На правах рукописи

Белов Павел Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОБРАБОТКИ ЗА СЧЁТ УЛУЧШЕНИЯ

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РЕЗЦОВ

Специальность 05.02.07 – Технология и оборудование

механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2011

Работа выполнена на кафедре технологии машиностроения металлорежущих станков и инструментов инженерного факультета Российского университета дружбы народов.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Рогов В. А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Расторгуев. Г. А.

кандидат технических наук, с.н.с Пекарский Э. М.

Ведущее предприятие: ОАО ВНИИ «Инструмент»

Защита состоится «14» февраля 2012 г. в «15.00» часов на заседании диссертационного совета Д 212.203.16 при Российском университете дружбы народов по адресу: 113090, Москва, Подольское шоссе, дом 8/5, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу: 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.6.

Автореферат разослан «» декабря 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Соловьев В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из актуальных задач, стоящих перед исследователями, является повышение качества обрабатываемой поверхности за счет снижения вибраций, возникающих в процессе резания.

Появляющиеся вибрации особенно опасны на финишных операциях при работе на особо высокоточных станках, при получении нанометрической шероховатости обработки (менее 100 нм). Используя на этих станках стандартный инструмент нельзя добиться требуемого результата, так как инструмент, являясь конечной точкой контакта системы станок-инструмент-деталь и имея нанометрическую точность, должен не только поглощать колебания, передаваемые от станка, но и иметь минимальные температурные удлинения при работе.

Производство такого инструмента нельзя представить без использования современных конструкционных материалов и прогрессивных технологий.

Как показал обзор научно-технической литературы, наименее изучены вопросы, связанные со статическими и динамическими исследованиями, а также конструктивными и технологическими особенностями державок режущего инструмента, работающего с большими вылетами. Это затрудняет практическое использование данных, полученных при многочисленных практических и теоретических исследованиях, по применению композиционных материалов для изготовлении инструмента. Поэтому экспериментально-аналитические исследования, выполненные в работе, связаны с совершенствованием конструкции режущих инструментов, а именно снижением вибраций в них, которые существенно влияют на процесс резания при работе расточными резцами с большой длиной вылета за счет использования в державках различных вставок из композиционного материала.

Цель работы. Повышение качества обрабатываемой поверхности (снижение шероховатости) при тонком точении за счет улучшения конструктивнотехнологических параметров расточных резцов.

Для достижения поставленной цели, были решены следующие задачи:

- разработаны конструкции демпфирующих вставок из высоконаполненного композиционного материала в державку расточного токарного резца;

- разработана компьютерная модель для исследования напряженнодеформированного состояния в модифицированной державке резца в зависимости от формы демпфирующих вставок из высоконаполненного композиционного материала и сравнения полученных данных с реальными экспериментами;

- разработаны методики и стенды для исследования статических и динамических характеристик расточных токарных резцов с модифицированными державками;

- определены жесткостнодемпфирующие характеристики модифицированных державок расточных токарных резцов;

- проведены экспериментальные исследования по тонкому точению для определения воздействия динaмичecкиx xaрaктeриcтик модифицированных державoк рaзличных кoнструкций расточных резцoв на качество получаемой поверхности;

- разработана математическая модель механической обработки заготовок резцами с модифицированными державками;

- разработана методика и стенд для исследования изменения виброакустического сигнала в зависимости от вида вставок из композиционного материала в модифицированные державки резцов;

- сформулированы рекомендации по выбору конструкции демпфирующих вставок.

Методы исследования. Диссертация основана на известных экспериментальных работах и теориях в области теории колебаний, процессов резания, динамики станков и вибpoакустичecкoй (ВА) диaгнocтики мexaнизмoв. При проведении и обработке экспериментов использовались методы однофакторного и многофакторного планирования, метод конечных элементов. В работе c помощью современного программного обеспечения (APM Structure3D, SolidWorks, КОМПАС-3D V11) и cpeдcтв вычиcлитeльнoй тexники проводилось компьютерное моделирование. Эксперименты производились в лaбoрaтoриях c иcпoльзoвaниeм сoврeмeнныx измeритeльныx средств и пpoмышлeннoгo oбoрудoвaния. Результаты экспериментов обрабатывались с использованием новейших цифровых и компьютерных технологий.

