис. 4. Схема для визначення площі зрізу

Рис. 5. Залежність площі контакту від кута нахилу головної різальної
кромки та кута різання

У відповідності до поставлених задач проводилось аналітичне дослідження впливу конструктивних параметрів торцевих фрез, режимів і схеми обробки на силові показники багатоножового торцевого фрезерування, що реалізовано шляхом створення удосконаленої математичної моделі процесу обробки, яка, на відміну від існуючих, враховує наявність перехідних процесів в моменти врізання/виходу ножів фрези, змінну кількість ножів, які приймають участь в різанні, неоднаковість товщини і ширини шару, що зрізається окремим ножем внаслідок торцевого та радіального биття ножів.

Моделювання проводилось в інтегрованому математичному середовищі MatLAB – пакет Simulink (рис. 3).

Рис. 3. Загальна модель для визначення сумарних значень сили різання: 1 – блок задання глибини різання; 2 – блок задання подачі на хвилину; 3 – блок задання радіуса при вершині ножа; 4 – блок задання переднього кута різального ножа фрези; 5 – блок задання частоти обертання торцевої фрези; 6 – блок задання корегованих значень радіальних положень різальних елементів торцевої фрези; 7 – блок задання номінальних радіальних положень різальних елементів; 8 – задання ширини заготовки; 9 – підсистема визначення сили різання на різальних елементах, яка враховує перехідні процеси при врізанні/виході, білий шум, вплив похибок виставлення ножів на параметри зрізу для кожного ножа окремо і використовує експериментально визначені значення сил, що діють на окремий ніж; 10 – підсистема визначення кутових значень розташування різальних елементів на торцевій фрезі; 11 – підсистема для створення циклічності моделювання;  – блок передачі результатів моделювання в табличному вигляді та інтеграції з іншими програмами.

Аналіз результатів проведених досліджень показав їх відповідність типовим залежностям впливу конструктивних параметрів фрез, схеми і режимів обробки на сумарне значення складових сил різання, що підтверджує адекватність розробленої моделі для прогнозування сумарних значень сил різання при чорновому торцевому фрезеруванні спірально-ступінчастими фрезами з надтвердих матеріалів.

У третьому розділі представлено конструкцію експериментальної чорнової торцевої фрези, яка дозволяє реалізовувати різні схеми зняття припуску, алгоритм її складання та налагодження, розроблений апаратно-програмний комплекс для визначення силових характеристик процесу фрезерування та методики проведення експериментальних досліджень.

Конструкція експериментальної фрези, представленої на рис. 6, дозволяє реалізувати схеми зняття припуску за подачею, глибиною, подачею і глибиною з можливістю розташування ножів за різними спірально-ступінчастими схемами різання за рахунок можливості обертання різцетримачів 1 навколо своєї осі, лінійного переміщення повзуна 2 в корпусі різцетримача по напрямних 3 і наявності поворотного гнізда 4, який забезпечує лінійний рух ножа 5 в осьовому напрямку.

Рис. 6. Конструкція експериментальної фрези

Рис. 7. Експериментальна торцева фреза

Розроблено алгоритм збирання даної торцевої фрези з реалізацією різних схем зняття припуску, який дозволяє виставляти різальні елементи з точністю в радіальному напрямку ±0,01 мм, в осьовому – ±0,01 мм і в торцевому –± 0,002 мм. Загальний вигляд зібраної за даним алгоритмом фрези з двоспіральною-шестиступеневою схемою різання за логарифмічною спіраллю представлений на рис. 7.

Для визначення силових характеристик процесу чорнового торцевого фрезерування розроблено та виготовлено апаратно-програмний комплекс. Використання динамометра, удосконаленого за рахунок введення спроектованої плати підсилення, стабілізації та регулювання сигналу дозволило проводити реєстрацію значень складових сили різання за допомогою аналого-цифрового перетворювача L-Card серії Е-440 в автоматизованому режимі.

Проведено планування експериментальних досліджень з визначення силових та стійкісних показників процесу одно- та багатоножового торцевого фрезерування та представлені методики визначення статичних та динамічних параметрів технологічної обробної системи.

У четвертому розділі представлені експериментальні та аналітико-експери-ментальні дослідження впливу режимів різання на період стійкості і характер зношування ножів з НТМ, визначення значень складових сили різання, середніх нормальних контактних напружень на передній поверхні, жорсткості верстата, узагальнених характеристик динамічної обробної системи та раціональних геометричних параметрів ножа фрези і її режимів експлуатації.

