МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

„ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ”

Гриньов Юрій Олександрович

УДК 621.941.025

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ УНІВЕРСАЛЬНИХ РІЗЦІВ ЗА РАХУНОК ОПТИМІЗАЦІЇ ГЕОМЕТРИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ПОВОРОТНОЇ РОБОЧОЇ ЧАСТИНИ

Спеціальність 05.03.01 – Процеси механічної обробки, верстати та інструменти

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк – 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі „Металорізальні верстати та інструменти” Державного вищого навчального закладу „Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Матюха Петро Григорович,

Державний вищий навчальний заклад „Донецький національний технічний університет”, завідувач кафедри „Металорізальні верстати та інструменти”

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Мироненко Євгеній Васильович,

Донбаська державна машинобудівна академія, декан інженерно-економічного факультету, професор кафедри „Металорізальні верстати та інструменти”

кандидат технічних наук, доцент

Корбут Євген Валентинович,

Механіко – машинобудівний інститут Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут”, доцент кафедри „Інструментальне виробництво”

Захист відбудеться „ 10 ” квітня 2008 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.04 Державного вищого навчального закладу „Донецький національний технічний університет” за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, ДВНЗ „Донецький національний технічний університет”, 6-й навчальний корпус, ауд. 6.202а.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, ДВНЗ „Донецький національний технічний університет”, 2-й навчальний корпус.

Автореферат розісланий „ 7 ” березня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент Т.Г. Івченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасне машинобудівне виробництво повинно бути орієнтованим на вимоги ринку, якомога ширше задовольняючи його запити. Це значить, що виробництво повинно бути гнучким і високоорганізованим, швидко переналагоджуватися на випуск нової продукції невеликими партіями або окремими екземплярами машин, використовуючи при цьому переваги організації масового виробництва. Такому типу виробництва повинно відповідати і його інструментальне забезпечення, що дозволить реалізувати гнучкість без значних витрат на інструмент.

Існуючі системи токарних різців для зовнішнього точіння на середніх верстатах формуються на основі стандартних конструкцій. У цьому випадку необхідний діапазон головних кутів у плані перекривається окремими конструкціями різальних пластин, що закріплюються на державках, які відповідають пластинам. Це приводить до того, що номенклатура різців обчислюється сотнями типорозмірів. Наприклад, кількість типорозмірів інструментів на Волгоградському і Харківському тракторних заводах становить відповідно 10900 і 9400, у тому числі кількість типорозмірів різців - 3700 і 3400. При цьому різці, які рідко застосовуються, більшу частку часу зберігаються в інструментальній коморі, займаючи складські приміщення й збільшуючи витрати підприємства.

Аналіз тенденцій сучасного розвитку інструментального виробництва показує, що гнучкість інструмента досягається за рахунок відокремлення робочої частини від державки або забезпечення можливості установки на ту саму державку замінних вставок або різальних пластин. Це реалізовано в модульних конструкціях інструментів або універсально-збірних інструментах. Разом з тим, як показав аналіз вітчизняної технічної літератури й патентних матеріалів, починаючи з 50-х років 20-го століття, у публікаціях є відомості про конкретні конструкції інструмента підвищеної універсальності. При цьому повністю відсутня інформація про особливості його проектування, оптимальні геометричні параметри, про методики визначення технічних обмежень, що накладаються на режими обробки, про вплив кількості елементів робочої частини і стиків між ними на піддатливість технологічної системи.

У зв'язку із цим, розробка нових конструкцій інструмента підвищеної універсальності з оптимальними геометричними параметрами робочої частини та створення інструментальних систем на основі таких конструкцій, є актуальною задачею. Це рівною мірою стосується й токарних різців, у яких розширення області їх застосування відбувається за рахунок повороту робочої частини.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі “Металорізальні верстати та інструменти” Донецького національного технічного університету в рамках науково-дослідної теми “Теоретичні основи проектування систем токарних різців підвищеної універсальності для гнучких виробничих комплексів” 0103U001424. Замовник - Міністерство освіти і науки України.

Мета і задачі досліджень. Мета дослідження – зниження номенклатури державок різців і різальних пластин, які входять до системи токарного інструмента, за рахунок створення універсальних токарних різців з оптимальними геометричними параметрами поворотної робочої частини.

Об'єктом дослідження є конструкції токарних різців з поворотною робочою частиною.

Предметом дослідження є геометричні і конструктивні параметри робочої частини при її повороті відносно державки, умови закріплення робочої частини на державці, напружено-деформований стан елементів різця, які у сукупності визначають технічні й технологічні можливості інструмента.

Методи дослідження. Теоретичні методи, що базуються на положеннях векторної алгебри і аналітичної геометрії, застосовувалися при виведенні формул для визначення геометричних і конструктивних параметрів робочої частини універсально-збірних різців, а також при прогнозуванні величини шорсткості обробленої поверхні. Математичне моделювання з використанням методів теоретичної механіки використовували для оцінки умов закріплення робочої частини на державці різця та прогнозування режимів обробки, що допускаються цими умовами. Дослідження напружено-деформованого стану робочої частини універсально-збірних різців виконували за допомогою твердотільного моделювання й чисельного розрахунку на основі методу кінцевих елементів. Адекватність розроблених математичних моделей і даних, отриманих за допомогою чисельного розрахунку, підтверджували за допомогою експериментальних досліджень.