Научная новизна. Разработаны экспериментальные модели модифицированных державок расточных токарных резцов со вставками из композиционного материала различных форм, обладающие высокими демпфирующими свойствами.

Разработаны методики статического, динамического и компьютерного исследования демпфирующих свойств резцов с модифицированными державками.

Созданы компьютерные модели расточных токарных резцов с модифицированными державками.

Выявлена зависимость между демпфирующими свойствами модифицированных державок, режимами резания при тонком растачивании, амплитудночастотными характеристиками ВА сигнала и качеством получаемой поверхности.

Практическая ценность. Сформулированы практические рекомендации по выбору конструкции демпфирующих вставок.

Разработана математическая модель механической обработки заготовок резцами с модифицированными державками.

Разработаны конструкции демпфирующих вставок из высоконаполненного композиционного материала в державку расточного токарного резца.

Выявлены зависимости изменения ВА сигнала от формы демпфирующих вставок в модифицированной державке резца и вида обрабатываемого материала, которые позволяют судить о качестве получаемой поверхности.

Результаты, полученные в работе, показывают значительное улучшение качества (шероховатости) поверхностного слоя деталей обрабатываемых с применением резцов имеющих модифицированные державки с демпфирующими вставками в из высоконаполненного композиционного материала.

Апробация. Основные результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, доложены на следующих конференциях:

6-ой международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении». Пенза; 2010 г.;

3-ей всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». М.; 2010 г.;

14-ой международной научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении». Пенза; 2010 г.;

международной научно-практической конференции «Инженерные системы – 2010». М.; 2010 г.;

международной научно-практической конференции «Инженерные системы - 2011». М.; 2011 г.;

международной научно-практической конференции «Техника и технологии: пути инновационного развития». Курск; 2011 г.;

международной молодежной научной конференции «XIX Туполевские чтения». Казань; 2011 г;

научно-технических конференциях инженерного факультета Российского университета дружбы народов.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 работах, в том числе 4 работы опубликованы в изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК.

Личное участие автора в работах, опубликованных в соавторстве:

В работе [1] предложены конструкции модифицированных державок расточных токарных резцов. Созданы их компьютерные модели, и проведены компьютерные исследования по определению прогибов режущей кромки резца, первой резонансной частоты и амплитуды виброперемещения вершины режущей пластины.

В работе [2] предложена методика проведения статического эксперимента.

Разработан специализированный стенд для серии данных экспериментов.

В работе [3] проведено сопоставление результатов, полученных при статическом эксперименте и компьютерном моделировании.

В работе [4] разработан специализированный стенд и методика определения собственных частот расточных резцов. Проведены серии экспериментов по определению первой резонансной собственной частоты.

В работе [5] рассмотрена возможность обработки компьютерных моделей резцов с помощью модуля конечно-элементного анализа.

В работе [6] определено влияние демпфирующих вставок на конструктивно – технологические характеристики резца при приложении к нему статических, вибрационых и динамических нагрузок.

В работе [7] описано создание экспериментальных образцов расточных токарных резцов с модифицированными державками. Проведено исследование по определению величины прогиба режущей кромки резца при статическом нагружении. Определен логарифмический декремент колебаний.

В работе [8] проведены вибрационные исследования. Разработан стенд, основанный на методе передачи колебания через основание. Определены амплитуды относительных колебаний режущей кромки резца и резцедержателя.

В работе [10] разработан специализированный стенд и методика виброакустического исследования. Получены спектры виброускорений при обработке стальных и чугунных заготовок.