Згідно з представленими в розділі 3 методиками експериментально визначено значення узагальненої маси, жорсткості та коефіцієнта демпфування обробної системи. Аналіз отриманих амплітудно-частотних характеристик системи показав, що в досліджуваному діапазоні зміни режимів різання резонансні частоти відповідають власним коливанням стола. Отримані значення узагальнених динамічних характеристик використані для пошуку раціональних геометричних параметрів та режимів різання, що забезпечують мінімізацію перевантаження ножа фрези, який реалізується через математичну модель, запропоновану в розділі 2. В результаті проведених розрахунків встановлено, що вхідні параметри впливають на значення дисперсії між оптимальною і розрахунковою залежністю навантаження: , де – кількість замірів, – різниця в і-й точці (1), наступним чином: збільшення глибини різання та радіуса при вершині призводить до зростання перевантаження ножа, подачі на зуб та переднього кута – до його зменшення, частота обертання фрези не впливає на даний показник, а кут нахилу головної різальної кромки та координата центра фрези (ексцентриситет) мають суттєвий і нелінійний вплив з наявністю одного та більше екстремумів (рис. 8).

Рис. 8. Вплив координат центра фрези yC та кута нахилу головної різальної кромки на дисперсію D

На основі аналізу дослідження отримані наступні рекомендації: збільшення подачі на зуб при одночасному заданні малих значень кута різання (ексцентриситету ), задання значень кута нахилу головної різальної кромки в межах від -3...-10, надання радіусу при вершині значень в діапазоні 3...5 мм, загострення ножа фрези з від’ємним переднім кутом в межах -5...0 дозволяють мінімізувати перевантаження ножа.

За допомогою розробленого апаратно-програмного комплексу експериментально визначено значення складових сили різання при обробці чавуну СЧ 20 фрезами, оснащеними НТМ марки гексаніт–Р. Математична і
статистична обробка отриманих результатів дозволила побудувати узагальнену степеневу залежність типу , для якої визначені значення постійного коефіцієнта та показників степені. Аналіз впливу режимних і геометричних параметрів процесу чорнового торцевого фрезерування на значення складових сили різання дозволив встановити, що дані залежності носять характер, типовий для фрезерування НТМ. Особливостями використання косокутної безвершинної геометрії є: у всьому діапазоні зміни вихідних параметрів співвідношення складало 1,73...3,12, яке при гостровершинному незношеному інструменті приймає значення менші одиниці; збільшення радіуса призводить до лінійного зростання всіх складових сили різання, найбільший вплив спостерігається на складову (рис. 9).

Рис. 9. Вплив радіуса при вершині та подачі на зуб (1 – 0,15 мм/зуб;
2 – 0,2 мм/зуб; 3 – 0,25 мм/зуб) на складові сили різання
(= 23,4 м/с, tі = 0,75 мм, = -5о, = 0о)

На основі отриманих експериментальних силових залежностей досліджено
нормальні середні напруження на передній поверхні ножа, і встановлено, що в
досліджуваному діапазоні режимів різання і параметрів геометрії ножа фрези
напруження на 30–40 % менші межі витривалості НТМ, однак в додатній області значень кута нахилу головної різальної кромки та значних від’ємних значеннях переднього кута напруження близькі до межі витривалості.

Враховуючи рекомендації щодо вибору раціональних режимів обробки і геометрії ножа фрези за умови мінімізації його перевантаження та результатів досліджень нормальних середніх напружень, проведено дослідження впливу подачі, глибини та швидкості різання на характер зношування та період стійкості фрез з НТМ марки гексаніт-Р при обробці чавуну при незмінних значеннях геометрії (передній кут , кут нахилу головної різальної кромки , радіус при вершині мм, задній кут ). Результати досліджень показали, що за рахунок використання раціональної геометрії можливе досягнення періоду стійкості Т …350 хв, що відповідає рівню чистових та напівчистових процесів торцевого фрезерування НТМ.

Оптичні дослідження зношування ножів фрез у всьому досліджуваному діапазоні зміни режимів різання при чорновій обробці чавуну СЧ 20 торцевою фрезою, оснащеною НТМ марки гексаніт-Р показали рівномірний характер зношування різальної кромки (рис. 10, а) з подальшим осипанням (рис. 10, б), в деяких випадках спостерігається утворення мікросколів з подальшою інтенсифікацією зношування на даних ділянках (рис. 11).

