На правах рукописи

Шестакова Жанна Владимировна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ФРЕЗЕРОВАНИЯ

НА ОСНОВЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ

ЭКСПЛУАТАЦИИ ТОРЦОВЫХ ФРЕЗ

Специальность 05.03.01 – Технологии и оборудование

механической и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул - 2006 2

Работа выполнена в Рубцовском индустриальном институте (филиал) ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет имени И.И.

Ползунова»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Кутышкин Андрей Валентинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Марков Андрей Михайлович кандидат технических наук, старший научный сотрудник Осколков Александр Иванович

Ведущая организация ОАО «Рубцовский машиностроительный завод»

Защита состоится « 28 » декабря 2006 года в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета К 212.004.02 при ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова» по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова»

Автореферат разослан « 21 » ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета К 212.004.02, к.т.н., доцент С.Я. Куранаков

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В технологических процессах обработки металлов резанием удельный вес операций фрезерования составляет до 35 % от общего количества операций металлообработки, из которых доля операций торцового фрезерования составляет 25%. Данные цифры говорят о том, что операции фрезерования в значительной степени определяют затраты, связанные с изготовлением большой номенклатуры деталей. Недостаточный уровень надежности технологических процессов приводит к увеличению брака обрабатываемых деталей и повышению затрат на устранение отказов режущего инструмента и оборудования. Поэтому необходимо осуществлять прогноз уровня надежности на стадии проектирования технологических процессов, преимущественно без экспериментальных проверок, так как они чрезвычайно дороги и часто неосуществимы. Осуществление прогноза на базе экспериментов, при условии, что в проектируемом технологическом процессе предусмотрено использование специального оборудования, инструмента, потребует фактически внедрения этого процесса. Учитывая, что при запуске в производство нового изделия требуется разработка большого количества технологических процессов, то становится очевидным, что прогноз на базе экспериментов фактически неосуществим. Поэтому задача прогнозирования уровня надежности технологических процессов на стадии их проектирования расчетными методами является актуальной.

Технологические процессы металлообработки представляют собой сложные системы, состоящие из большого количества подсистем. Одной из основных подсистем, определяющих общую надежность технологических процессов, является подсистема режущего инструмента. Так, например, доля отказов, связанных с износом и поломкой режущего инструмента на операциях фрезерования, составляет 40%.

Анализ существующих методов оценки надежности показал, что в настоящее время оценка показателей надежности режущего инструмента осуществляется преимущественно методами параметрической теории надежности.

Несмотря на универсальность данных методов, они имеют ряд недостатков, среди которых наиболее существенным является необходимость проведения значительного количества испытаний для определения показателей надежности и дополнительного обоснования возможности применения полученных результатов для прогнозирования надежности эксплуатации аналогичного режущего инструмента. Одним из возможных направлений решения данной проблемы является моделирование процессов развития преимущественных отказов режущего инструмента системами массового обслуживания. Это позволит получать гарантированные «нижние оценки» надежности эксплуатации режущего инструмента и использовать их в качестве дополнительных критериев при оптимизации процесса торцового фрезерования. Вследствие этого получение количественных оценок надежности эксплуатации режущего инструмента является актуальной задачей, решение которой позволит повысить эффективность процесса торцового фрезерования и снизить затраты, связанные с технологическим обеспечением операции, как на этапе подготовки производства, так и при его сопровождении.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности процесса торцового фрезерования на основе прогнозирования и учета надежности эксплуатации режущего инструмента при подготовке и сопровождении производства.

Методы исследований. Для проведения теоретических исследований применялись методы теории резания, теории массового обслуживания, математической статистики, теории упругости, теории теплообмена, численные методы.

Научная новизна работы заключается в:

математических моделях оценки стойкости торцовых фрез по критериям адгезионного износа и усталостного разрушения режущих элементов;

закономерностях, характеризующих влияние на возникновение отказов торцовых фрез таких факторов, как неравномерность распределения напряжений в зоне контакта инструмента с заготовкой, а также изменение физикомеханических свойств инструментального и обрабатываемого материала;

разработанных вероятностных моделях прогнозирования преимущественных видов эксплуатационных отказов торцовых фрез, учитывающих статистические и расчетные данные о причинах их возникновения;

разработанной модели надежности эксплуатации торцовых фрез, учитывающей взаимосвязь возникновения преимущественных видов эксплуатационных отказов;

количественной оценке влияния на надежность режущего инструмента возможных колебаний основных технологических параметров и случайных факторов, характерных для процесса фрезерования.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в рекомендациях по:

определению оптимальных размеров партий заготовок, запускаемых в производство, обеспечивающих снижение времени на замену режущего инструмента и сокращению затрат на устранение его отказов;

разработке на стадии технологической подготовки производства научно обоснованных решений по выбору режущего инструмента с учетом надежности его эксплуатации и программы выпуска деталей;

использованию основных показателей надежности функционирования режущего инструмента в качестве дополнительных критериев при его выборе на этапе проектирования технологической операции фрезерования.

