ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

ВОВК ЮРІЙ ЯРОСЛАВОВИЧ

УДК 621.91.01

САМОВСТАНОВЛЮВАЛЬНІ ІНСТРУМЕНТАЛЬНІ БЛОКИ

З ПРУЖНИМИ ЗВ’ЯЗКАМИ ДЛЯ ОБРОБКИ ОТВОРІВ

Спеціальність 05.03.01 – процеси механічної обробки,

верстати та інструменти

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Тернопіль - 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Тернопільському державному технічному університеті

імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Луців Ігор Володимирович,

Тернопільський державний технічний університет

імені Івана Пулюя,

перший проректор, проректор з навчальної роботи, завідувач кафедри конструювання верстатів, інструментів і машин

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Грицай Ігор Євгенович,

Національний університет “Львівська політехніка”, м. Львів,

завідувач кафедри технології машинобудування;

кандидат технічних наук, доцент

Волошин Віталій Несторович,

Технічний коледж Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя, м. Тернопіль,

заступник директора з навчальної роботи

Захист відбудеться “28” грудня 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К58.052.03 у Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

Автореферат розісланий “27” листопада 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Л.М. Данильченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забезпечення високої точності виготовлення деталей сучасних машин при використанні звичайних методів лезової та вібровигладжуючої обробки пов’язане з великими матеріальними затратами, високою трудомісткістю та низькою продуктивністю праці. Традиційні методи розв’язання цього завдання, такі як збільшення жорсткості та точності верстатів, застосування багатопрохідної обробки повністю не забезпечують бажаних результатів. Зокрема, в машинобудуванні України однією з проблем є забезпечення рівномірності показників якості та точності на всій довжині отворів діаметром більше 40 мм, особливо в деталях з неперпендикулярним торцем до осі отвору, що пов’язано з продуктивністю процесу та якістю, які необхідно одержати в процесі обробки.

Інструмент із інструментальним блоком та пружними зв’язками, який забезпечує самовстановлювання в перехідних процесах, дозволяє розглядати розточування отвору як неперервний процес, що дає можливість не зменшувати режими різання для обробки отвору в процесі врізання інструменту зі сторони неперпендикулярного до осі отвору торця деталі, а також отримати високу якість обробленої поверхні без додаткового використання спеціальних інструментів, які забезпечують отримання отворів високої точності.

У зв’язку з цим, розробка та дослідження самовстановлювальних інструментальних блоків із осьовими осциляціями для розточування отворів, особливо для обробки деталей з неперпендикулярним до осі отвору торцем, який отримують традиційно після попередніх операцій відрізання, є актуальною науковою задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано відповідно до напрямку науково-дослідної роботи Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за темою: “Автоматизоване пошукове проектування технологічних інновацій на основі розробки та використання методів уніфікаційного синтезу” (№ державної реєстрації 0107U000541), в якій здобувач був виконавцем окремих розділів.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення якості процесу обробки отворів на основі створення самовстановлювальних інструментальних блоків із пружними зв’язками.

Для досягнення мети в роботі поставлені та розв’язані наступні задачі:

- проаналізувати результати теоретичних і експериментальних досліджень процесу обробки отворів й відомі конструкції самовстановлювальних інструментів та на цій основі створити передумови розробки самовстановлювальних інструментальних блоків з пружними зв’язками;

- провести за допомогою методу морфологічного аналізу синтез нових компонувальних схем та конструкцій самовстановлювальних інструментів з осьовими осциляціями;

- розробити математичну модель та дослідити динамічні процеси під час обробки отворів із неперпендикулярним торцем самовстановлювальними інструментальними блоками з С-подібною пружиною;

- встановити ступінь впливу пружних зв’язків на показники якості отворів та подрібнення стружки;

- запропонувати методику і провести експериментальні дослідження процесу обробки отворів із неперпендикулярним торцем самовстановлювальними інструментальними блоками з С-подібною пружиною;

- розробити алгоритм і методику інженерного розрахунку, програму автоматизованого проектування самовстановлювальних інструментальних блоків з С-подібною пружиною для обробки отворів.

Об‘єкт дослідження – осьові самовстановлювальні інструменти для обробки отворів.

Предмет дослідження – процес обробки отворів деталей з неперпендикулярним торцем самовстановлювальними інструментальними блоками з пружними зв’язками.

Методи дослідження. Проведення теоретичних досліджень базується на методах математичного моделювання, морфологічного аналізу та синтезу технічних систем, теоретичних основах теорії різання металів, розрахунку точності обробки. Експериментальні дослідження проведено із використанням теорії експерименту та математичної статистики, сучасної вимірювальної апаратури, розроблених інструментів, цифрової відеокамери та спеціальних пристроїв. В розрахунках й при обробці результатів досліджень і синтезі компонувальних схем та інших технічних рішень використано комп’ютерну техніку та сучасне програмне забезпечення.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що вперше:

- розроблено теоретичні передумови створення самовстановлювальних інструментальних блоків із осьовими осциляціями для обробки отворів із неперпендикулярним торцем та сформовано принципово нові компонувальні схеми інструментів із рухомими в осьовому напрямку лезами;

- розроблено математичну модель обробки отвору деталі з неперпендикулярним торцем інструментом у вигляді розточувального блоку з пружним міжлезовим зв’язком;

- встановлено теоретичні та експериментальні залежності осьової складової сили різання на етапах врізання й усталеного різання для різних значень неперпендикулярності торця деталі, отриманих для відомих в машинобудуванні методів відрізання заготовок і матеріалу деталі;

- експериментально встановлено вплив пружних зв’язків інструментальних блоків і режимів обробки на показники якості оброблених отворів та подрібнення стружки.