Рис. 10. Рівномірний характер зношування при Т=125 хв (а) і Т=315 хв (б)
( м/с, мм/зуб, мм)

Рис. 11. Зародження мікросколу при Т=180 хв (а) та його ріст при Т=240 хв (б)
( м/с, мм/зуб, мм)

При застосуванні геометрії та режимів різання, які не відповідають розробленим рекомендаціям, а саме: при додатніх значеннях кута нахилу головної різальної кромки та значному від’ємному значенні переднього кута спостерігається
інтенсивне зношування, яке характеризується зародженням та ростом тріщин з
наступним руйнуванням різальної пластини (рис. 12).

Рис. 12. Характер зношування задньої поверхні ножа фрези: утворення тріщин
при Т = 25 хв (а) та їх ріст з подальшим руйнуванням кромки при Т = 68 хв (б) ( м/с, мм/зуб, мм, , )

Для оцінки стабільності процесу торцевого чорнового фрезерування досліджено вплив конструктивних параметрів фрез зі спірально-ступінчатими схемами
різання і режимів їх експлуатації на коефіцієнт нерівномірності фрезерування . Особлива увага при дослідженні стабільності обробки приділялась впливу типу кривих вищих порядків, за якими проводилось розміщення ножів у спірально-ступінчастій схемі різання, на нерівномірність фрезерування. Розрахунки коефіцієнта нерівномірності фрезерування дозволили встановити, що швидкість різання не впливає на нерівномірність обробки оскільки її вплив спостерігається тільки на величину сили, а не на характер її зміни. Тому при дослідженні стабільності багатоножового фрезерування швидкість різання не враховувалась.

Аналіз отриманих результатів показав підвищення стабільності обробки при збільшенні значень подачі та глибини різання (рис. 13 а, б) за рахунок зменшення впливу торцевого та радіального биття ножів фрези на перерозподіл припуску, що зрізається, між окремими ножами фрези.

Подібний вплив на нерівномірність чорнового торцевого фрезерування має відношення ширини заготовки до діаметра фрези. При зміні відношення B/D в межах 0,4...0,8 спостерігається зменшення значення коефіцієнта нерівномірності в 1,85...2,16 рази (рис. 13, в).

Рис. 13. Зміна коефіцієнта нерівномірності фрезерування від: а – подачі на зуб (Ш160 мм; z = 24; m = 4; B/D = 0,6; t = 1 мм); б – глибини різання (Ш125 мм; z = 18; m = 3; B/D = 0,4; Sz = 0,1 мм/зуб); в – відношення ширини заготовки до діаметру фрези (Ш200 мм; z = 36; m = 4; t = 1 мм; Sz = 0,2 мм/зуб); г – кількості спіралей
(Ш160 мм; z = 24; Sz = 0,1 мм/зуб; B/D = 0,6; t = 1 мм) при різних типах спіралей

Узагальнення рекомендацій щодо вибору раціональних типів кривих вищих порядків для розташування по них різальних елементів фрез дозволило встановити, що в більшості випадків багатоножового торцевого фрезерування при кількості ножів в спіралі 6 ... 12 перевагу має спіраль Архімеда, для вузьких поверхонь при малій кількості ножів в спіралі – параболічна спіраль, а для широких поверхонь –
логарифмічна спіраль.

За результатами комплексу експериментальних досліджень, розроблених математичних моделей та аналітичних залежностей, створено керівні матеріали щодо проектування чорнових торцевих фрез з надтвердих матеріалів та вибору
раціональних режимів різання та геометрії ножів досліджуваних фрез, при застосуванні яких забезпечується підвищення продуктивності чорнової обробки чавунних деталей у 2-4 рази.

ВИСНОВКИ

1. Вперше, за рахунок використання раціональних конструктивних параметрів торцевих фрез з надтвердих матеріалів та режимів їх роботи, визначених на основі розроблених математичних моделей та експериментальних досліджень, вирішена задача підвищення продуктивності чорнової обробки плоских поверхонь чавунних деталей.

2. На основі проведеного порівняльного аналізу особливостей конструкцій та геометричних параметрів фрез, характеристик процесу та інструментальних матеріалів виявлено доцільність використання чорнових торцевих фрез, оснащених НТМ, за умови застосування спірально-ступінчастих схем різання для розташування ножів фрез в межах зміни: подачі на зуб - 0,05...0,25 мм/зуб ( 800...1600 мм/хв), сумарних глибин різання - 4...12 мм, швидкості різання - 8…25 м/с та НТМ марки гексаніт-Р.