Структура диссертации. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, список использованных библиографических источников (131 наименование) и приложение. Общий объем текста диссертации 182 страницы, в него включены 106 рисунков и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении oбocнoвaнa aктуальнocтьатемыадиcceртации, cфopмулиpoваны ocнoвныeацeлиаиccлeдoвaния, дается общая характеристика и структурная схема работы.

В первой главе приводится анализ литературных источников, посвященных исследованиям в области тонкого точения и модификации державок токарных резцов. Рассмотрены характеристики современных композиционных материалов, применяемых для производства инструмента. Значимый вклад в становление данного научного направления внесли В.А. Рогов, Г.Г. Позняк, В.А.

Гречишников, С.А. Васин, Л.А Васин, Н.Н Бородкин,В.Б. Мездрогин, В.Н. Подураев и другие ученые.

На основании анализа литературных данных в заключительном разделе были сформулированы следующие выводы:

1. Вопросы исследования связи динамических явлений, происходящих в процессе резания и его выходных характеристик, таких как точность обработки, производительность и шероховатость поверхностного слоя обработанной детали остаются актуальными. В условиях современной металлообработки с повышением подач и скоростей резания, появлением прогрессивных инструментальных материалов и повышением требований к качеству продукции, значимость данных вопросов возрастает.

2. Современное машиностроительное производство, оснащенное высокопроизводительным станочным оборудованием с мехатронными системами, нуждается в надежном режущем инструменте, обладающем инновационными конструкциями.

3. Существует возможность значительно повысить износостойкость и качество обработки режущим инструментом за счет улучшения конструктивнотехнологических параметров державок режущего инструмента.

4. В настоящее время проведенными практическими и теоретическими исследованиями подтверждена возможность использования композиционных материалов при изготовлении элементов инструмента и оснастки.

5. В литературных источниках недостаточно внимания уделено статическим и динамическим исследованиям инструмента с комбинированными державками, работающими при больших вылетах.

Вторая глава диссертации посвящена компьютерному исследованию по выбору рациональной конструкции виброгасящих вставок в модифицированную державку расточного токарного резца марки S32X-MCLNL 12-Bh 12 с ромбическими пластинами и материалом державки сталь 40Х. Для этого были предложены формы сечения модифицированных державок токарных резцов с виброгасящими вставками (рис. 1).

Рис. 1. Формы сечения модифицированных державок.

Качественные и количественные характеристики державок предложенных конструкций, представленных на рис. 1, очень разнообразны. Для определения физико-механических характеристик модифицированных державок сборного расточного токарного резца и выявления наиболее рациональной конструкции виброгасящих вставок из синтеграна в его державке была создана объемная 3D модель. Произведен компьютерный анализ на основе метода конечных элементов в модуле конечно-элементного анализа APM Structure 3D, входящей в состав системы APM WinMachine. Температурные и силовые нагрузки, действующие на компьютерную модель, принимались равными реальным действующим при обработки заготовок тонким точением. Результирующая сила резания составляла 52Н (40.5Н по оси ОZ, 24.5Н по оси ОY и 21.4Н по оси ОX), прижимающая сила каждого болта резцедержателя на резец - 5592Н, температура резания 400°С.

Компьютерный анализ включал в себя определение величины перемещения режущей кромки резца при статическом и тепловом нагружениях, вычисление первой резонансной частоты собственных колебаний и амплитуд вынужденных колебаний режущей кромки резца при нескольких величинах вылетов от 40 до 120мм.

Установлено, что цельнометаллические державки расточного токарного резца отличаются от модифицированных большей стабильностью при статическом нагружении с увеличением вылета. Причина - сечения модифицированных державок ослаблены прорезями и отверстиями. Однако с увеличением объемной доли композита в составе державки расширение при нагреве снижается до 10%. Изменение первой резонансной частоты собственных колебаний обусловлено не только размерами вставок из композита, но и их формой.

Пришели к выводу, что оптимальное использование композиционного материала может быть в сочетании с металлическим каркасом тогда, когда наиболее напряженные участки конструкции державки резца выполняются из металла, а полости заполняются композиционным материалом.