Практичне значення одержаних результатів. За результатами теоретичних і експериментальних досліджень синтезовано нові компонувальні схеми інструментів, розроблено науково-практичні засади проектування, математичну модель та виготовлено самовстановлювальні інструментальні блоки з пружними зв’язками для оснащування верстатів токарної та свердлильно-розточувальної груп.

При обробці отворів розробленими інструментами отримано покращені параметри отвору, зокрема, шорсткість поверхні зменшилась у 1,2-1,5 рази; точність оброблених отворів вища, ніж при обробці отворів жорстким блоком, зокрема, зменшилась похибка форми отвору в поперечному перерізі до 0,03 мм, що практично співпадає з результатами обробки отворів методом вібровигладжування. Запропоновано алгоритм і методику інженерного розрахунку основних параметрів самовстановлювальних інструментальних блоків із С-подібною пружиною, що реалізовано у прикладній програмі автоматизованого проектування самовстановлювальних інструментів.

Отримані наукові та практичні результати, методики та рекомендації впроваджено на ВАТ “Тернопільський комбайновий завод” і використовуються для обробки деталей зварних рам бурякозбиральних машин та зірочок, на ТзОВ “Ватра-Технопрес” для обробки корпусів промислових світильників, а також передано для використання ТзОВ “Завод ”Альфа-Газпромкомплект” та впроваджено в навчальний процес підготовки фахівців освітньо-кваліфікаційного рівня бакалавр з напрямку 6.0902 “Інженерна механіка” для викладання дисциплін “Різальні інструменти”, “САПР технологічних процесів, верстатів та інструментів” на кафедрі конструювання верстатів, інструментів та машин Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. Економічний ефект від впровадження у виробництво самовстановлювальних інструментальних блоків із пружними зв’язками становить в середньому 2,0-4,5 тис. грн.

Особистий внесок здобувача полягає у проведенні літературно-патентного огляду відомих вітчизняних і зарубіжних конструкцій самовстановлюваних інструментів для обробки отворів, проведенні теоретичних та експериментальних досліджень [2, 3], розробці нових компонувальних схем та інструментів із осьовими осциляціями різальних елементів [1], техніко-економічних досліджень використання розроблених інструментів у виробництві для обробки отворів із неперпендикулярним торцем [2]. Постановка задач, аналіз і трактування наукових результатів виконані разом із науковим керівником. Основні результати роботи отримані самостійно. У деклараційних патентах отриманих у співавторстві [7, 8, 9] частка кожного із авторів є рівноцінною. В опублікованих у співавторстві роботах автору належать основні ідеї проведених досліджень і наукове обґрунтування основних теоретичних положень.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати роботи доповідались й обговорювалися на щорічних наукових конференціях Тернопільського державного технічного університету (2000-2005, 2007 рр.); на 3-ій Всеукраїнської конференції “Современные металлорежущие системы машиностроения” (Донецьк, 2000); на 3-х Міжнародних симпозіумах українських інженерів-механіків “Проблеми енергоощадності при проектуванні, виготовленні та експлуатації машинобудівних конструкцій” (Львів, 2003, 2005, 2007 рр.); на 4-ій міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми землеробської механіки” (Харків, 2003); на 11-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Вдосконалення технологій та обладнання виробництва продукції тваринництва” (Харків, 2005). В повному обсязі дисертаційна робота доповідалася та отримала позитивний відзив на розширеному засіданні наукового-технічного семінару Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 23 друкованих працях, з них - 6 статей у фахових виданнях (3 одноосібних), 14 тезах конференцій, 2 деклараційних патентах на винаходи та 1 деклараційному патенті на корисну модель.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, переліку використаних літературних джерел із 141 найменувань та додатків. Основний текст дисертації викладено на 165 сторінках, містить 41 рисунок і 10 таблиць. Загальний обсяг роботи складає 186 сторінки.

Основний зміст РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначено мету та задачі дослідження, теоретичну та практичну цінність одержаних результатів, рівень реалізації та впровадження наукових розробок. Наведено інформацію про апробацію, структуру та обсяг роботи.

У першому розділі на основі аналізу літературних джерел, патентного пошуку визначено основні напрямки підвищення ефективності використання самовстановлювальних інструментів для обробки отворів із неперпендикулярними торцями.

На основі проведеного аналізу відомих конструкцій інструментів та методик дослідження процесу обробки отворів можна стверджувати, що залишається невирішеним питання забезпечення стабільності процесу різання на етапі врізання та усталеного різання, у тому числі, рівномірності показників якості на всій довжині оброблюваного отвору. Існуючі конструкції інструментів для обробки отворів забезпечують в основному вирішення однієї проблеми, але не комплексу проблем в цілому з врахуванням стаціонарності процесу різання.