Для досягнення мети, сформульованої вище, необхідно вирішити наступні задачі:

1. Запропонувати методику виконання етапів проектування, специфічних для токарних різців з поворотною робочою частиною:

а) розвинути концепцію підвищення універсальності різців за рахунок повороту робочої частини навколо осі, яка перпендикулярна опорній поверхні багатогранної непереточуваної пластини;

б) оптимізувати геометричні параметри поворотної робочої частини за критерієм максимальної величини діапазону зміни головного кута в плані;

в) визначити технічні обмеження, що накладаються на режими обробки умовами закріплення поворотної робочої частини на державці різця.

2. Провести дослідження напружено-деформованого стану елементів різця з поворотною робочою частиною з метою визначення статичної жорсткості конструкції різця і її внеску в загальну жорсткість технологічної системи.

3. Запропонувати вдосконалену конструкцію універсально-збірного різця з поворотною робочою частиною для створення на її основі системи токарного інструмента для точіння, дослідити технічні характеристики різців і запропонувати формули для визначення параметра шорсткості Ra обробленої поверхні.

4. Розробити рекомендації із проектування універсально-збірних різців з поворотною робочою частиною. Впровадити результати досліджень.

Наукові положення, які виносяться на захист:

- розширення універсальності різця за рахунок повороту робочої частини навколо осі отвору в багатогранній непереточуваній пластині (БНП), яка перпендикулярна опорній поверхні пластини, спрощує конструкцію вузла кріплення при мінімальній кількості складових частин різця і припустимих змінах геометричних параметрів на головній і допоміжній різальних кромках;

- використання концепції підвищення універсальності за рахунок повороту робочої частини з основним змінюваним параметром - головним кутом у плані, забезпечує перекриття максимального числа стандартних конструкцій інструмента та, у результаті, - максимальне скорочення номенклатури необхідних різців і різальних пластин, що входять до системи.

Наукова новизна отриманих результатів:

- одержала подальший розвиток теорія проектування збірного токарного інструмента, поворот робочої частини якого відносно державки здійснюється навколо осі, яка перпендикулярна опорній поверхні БНП;

- вперше отримана система математичних залежностей, яка дозволяє визначити й оптимізувати геометричні параметри робочої частини різця при її повороті відносно державки навколо осі, яка перпендикулярної опорній поверхні БНП, за критерієм максимального діапазону зміни головного кута в плані;

- вперше запропонований математичний опис умов закріплення поворотної робочої частини до державки, що дозволяє визначити величини подач, обмежених конструкцією вузла кріплення;

- запропоновані етапи проектування токарних різців з поворотною робочою частиною й методики їхнього виконання.

Практичне значення отриманих результатів:

1. На основі запропонованих методик розроблені програми виконання розрахунків на етапах проектування універсально-збірних різців з поворотною робочою частиною за допомогою ПЕОМ.

2. Визначено раціональні області застосування універсально-збірних різців з поворотною робочою частиною.

3. Розроблено нову конструкцію універсально-збірного різця з поворотною робочою частиною (Патент України №51167 А), що має підвищену жорсткість й мінімальну кількість складових елементів.

4. Результати досліджень впроваджені на НВП “Еталон” з економічним ефектом 8 000 гривень у рік і використовуються в навчальному процесі ДонНТУ при проведенні занять з дисциплін “Теорія різання” і “Різальний інструмент”, а також при виконанні магістерських робіт і дипломних проектів.

Особистий внесок здобувача.

Особисто автором:

- запропоновані етапи проектування токарних різців підвищеної універсальності з поворотною робочою частиною і розроблені методики їх виконання;

- отримана система математичних залежностей для визначення оптимальних геометричних параметрів робочої частини при її повороті навколо осі, яка перпендикулярна опорній поверхні БНП, і для знаходження оптимального положення опорної поверхні під пластину, яке забезпечує максимальний діапазон зміни головного кута в плані;

- запропоновано математичний опис умов закріплення робочої частини на державці, що дозволяє визначити величини подач, обмежені конструкцією вузла кріплення поворотної робочої частини до державки;

- проведене дослідження напружено-деформованого стану елементів універсально-збірного різця з поворотною робочою частиною;

- розроблені методики і розрахункові програми для виконання окремих етапів проектування універсально-збірних різців з поворотною робочою частиною на ПЕОМ;