Реализация работы. На основании выполненных исследований создана методика оценки надежности режущего инструмента, применяемого на операциях торцового фрезерования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: V научно-технической конференции студентов и аспирантов в г.

Рубцовске (2003), VI научно-технической конференции студентов и аспирантов в г. Рубцовске (2004), IV всероссийской научно-практической конференции в г.

Новосибирске (2006), научно-технических семинарах кафедры «Технология машиностроения» РИИ АлтГТУ им. И.И. Ползунова (2004-2006).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, общих выводов, списка литературы из 114 наименований. Диссертация содержит страницы машинописного текста, 38 рисунков, 18 таблиц и 2 приложения. Общий объем 178 стр.

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, дается общая характеристика работы, приводится научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен литературный обзор теоретических и экспериментальных исследований по теме диссертации. Определены цель и задачи работы.

На основании проведенного анализа работ отечественных и зарубежных ученых Бердникова Л.Н., Бетанели А.И., Боброва В.Ф., Васильева С.В., Грановского Г.И., Зорева Н.Н., Кабалдина Ю.Г., Кибальченко А.В, Лоладзе Т.Н., Макарова А.Д., Остафьева В.А., Палей С.Н., Подураева В.Н., Полетики М.Ф., Резникова А.Н., Розенберга А.М., Трощенко В.Т., Хаета Л.Г., посвященных исследованию влияния физических процессов, протекающих в ходе эксплуатации режущего инструмента, на его работоспособность; исследованию нагрузок и температур на контактных поверхностях режущего инструмента, оценке напряженно-деформированного состояния режущей части инструмента, были установлены преимущественные виды и критерии отказов торцовых фрез, возникновение которых возможно в процессе их эксплуатации (таблица 1).

Таблица 1. Преимущественные виды отказов инструмента, применяемого на операциях торцового фрезерования № п/п Преимущественные виды отказов тор- Критерий отказа Износ по передней поверхности Усталостное разрушение режущей части Литературный анализ показал, что наиболее широкое распространение в настоящее время среди расчетных методов оценки надежности, применяемых на стадии технологической подготовки производства, получили методы параметрической теории надежности. На применении данных методов основаны работы Башкова В.М., Бойчева А.И., Борисова С.П., Вильсона А.Л., Кацева П.Г, Нодельмана М.О., Палей С.М., Ползиковой Т.В., Сгибнева А.В., Хаета Г.Л.

Данный подход в целом не позволяет учитывать физическую сущность процессов изнашивания и разрушения режущего инструмента, а также влияние на показатели надежности физико-механических, геометрических параметров и режимов резания.

В последнее время для оценки надежности технологических систем применяется математический аппарат теории массового обслуживания, основные положения которой разработаны Вентцель Е.С., Гнеденко Б.В., Клейнрок Л., Коваленко И.Н., Колмогоровым А.Н., Овчинниковым Л.А., Саати Т.Л., Хинчиным А.Я.

Эффективность применения теории массового обслуживания для решения различных задач прогнозирования надежности технологических систем подтверждается их использованием Пронниковым А.С., Кубаревым А.И., Степанским Л.Г., Кутышкиным А.В.

Проведенный анализ литературы позволяет сделать следующие выводы:

разработка и совершенствование методик для оценки надежности эксплуатации режущего инструмента является актуальной проблемой, решение которой позволит повысить эффективность технологических процессов металлообработки за счет принятия научно обоснованных решений по выбору материала режущей части инструмента, режимов его эксплуатации, определения оптимальных объемов партий обрабатываемых заготовок;

имеющиеся в настоящее время модели прогнозирования надежности режущего инструмента не позволяют оценивать влияние на надежность режимов резания, физико-механических свойств обрабатываемого и инструментального материала;

существующие модели прогнозирования стойкости не учитывают одновременного воздействия различных механизмов изнашивания и разрушения режущего инструмента при его эксплуатации.