Певні переваги для вирішення проблеми неспіввісності оброблюваних отворів та інструменту мають самовстановлювальні інструменти Вітушкіна В.І., Дєгтєрьової Н.А., Канєвцова В.М., Койре В.Е., Лепіхова В.Г., Торопченкова В.С., Фадюшина І.Л., які дозволяють врахувати нестаціонарність процесу різання, зокрема, неспівпадіння осі заготовки з віссю інструменту та похибки закріплення заготовки, в результаті чого значно змінюються умови обробки отворів. Особливістю інструментів такого типу є те, що плаваючий блок має можливість переміщення в радіальному напрямку, внаслідок чого усувається проблема неспіввісності інструменту та заготовки, проте, забезпечення рівномірності показників якості по всій довжині отвору залишилось відкритим. Обробка отворів інструментами такого типу є по суті різанням із вібраціями в радіальному напрямку, яке має наступні недоліки: збільшення радіальної складової сили різання може служити причиною виникнення автоколивань системи верстат-пристосування-інструмент-деталь, що, в свою чергу, погіршує якість поверхні і знижує стійкість інструменту.

Значний вклад у розробку інструментів для обробки отворів та теорії адаптивних систем керування процесом обробки отворів із урахуванням нестаціонарності процесу різання внесли Балакшин Б.С., Брощак І.І., Грицай І.Є., Жарков І.Г., Кумабе Д., Лінчевський П.А., Локтєв В.І., Луців І.В., Мансирєв І.Г., Мартиненко В.Я., Мітрофанов В.Г., Нагорняк С.Г., Невельсон М.С., Петров В.І., Подураєв В.Н., Попов В.І., Проніков А.С., Пуховський Є.С., Равська Н.С., Рєшетов Л.Н., Родін П.Р., Соломенцев Ю.М., Філоненко С.Н., Якімов О.В. та інші. Велику увагу в їх працях приділено впливу вібрацій на показники процесу різання. Аналіз основних положень більшості дослідників підтверджує, що врахування змінних умов нестаціонарного процесу різання та позитивних якостей вібраційного різання в конструкціях самовстановлювальних інструментальних блоків є невирішеним.

Процес врізання різальних інструментів під час обробки отворів деталей із неперпендикулярним торцем досліджено недостатньо. Важливість дослідження процесу врізання обумовлюється необхідністю зменшення режимів різання на етапі врізання та значною кількістю поломок різальних інструментів. Переважно описується і досліджується процес врізання для деталей із перпендикулярним торцем, хоча для машинобудування в цілому неперпендикулярність торця деталі до осі отвору може становити 1,5 - 3,0 мм. При цьому також слід враховувати неточність закріплення, похибку встановлення заготовки.

На підставі проведеного аналізу обґрунтовано мету і завдання наукових досліджень.

У другому розділі на основі морфологічного аналізу синтезовано нові конструкції самовстановлювальних інструментальних блоків з міжлезовими кінематичними зв’язками.

Проаналізувавши процес самовстановлювання інструментів адаптивного типу під час обробки отворів, досліджено, що спрямуванням процесу самовстановлювання в напрямку, який співпадає з віссю деталі (на відміну від радіального), досягається ряд істотних переваг такої обробки з покращенням її якісних показників: шорсткості, точності тощо. Визначено критерії, які позитивно вплинуть на результати обробки отворів, запропоновано раціональні компонувальні схеми нових комбінованих самовстановлювальних інструментів із поєднанням рухомих і жорстко закріплених різальних лез, головною особливістю яких є можливість переміщення лез в осьовому напрямку.

Вибрано найраціональніші компонувальні схеми три- і чотирилезових самовстановлювальних інструментів із осьовими осциляціями (рис. ), в яких одне чи декілька лез є жорстко закріпленими, а між іншими лезами організовано зв’язки механічного (схеми 1, 3, 4, 5, 6, 8) або гідравлічного типу (схеми 2,7).

Рис. . Компонувальні схеми три- та чотирилезових інструментів з комбінацією рухомих та нерухомих різальних елементів з міжлезовими кінематичними зв’язками | На рис. , а), б) схеми 1, 2 представлено дві компонувальні схеми трилезових самовстановлювальних інструментів. Такі інструменти характеризуються тим, що одне лезо є нерухомим, а інші два – взаємозв’язані між собою (рис. 1, а) схеми 1 – зв’язок механічний, за допомогою важільного механізму; рис.1, б) схеми 2 – зв’язок гідравлічний або пневматичний) і переміщуються в осьовому напрямку.

На рис. , в), г) схеми , представлено компонувальні схеми самовстановлювальних інструментів, які містять чотири різальних леза, причому, два з них - рухомі та взаємозв’язані. Рух здійснюється в осьовому напрямку. На рис. , в) схеми 3 та рис. 1, г) схеми 4 представлено інструменти з двома рухомими лезами, які зв’язані між собою важелями. Для цих схем ще й характерний зменшене уведення інструменту. На рис. , д-з) схем 5, 6, 7, 8 представлено компонувальні схеми інструментів із різними типами механічних і гідравлічних зв’язків.

На основі запропонованих схем розроблено конструкції інструментів самовстановлювального типу, зокрема, інструмент із двома нерухомими та двома рухомими різальними лезами з механічним міжлезовим зв’язком між ними (рис. 2).

Особливістю такого інструменту є те, що різальні елементи (рухомі та нерухомі) знаходяться в одній площині та, відповідно, вступають в процес різання одночасно і рухомі різальні елементи здійснюють переміщення в осьовому напрямку.

а) б)

Рис. . Самовстановлювальний інструмент із двома нерухомими та двома рухомими різальними лезами із механічним міжлезовим зв’язком типу “балансир”: а) дослідний зразок; б) конструктивна схема

Розроблено також інструмент із двома нерухомими та двома рухомими різальними лезами із міжлезовим важільним зв’язком (рис. ), характерною особливістю якого є те, що різальні елементи знаходяться в одній площині.