- розроблені пристрої і методики дослідження статичної жорсткості токарних різців та визначення припустимих подач при різанні універсально-збірними різцями з поворотною робочою частиною.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на: VI и VIII Міжнародних науково-технічних конференціях “Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века” в м. Севастополі у 1999 році та у 2001 році, відповідно; 4-й Міжнародній науково-технічній конференції “Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве”, 23-24 жовтня 2001 р., м. Харків; першій, другій, четвертій Всеукраїнських науково-технічних конференціях "Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї – наука – виробництво", що проходили, відповідно, в 2001 р. у Сумах, в 2002 р. у Сумах та у 2004 р. в Києві; Молодіжній науково-технічній конференції вузів прикордонних регіонів слов’янських держав, 17 – 18 грудня 2002 р., м. Брянськ; на третій, четвертій, п’ятій та шостій Міжнародних спеціалізованих виставках “Машиностроение, металлобработка” в 2004 та 2005 роках, “Машиностроение. Станкоинструмент” в 2006 році та “Машиностроение. Станкоинструмент. Сварка” в 2007 році. Міжнародній науково-технічній конференції „Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку” 4 – 7 червня 2007 року, м. Краматорськ.

Публікації. За результатами досліджень за темою дисертації опубліковані 13 основних робіт у виданнях, рекомендованих ВАК України, тези доповіді й отримано патент України. Три статті і тези доповіді підготовлені одноосібно, десять статей і один патент - у співавторстві.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів і висновків. Робота викладена на 304 сторінках, містить 109 ілюстрацій на 80 сторінках, 11 рисунків по тексту, 30 таблиць на 25 сторінках, 5 таблиць по тексту, список літератури з 229 найменувань на 23 сторінках і 6 додатків на 44 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У першому розділі „Існуючи способи удосконалення систем токарного інструмента і методики проектування різців, що входять до системи” проведений аналіз існуючих систем токарного інструмента, окремих конструкцій токарних різців підвищеної універсальності і виконана їх класифікація. Розглянуто та проаналізовано існуючі етапи проектування стандартного токарного інструмента.

Сьогодні системи токарного інструмента розробляються на основі модульних, багатофункціональних і стандартних конструкцій. У системах токарних різців на базі стандартних конструкцій необхідний діапазон головних кутів у плані перекривається окремими конструкціями різальних пластин, які закріплюються на державках, що відповідають пластинам. Це приводить до того, що номенклатура різців обчислюється сотнями типорозмірів, а рідко застосовувані різці більшу частку часу зберігаються в інструментальній коморі, займаючи складські приміщення і збільшуючи витрати підприємства.

Зменшити номенклатуру токарного інструмента можливо за рахунок створення систем на основі конструкцій різців підвищеної універсальності, в яких підвищення універсальності досягається відокремленням робочої частини від державки, при чому робоча частина може здійснювати поворот і переміщення відносно трьох взаємноперпендикулярних осей. Підвищення універсальності також може бути досягнуто заміною робочої частини інструменту.

В основу класифікації різців підвищеної універсальності покладемо наступні основні ознаки: вид різальної частини; спосіб досягнення універсальності; конструктивне рішення; вид переналагодження геометричних і конструктивних параметрів; кількість осей, навколо яких здійснюється поворот робочої частини відносно державки; спосіб налагодження.

Як показав аналіз, найбільш раціональним способом підвищення універсальності токарних різців є плавний поворот робочої частини навколо осі, яка перпендикулярна опорній поверхні БНП, що дозволяє змінювати головний кут у плані. У цьому випадку досягається максимальне перекриття існуючих стандартних конструкцій інструмента і, у результаті, - максимальне скорочення номенклатури необхідних різців і різальних пластин, що входять до системи інструменту. Крім цього, зміна головного кута в плані дозволяє регулювати завантаженість ділянок різальної кромки, умови тепловідведення із зони різання, перерозподіляти значення величин складових сили різання при обробці заготовок різної жорсткості, створювати сприятливі умови для стружкоподрібнення.

Вважаючи, що етапи проектування різців підвищеної універсальності будуть містити в собі і етапи проектування стандартного збірного інструмента, зупинимося на них більш детально. Етапи проектування стандартного інструмента, у розробку яких внесли значний внесок Бобров В.Ф., Вульф А.М., Гречишников В.А., Грановський Г.І., Лашнєв С.І., Перепелиця Б.А., Петрухін С.С., Равська Н.С., Родін П.Р., Семенченко І.І., Сахаров Г.Н., Юліков М.І. і ін., включають: аналіз умов експлуатації різального інструменту; вибір відповідного інструментального матеріалу; вибір або визначення геометричних і конструктивних параметрів робочої частини, а також параметрів опорної поверхні під пластину на державці; визначення габаритів державки різця та розрахунок елементів вузла кріплення різальної пластини з метою перевірки.

Як видно з наведеного переліку, при проектуванні різців з поворотною робочою частиною, що повертається навколо осі, яка перпендикулярна опорній поверхні багатогранної непереточуваної пластини, необхідно включити додаткові етапи. До них відносяться: оптимізація геометричних параметрів робочої частини; визначення технічних обмежень, що накладаються на режими обробки умовами закріплення поворотної робочої частини на державці різця; дослідження напружено-деформованого стану елементів різця.

У зв'язку із цим поставлені задачі досліджень, які наведені в загальній характеристиці роботи.