В соответствии с этим в работе были поставлены следующие задачи исследования:

разработка математических моделей, позволяющих оценивать средние значения стойкости торцовых фрез до возникновения преимущественных видов их эксплуатационных отказов, таких как адгезионный износ по задней и передней поверхности, усталостное разрушение режущей части;

оценка влияния на стойкость торцовых фрез колебаний физикомеханических свойств инструментального материала и материала обрабатываемой заготовки, режимов эксплуатации режущего инструмента;

разработка обобщенных вероятностных моделей возникновения преимущественных видов эксплуатационных отказов торцовых фрез с учетом имеющихся расчетных и статистических данных о причинах возникновения отказов;

оценка влияния колебаний среднего числа заготовок, обработка которых возможна до возникновения преимущественных видов отказов, на надежность инструмента;

разработка программного обеспечения, позволяющего прогнозировать вероятность возникновения преимущественных видов отказов режущего инструмента и вероятность безотказной работы с учетом отсутствия рассматриваемых видов отказов.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей, позволяющих оценить стойкость торцовых фрез по рассматриваемым преимущественным видам отказов. С учетом ряда допущений и особенностей процесса торцового фрезерования были получены выражения, позволяющие оценить количество деталей, обработка которых возможна до возникновения следующих видов отказа:

предельно допустимого износа по задней поверхности режущего инструмента:

предельно допустимого износа передней поверхности режущего инструмента:

3. Произведена оценка влияния колебаний прочностных свойств инструментального и обрабатываемого материалов, скорости резания, на расчетные значения стойкости режущего инструмента с помощью коэффициентов вариации, показавшая, что наибольшее значение коэффициенты вариации имеют при расчете стойкости, обусловленной адгезионным износом передней поверхности.

4. Разработана модель для оценки вероятности безотказной работы режущих элементов торцовых фрез методами теории массового обслуживания, имитирующая процессы возникновения преимущественных видов отказов.

5. Экспериментально доказана возможность моделирования взаимосвязанных процессов возникновения преимущественных видов отказов торцовых фрез функционированием многоканальной системы массового обслуживания с двумя состояниями.

6. Оценены колебания расчетных значений величин вероятности безотказной работы в зависимости от возможных колебаний среднего числа заготовок, обработка которых возможна до возникновения преимущественных видов отказов. Наиболее существенное влияние на колебание расчетных значений вероятности безотказной работы оказывают колебания среднего числа заготовок, обработка которых возможна до возникновения отказа по критерию адгезионного износа передней поверхности.

7. Созданное на базе разработанной методики программное обеспечение позволяет прогнозировать вероятности возникновения преимущественных видов отказов режущего инструмента и вероятность безотказной работы режущего инструмента с учетом отсутствия рассматриваемых отказов.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Шестакова Ж.В. Разработка программного обеспечения для расчета температур на контактных поверхностях режущего инструмента в условиях торцового фрезерования/ Ж.В. Шестакова // V научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов/ Рубцовский индустриальный институт. – Рубцовск, 2003. - С. 41-47.

2. Шестакова Ж.В. Оценка стойкости зуба торцовой фрезы по критерию предельно допустимого износа передней поверхности/ Ж.В. Шестакова // VI научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов/ Рубцовский индустриальный институт. – Рубцовск, 2004. - С. 40-44.

3. Шестакова Ж.В. Оценка стойкости зуба торцовой фрезы по критерию предельно допустимого износа задней поверхности/ Ж.В. Шестакова // Новые материалы и технологии - НМТ-2004. Тезисы докладов всероссийской научнотехнической конференции. Москва, 17-19 ноября 2004 г. В 3 томах. Т 2. - М.:

Издательско-типографский центр -РГТУ им. К.Э. Циолковского.С.40-41.

4. Шестакова Ж.В. Прогнозирование адгезионного износа торцовых фрез/ Ж.В. Шестакова, А.В. Шашок // Вестник Оренбургского государственного университета.- 2004.- №10. - С.149-152.

5. Шестакова Ж.В. Оценка стойкости торцовой фрезы по критерию усталостного разрушения/ Ж.В. Шестакова // Известия вузов. Машиностроение.С.51-60.

6. Шестакова Ж.В. Моделирование основных видов износа торцовых фрез/ Ж.В. Шестакова // Фундаментальные и прикладные исследования по приоритетным направлениям развития науки и техники. Ч.2/ Современные технологические системы в машиностроении: сборник тезисов докладов международной школы – конференции по приоритетным направлениям развития науки и техники с участием молодых ученых, аспирантов и студентов/ Алт. гос. техн.

ун-т им. И.И. Ползунова. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ.- 2005. – С.42-45.

7. Шестакова Ж.В. Оценка влияния процессов усталостного разрушения на стойкость торцовых фрез/ Ж.В. Шестакова, А.В. Кутышкин // Вестник АНЦ САН ВШ.- 2005.- №8. - С.186-195.

Отпечатано в РИО Рубцовского индустриального института