Перевагами таких інструментів є ефективне самовстановлювання їх в процесі обробки отвору, чим усуваються в значній мірі уведення інструменту від осі отвору. Проте ці інструменти є досить складними у виготовленні та експлуатації.

Результатом подальшого синтезу інструментів такого типу є конструкції комбінованих самовстановлювальних інструментів із двома нерухомими лезами, які здійснюють попередню чорнову обробку і двома рухомими з пружними зв’язками на основі С-подібної пружини (рис. ), які здійснюють чистову обробку отвору.

а) б)

Рис. . Самовстановлювальний інструмент із двома нерухомими та двома рухомими різальними лезами із міжлезовим важільним зв’язком:

а) дослідний зразок; б) конструктивна схема | Особливістю таких інструментальних блоків є те, що в процесі різання відбувається вібровигладжування плаваючим блоком за рахунок осьових осциляцій і конструкція інструментального блоку є максимально простою, технологічною та надійною. При цьому, залежно від виду матеріалу, що обробляється, та режимів різання можна встановлювати С-подібні пружні елементи з різними значеннями жорсткості, передбачається можливість регулювання жорсткості пружин.

а) б)

в) г)

Рис. . Конструкції самовстановлювальних інструментальних боків з С-подібними пружинами: а) звичайного типу; б) з регуляторами жорсткості; в) біметалевою; г) дослідний зразок | У третьому розділі проведено теоретичну перевірку функціональної здатності запропонованих конструкцій самовстановлювальних інструментальних блоків із пружними зв’язками на основі дослідження математичної моделі обробки отвору.

Обробка отворів у деталях із неперпендикулярним торцем є випадком динамічного процесу з вимушеними коливаннями, причому збуджуюча сила змінюється за гармонійним законом. Розроблено математичну модель динаміки руху самовстановлювального інструментального блоку в процесі різання на основі одномасової динамічної моделі (рис.5). | Рис. . Одномасова модель динаміки руху самовстановлювального інструментального блоку | Враховано, що осьова складова сили різання прямо пропорційна лінійній швидкості подачі Vx: тобто , де в – коефіцієнт в’язкого опору (для сталі - Н с/м; для чавуну - Н с/м); Pn – сила пружності, Pn=cx.

Диференціальне рівняння руху блоку має вигляд:

, | де Рв – вимушуюча сила; m – приведена маса інструментального блоку; - власна частота коливань; t – час; с – жорсткість; х – переміщення блоку.

Звідси:

, | (1) | де n – коефіцієнт опору, ; k – кругова частота, с-1; .

Отримано загальний розв’язок диференціального рівняння (1):

. | (2) |

З урахуванням знайдених сталих інтегрування отримано рівняння руху самовстановлювального блоку:

, | (3) | де b – амплітуда, ; - початкова фаза, ; А – амплітуда вимушених коливань,

; - зсув фази вимушених коливань відносно фази вимушуючої сили,.

Для значень величин n1=138,1 с-1; n2=30,5 с-1; k=667,4 с-1; щ=52,3 с-1; м/с2; м/с2 рівняння руху самовстановлювального блоку має вигляд для сталі з різними значеннями похибки неперпендикулярності торця а: а1=1,5 мм і а2=3,0 мм:

,

;

,

;

,

;

,

. | (4) |

Перший доданок рівняння (4) визначає коливання самовстановлювального блоку з частотою вільних коливань, які швидко затухають. Другий доданок отриманих рівнянь визначає вимушені коливання інструментального блоку. Дані рішення представлено на рис. . З отриманих результатів випливає, що для запропонованої схеми зміна сили різання не впливає на колову частоту вимушених коливань. При цьому вимушені коливання відстають за фазою.

Рис. 6. Результати теоретичного моделювання руху самовстановлювального інструментального блоку з пружними зв’язками | Визначено амплітуду вимушених коливань самовстановлювального блоку для резонансу, зокрема, для с-1. Рівняння, що визначає резонансні вимушені коливання самовстановлювального блоку зведено до вигляду: . Змінна амплітуда вимушених коливань під час резонансу зростає прямопропорційно часу, що може викликати вихід з ладу інструменту. Ці дані повинні бути використані для раціонального проектування інструментів.

Визначено значення зміни сили різання при осьових коливаннях блоку для похибок а неперпендикулярності торця деталі відповідно 1,5 та 3,0 мм, для матеріалів сталь 20 і чавун СЧ20. Отримано середні величини осьових зусиль різання при проходженні неперпендикулярного торця самовстановлювальним блоком з С-подібною пружиною, які дорівнюють: а) для сталі 20 і а = 1,5 мм – 200,0 Н; а = 3,0 мм – 320,0 Н; б) для чавуну СЧ20 і а = ,5 мм – 40,0 Н; а = 3,0 мм – 70,0 Н.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень впливу конструкторських, технологічних параметрів самовстановлювальних інструментальних блоків з пружними зв’язками для обробки отворів із неперпендикулярним торцем, осьової складової сили різання на етапі врізання та усталеного різання, власної частоти.

Встановлено залежності осьової складової сили різання Рх в часі t для неперпендикулярності торця а = 1,5 та 3,0 мм. Залежність Рх від а виміряно для постійних факторів: подачі, частоти обертання. Число спостережень визначено можливостями цифрової відеокамери Sony TRV320E з частотою зйомки 25 кадрів за 1 секунду. Крок вимірювання дорівнював 0,01 мм на 1 кадр.