У другому розділі „Методологія та методики теоретичних і експериментальних досліджень, обладнання, інструмент, що застосовується, та оброблювані матеріали” описані методологія досліджень, методики експериментальних досліджень, використовуване обладнання, пристрої, інструмент і оброблювані матеріали. Наведено методики досліджень статичної жорсткості конструкцій різців, визначення припустимих подач, опис використовуваних пристроїв, методики статистичної обробки експериментальних даних.

У роботі при виконанні різних етапів проектування використовували вербальну модель, методи векторної алгебри, математичні й чисельні моделі.

Експерименти проводили на токарних верстатах моделей 16К20 і 16А20Ф3. При дослідженні жорсткості робочої частини різців використовували фрезерний верстат 6С12Ц.

Оброблюваний матеріал - Сталь 45 із твердістю НВ 186...192. Зразки мали циліндричну форму з діаметрами 32 мм, 35 мм і 80 мм, довжиною 200 мм, 200 мм і 600 мм, відповідно. Вид обробки - зовнішнє точіння.

В експериментах використовували комплекти універсально-збірних різців з поворотною робочою частиною (рис. 1, а, б) та розмірами перерізу державки BH = 2532 (рис. 1, а) і 2525 (рис. 1, б).

Рис. 1. Досліджувані різці з поворотною робочою частиною (РЧ): а - з кріпленням РЧ штифтом та затискним елементом (Патент України № 12364А) ; б – з кріпленням РЧ штифтом (Патент України №51167 А)

Для порівняння застосовували комплекти різців стандартних конструкцій MSDNR 25 25 150 16 і PWLNR    .

Сили різання вимірювали за допомогою динамометра УДМ 600 у комплекті з підсилювачем УТ-4-1 і комп'ютером РС 486, оснащеним аналогово-цифровим перетворювачем NVL 0,8.

Параметри шорсткості вимірювали на профілометрі моделі 296.

У третьому розділі „Оптимізація геометричних параметрів робочої частини універсально-збірних різців, оснащених багатогранними непереточуваними пластинами” отримана система залежностей для визначення геометричних і конструктивних параметрів робочої частини при її повороті навколо осі, яка перпендикулярна опорній поверхні БНП, що дозволяє оптимізувати базові геометричні параметри робочої частини за критерієм максимального діапазону зміни головного кута в плані. Визначено вплив зміщення вершини різальної пластини при повороті робочої частини на геометричні й конструктивні параметри різця.

Формули для визначення геометричних і конструктивних параметрів робочої частини різця, оснащеної БНП різної форми, при її повороті відносно державки одержали з використанням методів векторної алгебри.

Отримані залежності дозволяють визначити геометричні параметри на головній (, , , ) і допоміжній (1, 1, 1, 1) різальних кромках, а також величини зміщення вершини БНП по координатних осях при повороті робочої частини відносно базового положення. За базове положення прийняте положення БНП на державці, для якого розраховуються параметри опорної поверхні під підкладку.

Запропоновані формули дозволяють описати технічні обмеження, що накладаються на діапазон зміни головного кута в плані при повороті робочої частини. Наприклад, для різця, оснащеного квадратною БНП, система технічних обмежень має вигляд:

, (1)

де , N, 0 – відповідно базові головний кут у плані, задній нормальний кут і кут нахилу головної різальної кромки; , 1 - допоміжні кути (верхні знаки використовуються при повороті робочої частини за годинниковою стрілкою, нижні – проти годинникової стрілки).

Критерієм оптимізації є діапазон зміни головного кута в плані

max - min max. (2)

Цей критерій оптимізації був обраний при допущенні, згідно з яким продуктивність і якість обробки універсальними різцями, у порівнянні з обробкою різцями стандартної конструкції з аналогічними геометричними параметрами, не зміняться.

Систему рівнянь (1) вирішували на ПЕОМ методом перебору при задоволенні критерію оптимізації (2). У результаті були отримані такі оптимальні значення базових геометричних параметрів робочої частини різця (табл. 1).

Таблиця 1

Оптимальні значення базових геометричних параметрів при установці різних БНП

Форма пластини | Оптимальні базові геометричні параметри | Припустимий діапазон установлення кутів у плані

б, градуси | Nб, градуси | б, градуси | мінімальне значення, градуси | максимальне значення, градуси

Тригранна | 30 | 12 | 0 | 60 | 100

Квадратна | 30 | 12 | 0 | 30 | 85

П'ятигранна | 20 | 12 | 0 | 10 | 65

Шестигранна з кутом при вершині 120 | 30 | 12 | 0 | 10 | 55

Шестигранна або ромбічна з кутом при вершині 80 | 30 | 12 | 0 | 40 | 95

При повороті робочої частини відбувається зміщення вершини БНП відносно осі заготовки, що викликає зміну геометричних параметрів робочої частини.