В третьей главе было проведено статическое исследование расточных токарных резцов с модифицированными державками.

Для проведения исследований изготовили экспериментальные образцы расточных токарных резцов с модифицированными державками. Для изготовления эксперементальных образцов использовались десять цельнометаллических державок расточных токарных резцов. В этих державках сверлением и фрезерованием были получены канавки и отверстия на 75% длины резца согласно рис. 1. Образовавшиеся свободные полости были заполнены высоконаполненным композиционным материалом с высокими демпфирующими свойствами – синтеграном, в виде смеси из гранитной крошки трех размерных фракций 3-1,5мм, 1,5-0,5мм и менее 0,5мм (рис 4) и композита.

навками и отверстиями. Рис. 4. Гранитная крошка фракции: а) Для определения статических характеристик исследуемых резцов, был разработан стенд (рис 5), состоящий из:

- приспособления для закрепления и ориентации резца;

- системы нагружения режущей кромки резца силой, имитирующей силу при резании;

- измерительного комплекса аппаратуры.

Принципиальная схема стенда для исследования статических характеристик сборных расточных резцов показана на рис. 5.

Рис. 5. Схема стенда для проведения статических исследований.:

1 - резцедержатель, 2 – нагружающее устройство, 3 – динамометр, 3 – измерительное устройство Изучение картины перемещения режущей кромки расточного токарного резца позволило построить зависимости «нагрузка-прогиб» для каждого резца при трех величинах вылетов (40, 80, 120мм) в форме петель гистерезиса.

По полученным графическим зависимостям в виде петель гистерезиса определили демпфирующие способности расточных токарных резцов, главным показателем которых, является логарифмический декремент колебаний где - коэффициент диссипации энергии - количественный показатель демпфирования. Коэффициент диссипации энергии, определяемый как отношение площади между кривыми нагружения и разгрузки при статических исследованиях к площади между кривой нагружения и осью абсцисс.

Полученные расчетные данные были сведены в графические зависимости логарифмического декремента колебаний от вылета и вида сечения державки (рис. 6).

Рис. 6. Графические зависимости логарифмического декремента колебаний от вылета и вида сечения державки.

Для проверки экспериментальных данных были проведены исследования аналогичной компьютерной модели, с идентичными условиями нагружения, в программном модуле Cosmos Works. В результате последовательного нагружения модели были получены графики, на которых отразилась зависимость величины перемещения режущей кромки токарного резца от величины нагружения и вида сечения державки.

Результаты, полученные методом статического эксперимента и с использованием программного модуля Cosmos Works, обрабатывались в программе Excel, в которой данные приводились к одинаковым размерностям и сравнивались.

Установлено, что экспериментальная модель, исследованная при помощью стендов, ведёт себя идентично компьютерной, исследуемой в программном модуле Cosmos Works (расхождение полученных результатов менее 10%). Из результатов проведенных исследований следует вывод, что компьютерная модель адекватна и может применяться для определения величины прогиба режущей кромки токарного резца.

В зависимости от формы вставок изменяется величина перемещений и расхождение кривых деформации вершины резца при нагружении и разгрузке. Это объясняется разностью сочетаний объемных долей металла и синтеграна в державке и площадью их соприкосновения, а также моментом инерции металлического каркаса державки.

С уменьшением вылета резца уменьшается прогиб и расстояние между кривыми деформации вершины резца при нагружении и разгрузке. Эта зависимость возникает не только от того, что уменьшается расстояние от нагружаемой точки до места жесткого закрепления резца, но и от того, что на самом конце резца синтеграновые вставки отсутствуют и в гашении колебаний не учувствуют.

Уменьшение амплитуды колебательного процесса, то есть демпфирующая способность державок резцов, непосредственно зависит от величины прогиба конструкции, которая объясняется различным объемом сочетаемых материалов и их формами в модифицированной державке, а также демпфирующими способностями материала вставок.