3. За допомогою розробленої аналітичної моделі чорнового торцевого фрезерування встановлений негативний вплив на динамічне перенавантаження ножів в процесі їх врізання у заготовку кута нахилу головної різальної кромки в діапазоні додатних значень та великих додатніх значень кута врізання (ексцентриситету осі фрези та заготовки). Позитивно впливають на вказану характеристику: збільшення подачі на зуб до 0,2...0,25 мм/зуб та зменшення радіуса при вершині ножа до 3...5 мм.

4. Експериментально встановлено, що при зміщенні діапазону глибин різання до 0,75...1,25 мм на один ніж та швидкості різання до 24,5 м/с силові залежності мають типовий характер, а саме: спостерігається тенденція до пропорційного
збільшення складових сили різання при зростанні величин подачі, глибини, переднього кута та їх зменшення при підвищенні швидкості різання.

5. Розроблено математичну модель процесу багатоножового чорнового торцевого фрезерування для проведення силового аналізу, яка, на відміну від існуючих, враховує похибки розташування ножів фрези і елементів режимів різання та
перехідні процеси при врізанні і виході ножів. Визначено, що збільшення подачі на зуб в межах 0,05...0,25 мм/зуб (630...1600 мм/хв) та сумарної глибини різання 6…12 мм призводить до зменшення коефіцієнта нерівномірності фрезерування на 15–20 %, а зростання відношення ширини заготовки до діаметра фрези від 0,4 до 0,8 у 2,5…3 рази. Також встановлено, що із зменшенням діаметра фрези перевага
повинна надаватися конструкціям з більшою кількістю спіралей, при кількості ножів в спіралі 6...12 перевагу має спіраль Архімеда, для вузьких поверхонь при малій кількості ножів у спіралі – параболічна спіраль, а для широких поверхонь – логарифмічна спіраль.

6. Експериментально доведено, що при заданих умовах проведення досліджень спостерігається рівномірний характер зношування різальної кромки з
подальшим осипанням кромки, що досягається за рахунок використання раціональної геометрії ножів фрез та режимів їх експлуатації.

7. На базі проведених теоретико-експериментальних досліджень розроблено рекомендації щодо практичного застосування чорнових торцевих фрез з НТМ із спірально-ступінчастими схемами різання при обробці чавунних деталей з наступними режимами: швидкість різання - 11,7...24,5 м/с, подача на зуб - 0,1...0,25 мм/зуб, сумарна глибина різання – 6...12 мм, що забезпечує підвищення продуктивності обробки в 2-4 рази.

8. Розроблені конструкції чорнових торцевих фрез з надтвердих матеріалів, керівні матеріали щодо вибору умов їх ефективної експлуатації та узагальнені результати досліджень передані для впровадження у виробництво на ВАТ “Верстатуніверсалмаш” (м. Житомир) та ВАТ “Вібросепаратор” (м. Житомир) для чорнової обробки ряду корпусних чавунних деталей з очікуваним річним економічним ефектом 14426,38 грн./рік та 11372,06 грн./рік відповідно.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бушля В.М. Особливості глибинної обробки торцевими фрезами, оснащеними надтвердими матеріалами // Вісник ЖДТУ. – 2003. – № 2 (26). – Т.2 / Технічні науки. – С. 15–28.

2. Бушля В.М. Вплив геометричних та кінематичних параметрів торцевого фрезерування на площу контакту передньої поверхні безвершинного косокутного ріжучого елементу // Вісник ЖДТУ. – 2007. – № 2 (41). – Т.2 / Технічні науки. – С. 3–11.