Отримані формули для визначення геометричних параметрів робочої частини при її повороті з урахуванням зсуву вершини БНП. У залежності від форми пластини, зміни радіуса оброблюваної поверхні від 100 до 10 мм і встановлюваного головного кута в плані , зміна геометричні параметри за рахунок вертикального зміщення вершини БНП змінюються в межах 1 – 25%. Причому, величина зміни зростає зі зменшенням радіуса обробленої поверхні.

Базове положення пластини повинне відповідати мінімальному значенню головного кута в плані з діапазону регулювання, тому що в цьому випадку при повороті робочої частини проти годинникової стрілки відбувається збільшення кута і задніх кутів у результаті зміщення вершини БНП вниз відносно осі заготовки.

Оптимальне базове положення опорної поверхні на державці універсально-збірного різця (УЗР), яке забезпечує можливість установки набору поворотних підкладок, оснащених БНП різної форми, характеризується наступними геометричними параметрами: пов= – 10,5 і поп= – 6,0 і забезпечує наступні базові геометричні параметри робочої частини: б = 30; Nб = 12; б = 0. При цьому максимальний припустимий діапазон установлюваних кутів у плані досягається при установці пластин з кутами при вершині від 80 до 108.

У четвертому розділі „Дослідження статичної жорсткості універсально-збірних різців” за допомогою програми CosmosWorks проведене дослідження напружено-деформованого стану елементів різця з поворотною робочою частиною. Виконано експериментальне дослідження статичної жорсткості універсально-збірних різців.

Для прогнозування жорсткості конструкцій різців з поворотною робочою частиною на стадії проектування зручно використовувати програму CosmosWorks. Вона дозволяє за допомогою методу кінцевих елементів з урахуванням коефіцієнта тертя між елементами різця й жорсткості стиків між ними визначати величини зміщення цих елементів і напруження, які виникають під дією навантаження.

Чисельне моделювання було виконано для випадків, коли різець представлений складеним тілом із заданими коефіцієнтами тертя між деталями; складеним тілом із заданими коефіцієнтами тертя й жорсткостями стиків між деталями.

Результати чисельного моделювання для випадку, коли різець розглядається як складене тіло із заданими коефіцієнтами тертя між деталями, представлені на рисунку 2.

Рис. 2. Розрахункові переміщення елементів робочої частини УЗР при розрахунку різця як складеного тіла із заданим коефіцієнтом тертя:

а - на різальній пластині; б - на підкладці під пластину; в - на поворотній підкладці; г - на державці

Для перевірки адекватності чисельного моделювання були виконані експерименти по визначенню статичної жорсткості конструкції різця. Встановлено, що величини зміщення вершини БНП відносно державки, отримані в результаті моделювання, знаходяться в 95%-му довірчому інтервалі на експериментально знайдені величини.

Точність обробки залежить не тільки від жорсткості різця, але й від жорсткості систем “різець - різцетримач” і “різець – супорт”. Встановлено, що жорсткість системи “різець - супорт” в 3,9 - 4,2 рази нижче, ніж жорсткість системи “різець - різцетримач”, відповідно для різців з поворотною робочою частиною й стандартних різців.

У п'ятому розділі „Прогнозування технічних можливостей універсально-збірних різців з поворотною робочою частиною” запропонований математичний опис умов закріплення поворотної робочої частини на державці різця, за допомогою якого визначені технічні обмеження, що накладаються на режими обробки конструкцією вузла кріплення робочої частини до державки. Запропоновано вдосконалену конструкцію різця з поворотною робочою частиною (див. рис. 1,б, Патент України № 51167А). Запропоновано формули і умови їх застосування для прогнозування величини шорсткості обробленої поверхні при точінні різцями з поворотною робочою частиною.

Математичний опис умов закріплення робочої частини на державці в процесі складання й обробки виконано з використанням рівнянь рівноваги між активними й реактивними силами та технічних обмежень, що накладаються на режими обробки відсутністю проворота робочої частини відносно державки, міцністю елементів вузла кріплення, міцністю БНП, потужністю верстата, областю існування прямого поперечного перерізу стружки.

Визначення припустимих подач при різних сполученнях величин головного кута в плані й глибини різання виконувалося на ПЕОМ за допомогою розробленої програми. Результати розрахунку для різця (див. рис. 1 а) наведені на рисунку 3 і в таблиці 2.

Для перевірки результатів проведеного розрахунку обмежуючих подач відповідно до розробленої методики були проведені експериментальні дослідження з визначення припустимих подач (табл. 3).

Як видно з наведених даних (див. табл. 2 і 3), факторами, що обмежують режими обробки, є: міцність БНП, потужність двигуна привода головного руху верстата, вібростійкість технологічної системи. Порівняння величин експериментально отриманих припустимих подач при обробці різцями базової (див. рис. 1, а) і вдосконаленої конструкції (див. рис. 1, б) показали їхній практичний збіг, а також повну ідентичність обмежуючих факторів.