Наибольшие демпфирующие способности проявляются у резцов с сечениями державки 1,2,4,5,8 и 9 (см. рис. 1) при вылете 80мм. Это объясняется тем, что синтеграновые вставки в резце находятся уже в вывешенной части, а влияние их на несущую способность конструкции еще не столь велико. С увеличением вылета до предельно возможного, а именно до 120мм, демпфирующие способности модифицированных державок падают.

Четвертая глава посвящена динамическим исследованиям расточных токарных резцов.

Были проведены исследования по определению значения собственных частот колебаний расточных токарных резцов, величины увеличения амплитуды колебаний режущей кромки инструмента относительно резцедержателя при этих частотах, модального демпфирования и модальной податливости державок.

Для определения значения собственных частот колебаний расточных токарных резцов был разработан стенд (рис. 7).

Рис. 7. Схема стенда по определению собственных частот токарных резцов.

Вылеты державок резцов дискретно варьировались: 80; 100; и 120мм. На рабочую часть резца с нижней стороны с помощью специального клея наклеивался пьезоэлектрический акселерометр KD-35 Для возбуждения свободных затухающих колебаний по концу резца наносились легкие удары резиновым молоточком. Эти колебания фиксировались датчиком KD 35 и передавались через многофункциональный анализатор спектра A17-U8 на персональный компьютер для визуализации результатов.

На основании полученных значений первых резонансных частот была построена гистограмма зависимости величины первой резонансной частоты расточных токарных резцов от вылета и сечения державок (рис. 8).

Рис. 8. Гистограмма зависимости величины первой резонансной частоты Рис. 9. Стенд по определению собственных частот и амплитуд относительных колебаний токарных резцов: а) общий вид, б) схема.

Для определения значения величины увеличения амплитуды колебаний режущей кромки токарного резца относительно резцедержателя при собственных частотах был разработан стенд (рис. 9). Резцы закреплялись в резцедержателе с вылетами 80, 100 и 120мм поочередно. Резцедержатель устанавливался на подвижный столик электродинамического вибратора. Возбудителем колебаний нужной частоты, а именно собственной первой резонансной, служил генератор звукового типа ГЗ-117, оборудованный цифровым частотомером.

Амплитуда определялась методом относительных колебаний при помощью пары пьезоэлектрических акселерометров, закрепленных на не зажатом конце резца в близи режущей кромки, и на резцедержателе возле места крепления резца. Сигналы с пьезоэлектрических акселерометров передавались через многофункциональный анализатор спектра A17-U8 на персональный компьютер для визуализации результатов.

На основании полученных значений величины увеличения амплитуды колебаний режущей кромки токарного резца относительно резцедержателя при собственных частотах была построена гистограмма зависимости относительной амплитуды колебаний от вылета и сечения державки (рис. 10).

Рис. 10. Гистограмма зависимости относительной амплитуды колебания Установлено, что с увеличением вылета с 80 до 120мм независимо от геометрических и объемных составляющих вставок державки собственная частота резца уменьшается в 2,3 раза, а амплитуда колебаний конца режущего инструмента относительно резцедержателя возрастает на 40%. Это объясняется тем, что незакрепленная часть резца увеличивается. В первом случае это происходит потому, что с увеличением размеров тела его собственная частота падает, во втором же, в связи с отдалением движущегося конца резца от не подвижного, расстояние между ними возрастает, а значит увеличивается и длина траектории колебания одной части относительно другой.

С использованием модифицированных державок со вставками из композиционного материала собственная частота и амплитуда колебаний режущей кромки резца относительно резцедержателя уменьшается. Это происходит в связи с различными значениями модуля упругости и плотности металла и синтеграна, а именно эти значения у синтеграна в несколько раз ниже, чем у стали 40Х, а значит синтегран обладает лучшими демпфирующими свойствами.