Рис. . Загальний вигляд експериментальної установки | Пристосування для вимірювання осьової складової сили різання (рис. ) встановлено на токарно-гвинторізному верстаті мод. К20. В патроні закріплено деталь із непер-пеникулярним торцем. Вимірювальний прилад закріплений на стійці, яка встановлена на супорті. В задній бабці встановлено інструмент, в якому самовстановлювальний блок підтиснуто С-подібною пружиною. | Під дією сил різання самовстановлювальний блок відхиляється, що відображається на показах вимірювального приладу. Експериментальні залежності зміни осьової складової сили різання Рх для обробки отвору в часі для різних величин неперпендикулярності торця та різних матеріалів представлено на рис. , 9.

а) | б) | Рис. . Експериментальні залежності зміни осьової складової сили різання Рх при обробці отвору деталі із сталі 20 в часі для величини похибки неперпендикулярності торця деталі: а) 1,5 мм і б) 3,0 мм |

а) | б) | Рис. . Експериментальні залежності зміни осьової складової сили різання Рх при обробці отвору деталі із чавуну СЧ20 в часі для величини похибки неперпендикулярності торця деталі: а) 1,5 мм і б) 3,0 мм |

Встановлено експериментальні залежності зміни шорсткості поверхні Ra оброблених отворів від подачі s та швидкості різання V для обробки різними типами інструментів (рис. ).

Залежності величини шорсткості від подачі та швидкості різання самовстановлювальними інструментами апроксимовано такими формулами:

(5) |

а) б)

Рис. . Експериментальні залежності зміни шорсткості поверхні Ra від:

а) подачі s (V ,8 м/хв); б) швидкості різання V (s = 0,05 мм/об) | Експериментальні дослідження самовстановлювальних інструментальних блоків із С-подібною пружиною дозволили встановити, що такі блоки забезпечують гарантоване подрібнення утворюваної стружки. Ситовий аналіз підтвердив утворення елементів стружки при обробці сталі 20 довжиною до 10-12 мм (тоді як при обробці жорстким блоком стружка зливна) і при обробці чавуну СЧ20 – до 5 мм (при обробці жорстким блоком сколювана стружка різної довжини – від 3 мм до 15 мм). Вплив швидкості різання на фракційний склад стружки при подачі s = 0,05 мм/об, глибині різання t = 1,75 мм при обробці: а) сталі 20; б) чавуну СЧ20 показано на рис.11.

а) б)

Рис. . Експериментальні залежності фракційного складу стружки від швидкості різання (подача s = 0,05 мм/об, глибина різання t = 1,75 мм) при обробці:

а) сталі 20; б) чавуну СЧ20 |

Вплив подачі на фракційний склад стружки при V = 58,8 м/хв, t = 1,75 мм при обробці: а) сталі 20; б) чавуну СЧ20 показано на рис.12.

а) б)

Рис. . Експериментальні залежності фракційного складу стружки від подачі (швидкість різання V = 58,8 м/хв, глибина різання t = 1,75 мм) при обробці:

а) сталі 20; б) чавуну СЧ20 |

У п’ятому розділі запропоновано алгоритм і методику інженерного розрахунку основних параметрів самовстановлювальних інструментальних блоків із С-подібною пружиною для обробки отворів із неперпендикулярним торцем. Розроблено прикладну програму автоматизованого проектування таких інструментів, що включає розрахунок основних конструктивних розмірів деталей інструменту, вибір параметрів С-подібної пружини залежно від вихідних даних оброблюваних отворів (діаметр, довжина отвору, матеріал заготовки тощо), підбір режимів різання.

Деякі діалогові вікна програми автоматизованого проектування представлено на рис. .

а) б)

Рис.13. Діалогові вікна програми автоматизованого проектування самовстановлювальних інструментальних блоків з пружними зв’язками:

а) вікно вихідних даних, б) вікно підбору основних параметрів С-подібної пружини | Розроблено методику, яка дозволила для діапазонів діаметрів отворів 40-60 мм, 60-80 мм, 80-100 мм провести інженерний розрахунок самовстановлювальних інструментальних блоків та С-подібних пружин. Відповідно розроблені рекомендації з використання пружних елементів залежно від оброблюваного матеріалу та величини неперпендикулярності торця.

Розраховано основні техніко-економічні показники розроблених самовстановлювальних інструментальних блоків з С-подібною пружиною, визначено економічний ефект від їх впровадження.

висновки

1. У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що полягає в підвищенні якості та продуктивності процесу обробки отворів за рахунок створення принципово нового класу комбінованих інструментів із самовстановлювальними інструментальними блоками з пружними зв’язками з можливістю переміщенням лез в осьовому напрямку. На основі проведеного аналізу результатів теоретичних і наукових досліджень процесу обробки отворів та відомих конструкцій інструментів для обробки отворів із неперпендикулярним торцем встановлено, що існуючі самовстановлювальні інструменти не можуть забезпечити високі показники якості, точності.

2. Вперше на основі морфологічного аналізу синтезовано принципово нові компонувальні схеми самовстановлювальних інструментів із осьовими осциляціями за рахунок введення в інструмент пружних зв’язків.