Рис. 3. Вплив величин головного кута в плані та глибини різання на величину припустимої подачі

Таблиця 2

Вплив глибини різання на розрахункові припустимі подачі при зовнішньому точінні сталі 45 зі швидкістю 120 м/хв різцем з поворотною робочою частиною з геометричними параметрами = 45, 1 = 44,7, = 10, = 10, = 3

Встановлений головний кут у плані, градуси | Глибина різання, мм | Розрахункова припустима подача, обмежена: | Прийнята припустима подача, мм/об

наявністю проворота робочої частини, мм/об | міцністю штифта на розрив, мм/об | міцністю штифта на зріз, мм/об | міцністю гвинта на розрив, мм/об | міцністю БНП, мм/об | Потужністю двигуна верстата, мм/об

45 | 1,5 | 1,5 | 1,5 | 1,5 | 1,5 |

1,3 | 1,5 | 1,3

2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 1,31 | 1,3

2,5 | 2,5 | 2,5 | 2,5 | 2,5 | 0,97 | 0,97

3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 0,76 | 0,76

3,5 | 0,98 | 3,5 | 3,5 | 3,5 | 0,62 | 0,62

4 | 0,59 | 3,44 | 4 | 4 | 0,52 | 0,52

Таблиця 3

Вплив глибини різання на припустимі подачі, визначені експериментально, при зовнішньому точінні сталі 45 зі швидкістю 120 м/хв різцем з поворотною робочою частиною з геометричними параметрами = 45, 1 = 44,7, = 10, = 10, = 3

Головний кут у плані | Глибина різання, мм | Обмежуючі подачі, визначені експериментально, мм/об | Прийнята припустима подача, мм/про

УЗР №1 | УЗР № 2 | УЗР №3

45 | 1,5 | 1,2**** | 1,2**** | 1,2**** | 1,2**** | 1,2**** | 1,2**** | 1,2**** | 1,2**** | 1,2**** | 1,2

2 | 1* | 1,2* | 1* | 1,2* | 1,2* | 1* | 1* | 1* | 1* | 0,8

2,5 | 1* | 1** | 1* | 1* | 1* | 1* | 1* | 1* | 1** | 0,8

3 | 0,8** | 0,8** | 0,8** | 0,8** | 0,8** | 0,8** | 0,8** | 0,8** | 0,8** | 0,7

3,5 | 0,7** | 0,8** | 0,7** | 0,7** | 0,7** | 0,7** | 0,8** | 0,7** | 0,7** | 0,6

4 | 0,25*** | 0,30*** | 0,25*** | 0,30*** | 0,30*** | 0,25*** | 0,25*** | 0,25*** | 0,25*** | 0,2

Примітка

* - подача, обмежена міцністю БНП;

** - подача, обмежена потужністю двигуна привода головного руху верстата;

*** - подача, обмежена вібростійкістю технологічної системи;

**** - подача, обмежена можливістю установки на верстаті величини подачі в діапазоні від 1,2 до 1,4 мм/об

Таким чином, встановлено, що:

- розроблений математичний опис умов закріплення робочої частини дозволяє прогнозувати величини припустимих подач при обробці різцями з поворотною робочою частиною без проведення трудомістких експериментів;

- зміна кутів у плані практично не впливає на величину припустимих подач при різних глибинах різання. При обробці з постійним головним кутом у плані збільшення глибини різання приводить до зменшення значення припустимих подач;

- міцність деталей вузла кріплення і умови закріплення поворотної робочої частини УЗР не накладають обмеження на величину припустимих подач;

- величини припустимих подач в умовах обробки на середніх верстатах обмежуються міцністю БНП, потужністю двигуна привода головного руху верстата й вібростійкістю технологічної системи;

- удосконалена конструкція УЗР із поворотною робочою частиною має такі ж технологічні можливості, що й базова конструкція, але меншу кількість деталей, в результаті чого знижується трудомісткість виготовлення інструмента.

Для визначення величини подач із метою одержання заданого параметра шорсткості Ra обробленої поверхні були запропоновані формули і умови їх застосування. Від загальноприйнятих залежностей, які зв'язують параметр Ra з геометричними параметрами робочої частини й подачею, вони відрізняються тим, що складаються із двох співмножників. Перший співмножник отриманий з умови, що у формуванні параметрів шорсткості обробленої поверхні домінує геометричний фактор. Другий співмножник ураховує зміну шорсткості пластичними деформаціями, жорсткістю технологічної системи, наявністю шорсткості на різальній кромці інструмента і являє собою коефіцієнт, знайдений експериментально.

Встановлено, що обробка різцями стандартної конструкції, універсальної базової конструкції й удосконаленої універсальної конструкції забезпечує практично ідентичну шорсткість і точність обробленої поверхні.

У шостому розділі „Етапи проектування універсально-збірних різців з поворотною робочою частиною. Впровадження результатів досліджень” описана послідовність проектування токарних різців з поворотною робочою частиною, запропонована система токарних різців на їх основі, розроблені рекомендації з використання у виробництві токарних різців з поворотною робочою частиною.

Застосування нових конструкцій універсально-збірних різців з поворотною робочою частиною в умовах НВП “Еталон” дозволило скоротити номенклатуру покупних токарних різців на 30% і металоємність систем токарного інструмента на 20 - 70%, що дало річний економічний ефект у розмірі восьми тисяч гривень.