3. Бушля В.М., Виговський Г.М., Громовий О.А., Мельничук П.П. Комп’ютерне моделювання процесу обробки ступінчатими торцевими фрезами // Резание и инструмент в технологических системах. НТУ “ХПИ”. – 2001. – Вып. 60. – С. 144–153. Запропоновано методику визначення кількості ножів, що одночасно приймають участь в різанні

4. Виговський Г.М., Мельничук П.П., Бушля В.М. Напрямки удосконалення чистових торцевих фрез для обробки плоских поверхонь деталей // Вісник СумДУ (Технічні науки) – Суми, СумДУ. 2002. – № 2 (35), – С. 19–23. Досліджено вплив конструктивних параметрів фрез на сумарну силу різання

5. Виговський Г.М., Бушля В.М. Характеристики процесу врізання для глибинної обробки торцевими фрезами // Вісник СумДУ (Технічні науки) – Суми, СумДУ. 2003. – № 2 (48), – С. 12–18. Розроблено модель врізання косокутного гостровершинного ножа фрези в заготовку

6. Виговський Г.М., Бушля В.М. Моделювання миттєвих значень сил різання при глибинному торцевому фрезеруванні інструментом оснащеним надтвердими матеріалами // Процеси механічної обробки в машинобудуванні – Житомир: ЖДТУ, 2005. – Вип. 2. – С. 197–202. Розроблено математичну модель багатоножового фрезерування інструментом з надтвердих матеріалів

7. Виговський Г.М., Громовий О.А., Бушля В.М. Обробка плоских поверхонь деталей ступінчатими фрезами з косокутною геометрією // Современные проблемы механики и физико-химии процессов резания, абразивной обработки и поверхностного пластического деформирования: Материалы Международной научной конференции. – Киев. – 2002. – С. 25–27. Проведено аналіз конструктивних параметрів фрез для чистової і чорнової обробки плоских поверхонь

8. Виговський Г.М., Мельничук П.П., Бушля В.М. Peculiarities of removal of big allowances by spiral and stepped milling cutters // Proceedings of the International Scientific Conference MECHANICS 2002. – Rzeszow. – Poland. – 2002. – P. 321–330. Розроблено аналітичні залежності для силового аналізу перехідних процесів фрезерування спірально-ступінчастими фрезами

9. Виговський Г.М., Громовий О.А., Бушля В.М. Особенности глубинного торцового фрезерования инструментами, оснащенными сверхтвердыми материалами // ZBORNIK RADOVA PROCEEDINGS 32th Jupiter conference with foreign participants. – Beograd, 2006. – P. 3.63–3.68. Запропоновано методику визначення динамічних характеристик обробної системи при чорновому торцевому фрезеруванні НТМ

10. Melnychuk P.P., Bushlia V.M., Vigovskiy G.M., Gromovyy O.A. Extending of the field of using of face milling cutters equipped by polycrystalline super firm materials (psfm) // Tools 2002, Proceedings of the International Conference. – Bratislava. –Slovakia. – 2002. – P. 36. Проаналізовано шляхи розширення областей використання надтвердих матеріалів

АНОТАЦІЯ

Бушля В.М. Підвищення продуктивності чорнової обробки плоских поверхонь чавунних деталей торцевими фрезами з надтвердих матеріалів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.03.01 – Процеси механічної обробки, верстати та інструменти. Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2007 р.

В дисертаційній роботі наведені результати досліджень, які створюють теоретичне і практичне підґрунтя для ефективної високопродуктивної чорнової обробки чавунних деталей торцевими фрезами з прогресивними схемами зняття припуску. Розроблено математичні моделі процесів одно- та багатоножового чорнового торцевого фрезерування, які дозволяють визначати раціональні конструктивні
параметри фрез, геометричні характеристики ножів та режими обробки. Запропоновано і виготовлено конструкцію фрези, яка дозволяє реалізовувати різні схеми зняття припуску. Проведено експериментальне визначення складових сили різання при обробці та періоду стійкості і характеру зношування фрез. Проведено узагальнення отриманих результатів та розроблено рекомендації щодо використовуваної геометрії ножів фрез, оснащених НТМ, схем зняття припуску та режимів експлуатації фрез з позиції підвищення продуктивності та стабільності обробки, забезпечення високої зносостійкості інструменту.

Ключові слова: торцеве фрезерування, продуктивність обробки, надтверді матеріали, спірально-ступінчасті схеми різання, чорнова обробка, коефіцієнт динамічності, коефіцієнт нерівномірності, математичне моделювання.

АННОТАЦИЯ

Бушля В.М. Повышение продуктивности черновой обработки плоских поверхностей чугунных деталей торцовыми фрезами из сверхтвердых материалов. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 – Процессы механической обработки, станки и инструменты. Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2007 г.

В диссертационной работе приведены результаты исследований, которые создают теоретические и практические основы для эффективной высокопроизводительной черновой обработки чугунных деталей торцовыми фрезами с прогрессивными схемами снятия припуска.