Изменение первой резонансной частоты собственных колебаний, а именно снижение ее значения до 27%, дает возможность исключить появления резонансных вибрации при использовании более выгодных режимом резания совпадающих по своей частоте с первой резонансной частотой резца. Снижение же амплитуды колебаний режущей кромки токарного резца относительно резцедержателя позволяет полностью исключить вибрационные коридоры при задаче режимов резания.

Наибольшее уменьшение первой резонансной собственной частоты колебаний и амплитуды колебаний конца режущего инструмента относительно резцедержателя происходит у резцов под номерами 1,3,7 и 8 (см. рис. 1).

Для определения значения модального демпфирования и модальной податливости был разработан стенд (рис. 11).

Рис. 11. Схема стенда для определения модальных коэффициентов.

При проведении эксперимента резец закреплялся в резцедержателе с вылетом 120 мм. На державку резца устанавливалась регистрирующая аппаратура – два пьезоэлектрических акселерометров кд35. Аналоговый сигнал, передаваемый ими, поступал через предусилители и усилители на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Возбудителем сигнала служил динамометрический молоток. Посредством молотка по вывешенному концу резца наносились равномерные по силе удары с постоянной периодичностью. При ударах в динамометрическом молотке также вырабатывался аналоговый сигнал, который передавался через усилитель на АЦП. Все сигналы, поступаемые на АЦП, преобразовывались из аналогового вида в цифровой и передавались на персональный компьютер для последующей обработки и визуализации.

В результате проведенного эксперимента были получены амплитудночастотные характеристики пяти расточных токарных резцов под №1,3,7,8 и 0 (см.

рис. 12), присвоенными согласно рис. 1. Вылет при закреплении резца в резцедержатель составлял 120мм.

Рис. 12. Амплитудно-частотные характеристики расточных токарных резцов при ударениях о них динамометрическим молотком.

Полученные амплитудночастотные характеристики каждого резца в отдельности подвергались точечно-линейному сканированию для внесения в программный комплекс IMS-1. Полученная компьютерная модель аппроксимировалась с экспериментальной амплитудно-частотной характеристикой за счет подбора модальных параметров. В результате были получены модальные коэффициенты демпфирования и податливости для двух первых собственных резонансных частот (табл. 1).

Все резцы с модифицированными державками отличаются более высокими значениями модального коэффициента демпфирования, что объясняется наличием в державках вставок из высоконаполненного композиционного материала, обладающего высокими демпфирующими способностями.

Модальная податливость державок, как и модальный коэффициент демпфирования, непосредственно зависят от формы синтеграновых вставок. Первая зависит от жесткости металлического каркаса, оставшегося после проделывания канавок и отверстий для заполнения композиционного материала. Вторая же - от величины этих вставок.

Сходство полученных значений резонансных частот при проведении этой серии экспериментов с другими, поведенными ранее, доказывает адекватность этих экспериментов.

Наилучшее сочетание значений модальной податливости и модального демпфирования показал резец с державкой под № 3 на частоте сходной с его первой резонансной частотой. Модальная податливость этого резца на 14% меньше податливости стандартного цельнометаллического резца такой же конструкции, а модальный коэффициент демпфирования в 2,5 раза больше.

В пятой главе проведено исследование влияния конструкции демпфирующих вставок в державке резца на качество обработанной поверхности.

Эксперимент, проведенный на станке 16К20ВФ1 стандартным резцом и его модификациями при постоянных значениях скорости резания V = 455м/мин, глубине резания t = 0,15мм, подаче S = 0,06мм/об и вылете L = 120мм, дал возможность определить значения параметра шероховатости (рис.

13) обрабатываемой поверхности Rа для всех испытуемых резцов и выбрать наилучшие конструкции демпфирующих вставок в модифицированной державке расточного токарного резца для проведения следующей серии однофакторных экспериментов.

Рис. 13. Гистограмма зависимости шероховатости от вида сечения державки.