Результати дисертаційної роботи впроваджені в навчальний процес у Донецькому національному технічному університеті при підготовці студентів спеціальності “Металорізальні верстати і системи” у рамках дисциплін “Теорія різання” і “Різальний інструмент”, а також використовуються при виконанні дипломних проектів і магістерських робіт.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена важлива наукова і народногосподарська задача, яка полягає в зниженні номенклатури державок різців і різальних пластин, що входять у систему токарного інструмента, а, разом з тим, і зниження металоємності систем на 20 – 70% у порівнянні із системами на базі стандартних різців, за рахунок створення універсальних токарних різців з оптимальними геометричними параметрами поворотної робочої частини, які оснащені БНП.

1. Вперше розроблені класифікації переналагоджуваних і регульованих універсально-збірних різців і способів підвищення універсальності токарних різців.

2. Оптимізовані геометричні параметри робочої частини за критерієм максимальної величини діапазону зміни головного кута в плані з використанням запропонованої системи математичних залежностей для розрахунку статичних геометричних і конструктивних параметрів поворотної робочої частини.

3. Оптимальне базове положення опорної поверхні на державці різця, що забезпечує можливість установки набору поворотних підкладок, оснащених БНП різної форми, характеризується наступними геометричними параметрами: пов = – 10,5, поп = – 6,0 і забезпечує такі базові геометричні параметри робочої частини: б= 30; Nб = 12; б = 0. При цьому максимальний припустимий діапазон установлюваних кутів у плані досягається при установці пластин з кутами при вершині від 80° до 108°.

4. Визначені на стадії проектування технічні обмеження, що накладаються на режими обробки умовами закріплення поворотної робочої частини на державці різця. Установлено, що міцність деталей вузла кріплення й умови закріплення поворотної робочої частини на державці не накладають обмеження на величину припустимих подач, а величини припустимих подач при точінні обмежуються міцністю БНП, потужністю двигуна привода головного руху верстата та вібростійкістю технологічної системи.

5. Точність обробки залежить не стільки від жорсткості різця, скільки від жорсткості систем “різець - різцетримач” і “різець - супорт”. Встановлено, що жорсткість системи “різець - супорт” в 3,9 - 4,2 рази нижче, ніж жорсткість системи “різець - різцетримач”, відповідно для різців з поворотною робочою частиною й стандартних різців.

6. Величина шорсткості Ra обробленої поверхні може бути визначена як добуток двох співмножників. Перший співмножник являє собою залежність Ra від геометричних параметрів робочої частини й подачі. Другий співмножник ураховує зміну нерівностей пластичними деформаціями, жорсткістю технологічної системи, наявністю шорсткості на ріжучій кромці інструмента і являє собою коефіцієнт, знайдений експериментально.

7. Етапи проектування токарних УЗР в доповнення до етапів проектування стандартних різців повинні бути доповнені обґрунтуванням способу підвищення універсальності різця, оптимізацією геометричних параметрів за величиною діапазону регулювання, а також конструктивних елементів вузла кріплення робочої частини до державки або визначенням обмежуючих режимів обробки із умов міцності вузла кріплення.

8. На основі запропонованої вдосконаленої конструкції (Патент України №51167 А) в умовах НВП “Еталон” була впроваджена система токарного інструмента, застосування якої забезпечило річний економічний ефект у розмірі восьми тисяч гривень.

Результати досліджень використовуються в навчальному процесі в рамках дисциплін “Теорія різання ” і “Різальний інструмент”, а також при виконанні дипломних проектів і магістерських робіт.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Матюха П.Г., Гринёв Ю.А. Исследование условий закрепления поворотной подкладки с режущей пластиной на державке универсально-сборного резца //Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонГТУ. – 2000. – Вып. 10. – С. 131-137.

2. Матюха П.Г., Гринёв Ю.А. Определение моментов сил трения между поворотной режущей частью и державкой универсально-сборного резца //Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. Голова редакційної ради Г.Л. Хаєт. – Краматорськ: ДДМА, 2000. – Вип. 10 – С. 162 - 166.

3. Матюха П.Г., Гринёв Ю.А., Скрынников В.С. Определение моментов сил трения в статике, возникающих при закреплении поворотной подкладки с керамической режущей пластиной на державке универсально-сборного резца //Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонГТУ, 2001. – Вып. 15. – С. 176 – 182.

4. Гринёв Ю.А. Анализ конструкций узла крепления поворотной режущей части на державке универсально-сборного резца //Труды Одесского политехнического университета: Научный и производственно-практический сборник по техническим и естественным наукам. – Одесса, 2001. – Вып. 5. – С. 104 – 107.

5. Матюха П.Г., Гринёв Ю.А. Определение геометрических и конструктивных параметров режущей части универсально-сборного резца //Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонГТУ, 2001. – Вып. 17 – С. 85 – 89.