С учетом результатов анализа научных исследований в области теории колебаний и механизма прерывистого резания разработана математическая модель процесса чернового торцевого фрезерования, позволяющая определять влияние геометрических параметров ножей фрез, режимов и схемы обработки на условия нагружения ножа при его врезании в заготовку. На базе указанной модели и с учетом экспериментально определенных динамических характеристик реальной технологической обрабатывающей системы разработаны рекомендации относительно рациональных значений указанных параметров.

Проведено уточнение математических моделей многоножевого чернового торцевого фрезерования, которое позволило дополнительно учесть влияние торцового и радиального биения ножей фрезы, переходных процессов при врезании и выходе ножей и схем обработки на силовые показатели процесса. На базе разработанной модели проведена оценка влияния конструктивных параметров фрез (диаметр, количество ножей, количество спиралей, схема снятия припуска), типов кривых, используемых для расположения ножей, режимов резания и схемы обработки на стабильность процесса фрезерования, оцениваемую коэффициентом неравномерности фрезерования.

Разработано геометрическую модель одноножевого косоугольного безвершинного торцевого фрезерования для определения зависимости площади контакта ножа фрезы с заготовкой по передней поверхности от геометрических и кинематических параметров процесса фрезерования.

Математическая и статистическая обработка результатов экспериментальных исследований влияния геометрии ножа и режимов резания на силу резания при черновом косоугольном безвершинном торцевом фрезеровании позволила построить обобщенную степенную зависимость составляющих силы резания от входящих параметров и определить значения коэффициента и показателей степени. Проведение анализа средних нормальных напряжений на передней поверхности ножа, оснащенного СТМ при аналогичных условиях проведения эксперимента позволило создать рекомендации относительно геометрии режущей части фрез и режимов их эксплуатации при, которых возникающие напряжения не вызывают разрушение инструмента.

Спроектирована и изготовлена конструкция экспериментальной торцевой фрезы, позволяющей реализовывать схемы снятия припуска по подаче, глубине, подаче и глубине и размещать режущие элементы в произвольном радиальном, осевом и угловом положении с целью создания различных спирально-ступенчатых схем резания. Разработан алгоритм сборки и настройки фрезы, который обеспечивает требуемую точность расположения ножей. Для проведения комплекса экспериментальных силовых и стойкостных исследований разработаны методики их проведения.

По результатам комплекса экспериментальных исследований, разработанных математических моделей и аналитических зависимостей разработан ряд рекомендаций, внедрение которых позволяет повысить производительность черновой обработки чугунных деталей торцовыми фрезами, оснащенными СТМ, в 2–4 раза в сравнении с твердосплавной обработкой за счет внедрения рациональных схем снятия припуска при одновременном сохранении уровня стойкости инструмента вследствие обоснования режимов резания и геометрии инструмента.

Ключевые слова: торцевое фрезерование, сверхтвердые материалы, спирально-ступенчатые схемы резания, черновая обработка, коэффициент динамичности, коэффициент неравномерности, математическое моделирование.

ABSTRACT

Bushlya V.M. Increasing productivity of rough machining of flat surfaces of cast iron workpieces by face milling cutters with superhard materials – Manuscript.

Dissertation for scientific degree of candidate of Technical Sciences in speciality 05.03.01. – Machining processes, machine tools and tools. National Technical University of Ukraine “Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2007.

The dissertation depicts the results of investigations that create theoretical and practical fundament for effective and highly productive rough machining of cast iron workpieces by face milling cutters with progressive allowance removal schemes. The mathematical models of single and multipoint rough face milling, which make possible calculation of rational constructive milling cutter’s parameters, geometry of their knives and cutting conditions, are developed. A milling cutter with new design that allows creation of various allowance removal schemes was developed and manufactured. The influence of cutting conditions on components of cutting force and wear trends was experimentally investigated. The generalization of the achieved results was conducted and the recommendations on the CBN cutter knife geometry, allowance removal schemes and cutting conditions by the milling cutters which provide the increase in productivity, machining stability and high wear resistance of the tool are developed.

Підписано до друку 19.09.07

Формат 60х90/.16. Папір друк № 2

Ум. друк. арк. 1,00. Обл.-вид. арк. 1,00

Наклад 120 прим. Зам. №94

Редакційно-видавничий відділ

Житомирського державного технологічного університету

Адреса: 10005, м. Житомир, вул. Черняховського, 103