3. Розроблено математичну модель обробки отвору деталі з неперпендикулярним торцем інструментом у вигляді самовстановлювального блоку з С-подібною пружиною, яка визначає залежність осьової складової сили різання від параметрів інструменту, зокрема, жорсткості пружини, власної частоти системи та величини неперпендикулярності торця. Отримано середні величини осьових зусиль різання при проходженні неперпендикулярного торця самовстановлювальним блоком з С-подібною пружиною, зокрема: а) для сталі 20 і а = 1,5 мм – 200,0 Н; а = 3,0 мм – 320,0 Н; б) для чавуну СЧ20 і а = 1,5 мм – 40,0 Н; а = 3,0 мм – 70,0 Н. Встановлено, що за один оберт деталі відбувається 6 його власних коливань в осьовому напрямку, що покращує якісні показники оброблюваних отворів. В результаті теоретичного моделювання отримано рівняння вимушених коливань самовстановлювального блоку при резонансі та встановлено, що явище резонансу виникає для частоти власних коливань щ = 667,4 сек-1, що не входить у діапазон реальних режимів різання.

4. За розробленою методикою проведено експериментальні дослідження зміни осьової складової сили різання на етапі врізання та усталеного різання з точністю вимірювань 25 кадрів за секунду для величин неперпендикулярності торця: 1,5 і 3,0 мм, та матеріалів сталь та чавун СЧ20.

5. Експериментально встановлено величини шорсткості та параметри точності оброблених отворів самовстановлювальним блоком із С-подібною пружиною порівняно із жорстким блоком і оправкою для вібровигладжування. Досягнуто зменшення похибок обробки отвору в 1,3-2,5 рази, шорсткості 1,2-1,5 рази, порівняно з обробкою отворів жорстким блоком, за рахунок додаткових осцилюючих рухів самовстановлювального блоку з С-подібною пружиною. Визначено залежності подачі та швидкості різання для отримання заданої шорсткості обробки отворів, наприклад, для забезпечення шорсткості обробки Ra ,5 мкм: подача s = 0,05 мм/об, швидкість різання V = 50 м/хв.

6. Випробування самовстановлювальних інструментальних блоків із С-подібною пружиною дозволили встановити, що вони забезпечують гарантоване подрібнення утворюваної стружки. Ситовий аналіз підтвердив утворення елементів стружки в процесі обробки сталі 20 довжиною до 10-12 мм (тоді як в процесі обробці жорстким блоком стружка зливна) і при обробці чавуну СЧ20 – до 5 мм (при обробці жорстким блоком сколювана стружка різної довжини – від 3 мм до 15 мм). Порівняльний аналіз теоретичних і експериментальних даних показав достатню для практики точність розрахунків, похибка яких становить 12-18%.

7. Запропоновано алгоритм і методику інженерного розрахунку основних параметрів самовстановлювальних інструментальних блоків із С-подібною пружиною. Розроблено прикладну програму автоматизованого проектування, що включає розрахунок основних конструктивних розмірів деталей інструменту, вибір параметрів С-подібної пружини залежно від вихідних даних оброблюваних отворів (діаметр, довжина отвору, матеріал заготовки тощо), підбір режимів різання.

8. Результати роботи впроваджено у виробництво на ВАТ “Тернопільський комбайновий завод” для обробки деталей зварних рам бурякозбиральних машин і зірочок, що забезпечує зменшення похибки форми отвору в поперечному перерізі до 0,05-0,07 мм, шорсткість поверхні Ra 2,5-6,3 мкм, овальність отвору 0,03 мм, стійкість інструменту до перезаточування 180 хв.; на ТзОВ “Ватра-Технопрес” для обробки корпусів промислових світильників, за допомогою використання яких спрощено технологічний процес виготовлення деталі за рахунок відмови від проміжних операцій обробки отвору, а також передано для використання ТзОВ “Завод ”Альфа-Газпромкомплект” та впроваджено в навчальний процес підготовки фахівців освітньо-кваліфікаційного рівня бакалавр з напрямку 6.0902 “Інженерна механіка” для викладання дисциплін “Різальні інструменти”, “САПР технологічних процесів, верстатів та інструментів” на кафедрі конструювання конструювання верстатів, інструментів та машин Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. Економічний ефект від впровадження у виробництво самовстановлювальних інструментальних блоків із пружними зв’язками становить в середньому 2,0-4,5 тис. грн. під час обробки отворів в деталях типу корпус крана та зірочка з річною програмою випуску 231 та 4100 штук відповідно.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Луців І., Вовк Ю. Збірні комбіновані саморегульовані інструменти для зенкерування отворів. // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - Тернопіль: ТДТУ, 2000. - т.5, №3. - С.33-38.

2. Мартиненко В.Я., Вовк Ю.Я. Обробка мостів бурякозбиральних комбайнів самовстановлюваними інструментами // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства “Механізація сільського господарства”. - Харків: ХДТУСГ, 2003. - № 20. - С.343-346.

3. Луців І., Вовк Ю. Зенкерування отворів збірними самовстановлюваними інструментами // Всеукраїнський щомісячний науково-технічний і виробничий журнал “Машинознавство”. – Львів, 2003. - №4. - С.49-51.

4. Вовк Ю. До питання регулювання перехідного процесу врізання при обробці отворів з перекошеною поверхнею торця // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - Тернопіль: ТДТУ, 2005. - .№3, т.10. - С.90-94.

5. Вовк Ю.Я. Експериментальне визначення зусиль різання при обробці отворів з перекошеним торцем // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства ім. Петра Василенка. – Харків: ХНТУСГ, 2005. – Вип. №33. - С.53-57.