6. Гринёв Ю.А., Матюха П.Г. Исследование изменения геометрических параметров универсально-сборных резцов с поворотной режущей частью //Вісник Сумського державного університету. Науковий журнал. Серія технічні науки (технологія машинобудування). – Суми : Видавництво СумДУ. – 2002. - №2 (35). – С. 36 – 40.

7. Матюха П.Г., Гринёв Ю.А., Скрінников В.С. Универсально-сборные резцы для гибких производственных систем //Резание и инструмент в технологических системах. Межд. Научно-техн. сборник – Харьков: НТУ “ХПИ”, 2002. – Вып. 61. – С. 136 – 140.

8. Гринёв Ю.А., Матюха П.Г. Исследование жесткости универсально-сборных резцов с поворотной режущей частью //Вісник Сумського державного університету. – Суми : Видавництво СумДУ. – 2003. - №2 (48). – С. 40 – 44.

9. Гринёв Ю.А., Матюха П.Г. Влияние угла поворота рабочей части универсально-сборных резцов на высоту неровностей обработанной поверхности //Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Машинобудування і машинознавство. – Донецьк: ДонНТУ, 2004. – Випуск 71. – С. 81 – 90.

10. Матюха П.Г., Гриньов Ю.О. Математична модель умов закріплення поворотної робочої частини на державці універсально-збірного різця у процесі обробки. //Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. – Краматорськ: ДДМА, 2005. – Вип. № 17. – С. 258 – 266.

11. Гринёв Ю.А. Определение геометрических параметров рабочей части универсально-сборных резцов с учетом смещения вершины в процессе установки различных углов в плане. //Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Машинобудування і машинознавство. /Редкол. Башков Є.О. (голова) та інш. – Донецьк: ДонНТУ, 2005. – Випуск 92. – С. 134 – 143.

12. Матюха П.Г., Гриньов Ю.О., Скринніков В.С. Особливості проектування токарних різців гнучких конструкцій. //Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Машинобудування і машинознавство. – Донецьк: ДонНТУ, 2006. – Випуск 110. – С. 59 – 63.

13. Гринёв Ю.А. Определение допустимых подач при обработке универсальными резцами с поворотной рабочей частью. //Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Машинобудування і машинознавство. – Донецьк: ДонНТУ, 2007. – Випуск 4 (124). – С. 75-80.

14. Патент №51167А України, МКІ 7 В23В27/16. Універсально-збірний інструмент /МатюхаП.Г., Гриньов Ю.О., Скринніков В.С., Брежний С.А. Опубл.15.11.2002. Бюл. №11.

15. Гринёв Ю.А. Влияние смещения вершины универсально-сборных резцов на геометрические параметры рабочей части при установке различных углов в плане /Тези доповідей Четвертої всеукраїнської науково-технічної конференції “Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї – наука – виробництво”. – Київ: НТУУ “КПІ”, 2004. – C 19 - 20.

[1] - розробка математичної моделі умов закріплення поворотної робочої частини на державці різця в процесі складання, розробка програми для розрахунку на ПЕОМ на основі запропонованої математичної моделі;

[2] - проведення експериментальних досліджень з визначення статичних моментів сил тертя між поворотною робочою частиною і державкою різця та порівняння отриманих результатів з розрахованими по запропонованим формулам;

[3] - розробка математичної моделі умов закріплення поворотної робочої частини, оснащеної мінералокерамічною пластиною, на державці різця, розробка програми розрахунку на ПЕОМ статичних моментів сил тертя, проведення спільно зі Скринніковим В.С. експериментальних досліджень по визначенню статичних моментів сил тертя між поворотною робочою частиною й державкою різця, порівняння розрахункових і експериментальних даних;

[5] - виведення формул для розрахунку статичних геометричних і конструктивних параметрів поворотної робочої частини, оснащеної квадратною багатогранною непереточуваною пластиною, у базовому положенні і з урахуванням повороту робочої частини відносно базового положення;

[6] - розробка програми розрахунку на ПЕОМ статичних геометричних і конструктивних параметрів робочої частини універсально-збірного різця при її повороті на державці відносно базового положення, визначення на основі розрахунку раціональних конструктивних параметрів державки різця й базового положення робочої частини;

[7] - розробка класифікації способів підвищення універсальності токарного інструмента і класифікації переналагоджуваних і регульованих універсально-збірних різців, розробка нових конструкцій універсально-збірних різців з поворотною робочою частиною й замінними різальними вставками, оснащених багатогранними непереточуваними пластинами;

[8] - розробка методики і стенда для проведення експериментальних досліджень статичної жорсткості універсально-збірних різців, проведення експериментальних досліджень, статистична обробка і аналіз отриманих результатів;

[9] - запропоновані формули і методика їх використання при розрахунку величини шорсткості обробленої поверхні, розроблена програма для розрахунку на ПЕОМ величини шорсткості обробленої поверхні при точінні різцями з різними конструктивними й геометричними параметрами, проведені розрахунок і аналіз отриманих результатів;

[10] - розроблена математична модель умов закріплення поворотної робочої частини на державці універсально-збірного