На основании проведенных однофакторных экспериментов по резанию был отобран резец обладающей наилучшей конструкцией модифицированной державки под №3 и для него проделаны полнофакторные эксперименты 24. В результате данных полученных при проведении полнофакторных экспериментов 24 были сформулированы математические модели для стандартного резца и для резца с комбинированной державкой под № Установлено, что использование в державке резца демпфирующих вставок улучшает шероховатость поверхности на 30%. При этом резцы, обладающие меньшей жесткостью державки при больших нагрузках (увеличении глубины резания, подачи или скорости), имеют более худшие значения шероховатости обрабатываемой поверхности, а при меньших нагрузках наоборот. Улучшение значения шероховатости у этих резцов при меньших нагрузках обуславливается большим объемом демпфирующей вставки, которая обладает меньшей несущей способностью, но в несколько раз лучше поглощает колебания.

Также в данной главе проведено исследование виброакустического сигнала, получаемого при работе резцами с модифицированными державками. Для проведения виброакустического исследования был разработан стенд (рис. 14).

Эксперимент производили на станке 16К20ВФ1 резцом для чистовой обработки со стандартной державкой и ее модификациями под номерами 1,3,7,8 с вылетом 120мм (n = 1000мин-1, t = 0,15мм, S = 0,06мм/об). При проведении эксперимента обрабатывались заготовки из стали 45, внутренний диаметр 145мм и чугуна СЧ 40, внутренний диаметр 42мм твердость HВ 131. В стальной заготовке предварительно в радиальном направлении были выфрезерованы три канавки, расположенные равномерно по окружности.

Выбор таких заготовок был не случайным. Канавки прерывали сливную стружку и освобождали вершину резца от ее стабилизирующего влияния. Суть метода основывается на анизотропии жесткости вершины резца и присутствии координатной связи. Последняя проявляется в том, что, например, под действием тангенциальной силы вершина резца смещается не только в тангенциальном направлении, но и в других перпендикулярных направлениях. Это явление имеет отношение не только к статической, но и к динамической жесткости, проявление которой при резании наблюдаются в виде пространственных вибраций.

Чем больше податливость и влияние координатной связи и чем меньше демпфирование, тем больший объем занимают пространственные вибрации вершины инструмента.

Ситуация в значительной степени зависит от характера снимаемой стружки. При сливной стружке режущая кромка резца находится в состоянии всестороннего сжатия, допускающего ее свободное смещение только в тангенциальном направлении. Такая стружка препятствует проявлению координатной связи, стабилизируя положение режущей кромки, позволяя получать более высокую чистоту поверхности. Стабилизирующее влияние сыпучей стружки существенно ниже, поскольку влияние координатной связи гораздо заметнее.

Наличие шпоночного паза при резании освобождает энергию, накопленную в упругой системе к моменту выхода в шпоночный паз и прекращения стабилизирующего действия стружки. Освобожденная на время режущая кромка токарного резца совершает колебательные движения, отображающие совершенство самой конструкции инструмента. Эти причины и послужили основанием для использования в эксперименте двух заготовок из чугуна и стали, и прорезке в стальной заготовке трех шпоночных пазов по окружности.

После получения виброакустического сигнала для испытуемого резца станок останавливали и производили измерение шероховатости обрабатываемой поверхности детали.

В результате проведенного эксперимента были получены спектры виброакустического сигнала и значения шероховатости поверхности, показанные на рис. 15 – 16.

Рис. 15. Спектр виброускорений, получаемый при обработке заготовки с датчика расположенного в вертикальной плоскости для резцов под № 1,3,7,8 и 0 соответственно: 1) стальной, 2) чугунной.

шероховатость Ra, мкм Рис. 16. Гистограмма зависимости шероховатости обрабатываемой поверхности от вида сечения державки при обработке: а) стальной заготовки с тремя канавками, б) чугунной.