6. Вовк Ю.Я. Обґрунтування математичної моделі процесу обробки отворів підпружиненим інструментом // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства ім. Петра Василенка. – Харків: ХНТУСГ, 2005. – Вип. №42. - С.231-236.

7. Деклараційний патент на винахід 62669А Україна, МКВ 7 В23В 51/10. Інструмент для обробки отворів / Луців І.В., Вовк Ю.Я. (Україна). №2003043862; Заявлено 25.04.2003; Опубл. 15.12.2003, Бюл. №12. – 3с.

8. Деклараційний патент на винахід 71511А Україна, МКВ 7 В23В 51/10. Інструмент для зенкерування отворів / Луців І.В., Вовк Ю.Я. (Україна). №20031312249; Заявлено 31.12.2003; Опубл. 15.12.2004, Бюл. №11. – 4с.

9. Деклараційний патент на корисну модель 7153 Україна, МКВ 7 В23В 51/10. Інструмент для обробки отворів / Луців І.В., Мартиненко В.Я., Вовк Ю.Я. (Україна) №20040907758, Заявлено 23.09.2004; Опубл. 15.06.2005, Бюл. 6. – 3с.

10. Луців І., Вовк Ю. Збірні комбіновані саморегульовані інструменти для зенкерування отворів. // Матеріали 4-ої науково-технічної конференції “Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні” ТДТУ ім. І.Пулюя. – Тернопіль, 2000. - С.35.

11. Луців І., Вовк Ю. Адаптивне зенкерування інструментами з міжлезовим зв’язком. // Матеріали 5-ої наукової конференції ТДТУ ім. І.Пулюя. – Тернопіль, 2001. - С.32.

12. Луців І., Вовк Ю. Особливості процесу самовстановлювання чотирилезового інструменту для зенкерування отворів. // Матеріали 6-ої наукової конференції ТДТУ ім. І.Пулюя. – Тернопіль, 2002. - С.14.

13. Луців І.В. Вовк Ю.Я. Порівняльна характеристика процесу самовстановлювання чотирилезового інструменту для зенкерування отворів та існуючих самовстановлюваних інструментів. // Матеріали 3-ї Всеукраїнської конференції “Современные металлорежущие системы машиностроения”.- Донецьк, 2002. - С.78-82.

14. Вовк Ю. Особливості оброки отворів самовстановлюваними інструментами з осьовими осциляціями. // Матеріали 7-ої наукової конференції ТДТУ ім. І.Пулюя. – Тернопіль, 2003. - С.51.

15. Луців І., Вовк Ю. Зенкерування отворів збірними самовстановлюваними інструментами // 6-й міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові 21-23 травня 2003 року. – Тези доповідей. – Львів: КІНПАТРІ ЛТД., 2003 - С. 102.

16. Мартиненко В.Я., Вовк Ю.Я. Обробка мостів бурякозбиральних комбайнів самовстановлюваними інструментами // 4-а міжнародна науково-практична конференція “Сучасні проблеми землеробської механіки” у м. Харкові, 17-18 жовтня 2003 року . – Харків, 2003. - С.42.

17. Луців І.В., Мартиненко В.Я., Вовк Ю.Я. Використання біметалевих пружин у самовстановлюваних інструментах з осьовими осциляціями. // Матеріали 8-ої наукової конференції ТДТУ ім. І.Пулюя. – Тернопіль, 2004. - С.13.

18. Вовк Ю.Я. Використання пружинного зв’язку в самовстановлюваних інструментах. // Матеріали 8-ої наукової конференції ТДТУ ім. І.Пулюя. – Тернопіль, 2004. - С.37.

19. Вовк Ю. Дослідження процесу врізання при обробці отворів деталей із перекошеним торцем самовстановлюваними інструментами. // Матеріали 9-ої наукової конференції ТДТУ ім. І.Пулюя. – Тернопіль, 2005. - С.42.

20. Вовк Ю. Експериментальне визначення зусиль різання при обробці отворів в деталях з перекошеним торцем // 11-а Міжнародна науково-технічна конференція в м. Харків 2-3 червня 2005. – Харків, 2005. - С.77.

21. Луців І., Вовк Ю. До питання обробки отворів з перекошеною поверхнею торця самовстановлюваними інструментами // Тези доповідей 7-го міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові 18-20 травня 2005 року. – Тези доповідей. – Львів: КІНПАТРІ ЛТД., 2005. - С.87.

22. Луців І., Вовк Ю. Дослідження процесу обробки отворів з перекошеним торцем самовстановлюваними інструментами // 8-й міжнародний Симпозіум українських інженерів-механіків у м. Львові 23-25 травня 2007 року. – Тези доповідей. – Львів: КІНПАТРІ ЛТД., 2007 - С.103.

23. Вовк Ю. Стенд для визначення власних коливань плаваючого різального блоку самовстановлюваних інструментів. // Матеріали 11-ої наукової конференції ТДТУ ім. І.Пулюя. – Тернопіль, 2007. - С.24.

АНОТАЦІЯ

Вовк Ю.Я. Самовстановлювальні інструментальні блоки з пружними зв’язками для обробки отворів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 – Процеси механічної обробки, верстати та інструменти. – Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2007.

Дисертація присвячена створенню та дослідженню самовстановлювальних інструментальних блоків з пружними зв’язками для обробки отворів. Такий зв’язок дозволяє покращити якісні параметри оброблюваного отвору рівномірно на всій довжині, особливо на етапі врізання. Розроблені нові конструкції самовстановлювальних інструментальних блоків на основі морфологічного аналізу, їх математична модель. Запропоновано використання пружних зв’язків з метою максимального спрощення конструкції інструменту з можливістю осьових осциляцій. В результаті аналітичного моделювання підтверджено доцільність використання пружного зв’язку. Експериментально досліджено процес врізання та усталеного різання, зокрема, зміну осьової складової сили різання залежно від режимів різання, оброблюваного матеріалу та величини неперпендикулярності торця деталі оброблюваного отвору. Визначено параметри шорсткості та точності отвору для різних умов роботи інструменту. Проведено порівняльний аналіз подрібнення стружки при обробці отворів самовстановлювальними інструментальними блоками з пружними зв’язками та жорстко закріпленими.

Створено інженерну методику проектування самовстановлювальних інструментальних блоків з пружними зв’язками. Економічна ефективність використання розроблених самовстановлювальних інструментальних блоків з пружними зв’язками досягається за рахунок збільшення продуктивності обробки, зменшення шорсткості обробленої поверхні та підвищення точності.

Ключові слова: С-подібна пружина, самовстановлювальний інструментальний блок, пружні зв’язки, неперпендикулярний торець.

АННОТАЦИЯ

Вовк Ю.Я. Самоустанавливающиеся инструментальные блоки с упругими связями для обработки отверстий. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 – Процессы механической обработки, станки и инструмент. Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя, Тернополь, 2007.

Диссертация посвящена созданию и исследованию самоустанавливающихся инструментальных блоков с упругими связями для обработки отверстий.

Проанализированы современные проблемы лезвийной обработки отверстий, рассмотрены основные пути повышения точности и производительности обработки. Рассмотрены основные типы самоустанавливающихся инструментов для обработки отверстий, проанализированы основные недостатки конструкций, технико-экономические показатели работы.

На основе морфологического анализа разработаны новые компоновочные схемы самоустанавливающихся инструментов с осевыми осцилляциями. Выбраны рациональные схемы компоновок и разработаны конструкций инструментов. Наиболее удачными являются четырехлезвийные инструменты с двумя подвижными в осевом направлении лезвиями и двумя неподвижными, кинематическая связь между лезвиями обеспечивается посредством рычажных и упругих связей. Такие типы кинематических связей разрешают улучшить качественные параметры обрабатываемого отверстия равномерно по всей длине, особенно на этапе врезания. Предложено использование упругих связей с целью максимального упрощения конструкции инструмента с возможностью осевых осцилляций. Разработана математическая модель обработки отверстий с неперпендикулярными торцами самоустанавливающимися инструментами с С-образной пружиной на этапе врезания. В результате аналитического моделирования подтверждена целесообразность использования упругой связи.

Проведены экспериментальные исследования обработки отверстий с неперпендикулярными торцами при разных подачах, скоростях резания, разных величинах наклона торца и материалов самоустанавливающимися инструментами с С-образной пружиной. С помощью цифровой видеокамеры определено изменение значения осевой составляющей силы резания на этапе врезания и установившегося резания. Доказано, что пиковые ударные нагрузки по сравнению с обработкой отверстий инструментами жесткой конструкции значительно меньше при обработке самоустанавливающимися инструментальными блоками с упругими связями. Поэтому обеспечивается относительная равномерность показателей качества по всей длине отверстия.

Экспериментально определены величины шероховатости и точности обработанных отверстий при одинаковых исходных данных для обработки самоустанавливающимся блоком с С-образной пружиной, жестким блоком и оправкой для вибровыглаживания. Достигнуто уменьшение погрешностей обработки в 1,3...2,5 раза, шероховатости 1,2...1,5 раза, сравнительно с обработкой отверстий жестким блоком и практически совпадают с результатами обработки отверстий оправкой для вибровыглаживания за счет дополнительных осциллирующих движений самоустанавливающегося блока с С-образной пружиной. Проведен анализ процесса стружкообразования при обработке самоустанавливающимися инструментами с С-образной пружиной и жесткими инструментами. Доказана возможность кинематического дробления стружки с помощью осевых осцилляций, которые обеспечиваются наличием упругих связей лезвий. Создана инженерная методика проектирования самоустанавливающихся инструментальных блоков с упругими связями. Определены основные технико-экономические показатели использования самоустанавливающихся инструментальных блоков с упругими связями, подтвердившие преимущества разработанных инструментов по решению проблемы повышения показателей производительности, шероховатости и точности обработки.

Ключевые слова: С-образная пружина, самоустанавливающийся инструментальный блок, упругие связи, неперпендикулярный торец.

ANNOTATION

Vovk Y.Y. Self-established tool blocks with elastic links for handling of holes. – Manuscript.

The thesis for scientific degree of the Candidate of engineering science in the speciality 05.03.01 - Processes of machining, machine tools and tools. - Ternopil Ivan Puluj State Technical University, Ternopil, 2007.

The dissertation is devoted to creation and research of self-established tool blocks with elastic links for processing holes. Such links allows to improve qualitative parameters of a processable hole in regular intervals on all length, especially at a stage of incision. The new designs of self-established tool blocks are developed on the basis of the morphological analysis, their mathematical model. Use of elastic links with the purpose of the maximal simplification of a design of the tool with an opportunity of axial oscillations is offered. Confirmed is expediency