Установлено, что при внедрении в державку резца вставок из высоконаполненного композиционного материала - синтеграна амплитуда ускорения уменьшается и сигнал становиться более однородным. Это объясняется способностью синтеграна в несколько раз лучше демпфировать колебания, по сравнению с металлом. В некоторых случаях амплитуда не уменьшается, эта закономерность свидетельствует о том, что синтеграновые вставки ослабляют жесткость несущего каркаса державки.

Значения амплитуд ускорений выше при обработке чугунной заготовки по сравнения со стальной с тремя канавками. Причиной этому являются колебания силы резания, происходящие значительно чаще - при отлетании каждой сегментной стружки от чугунной заготовки, чем при резании стальной заготовки с тремя канавками - всего три раза, а значит и амплитуды виброакустического сигнала будут выше.

Качество обрабатываемых поверхностей деталей, имеющих сегментную стружку при обработке или канавки в направлении перпендикулярном направлению резания, значительно лучше для резцов под номерами 3 и 7, и практически не ухудшается по сравнения с качеством идентичной детали, обладающей при резании сливной стружкой и не имеющей канавок.

В результате выполненной работы решена задача имеющая существенное значение для машиностроения и состоящая в повышении качества обрабатываемой поверхности (снижение шероховатости) при тонком точении за счет улучшения конструктивно-технологических параметров расточных резцов.

1. Разработаны модели расточных токарных резцов с повышенными демпфирующими свойствами и установлены рациональные сочетания вставок из высоконаполненного композиционного материала в металлический каркас державки, что позволило повысить качество (снизить шероховатость) обработанной поверхности до 30%, и улучшить несущую способность обрабатываемой поверхности.

2. Разработаны методики статического, динамического и виброакустического исследований, позволяющие выбрать рациональные конструкции виброгасящих вставок из высоконаполненного композиционного материала в державку резца и дающие возможность использования данных резцов в конкретных условиях производства.

3. Разработана математическая модель механической обработки заготовки резцом с модифицированной державкой, позволяющая прогнозировать получаемые значения шероховатости для конкретных режимов резания.

4. Определены статические и динамические характеристики модифицированных державок, которые можно использовать для практического применения при расчетах демпфирующих способностей.

5. Наилучшими жесткостнодемпфирующими характеристиками из рассмотренных сечений обладает расточной токарный резец с модифицированной державкой под №3 на частоте сходной с его первой резонансной частотой. Модальная податливость этого резца на 14% меньше податливости стандартного цельнометаллического резца такой же конструкции, а модальный коэффициент демпфирования в 2,5 раза больше.

6. Проведены экспериментальные исследования зависимости влияния параметров резания и формы демпфирующих вставок в державке резца на шероховатость поверхности при тонком точении, что позволило разработать математическую модель механической обработки заготовок. Подтверждено, что повышение демпфирующих свойств, связанных со свойствами материалов державки, приводят к уменьшению шероховатости с Ra-1,3 до Ra-0,7мкм.

7. Виброакустические исследования показали уменьшение колебаний у резцов, обладающих оптимальными жесткостнодемпфирующими свойствами при обработке стальных деталей в 5,5 раз в вертикальной плоскости и в 2,5 раза в горизонтальной. При рациональном сочетании данных свойств жесткий металлический каркас модифицированной державки дает минимальные прогибы, а возникающие колебания поглощаются демпфирующими вставками.

8. В условиях тонкого точения наиболее рациональной конструкцией модифицированных вставок в державке резца является сочетание тонких прослоек из демпфирующего материала в плоскостях соприкосновения державки с опорной поверхностью и зажимающими болтами, не влияющих на несущую способность металлического каркаса, и замещение части металла композиционным материалом в менее нагруженных внутренних слоях державки.

9. Сравнение результатов, полученных в реальных экспериментах с компьютерными моделями, показало сходимость их значений более 90%. Исходя из этого следует вывод, что компьютерная модель адекватна и может применяться для определения величины прогиба режущей кромки резца при статических нагружениях и определения собственных резонансных частот.

10. Даны рекомендации по выбору оптимальной конструкции виброгасящих вставок в круглую державку расточного резца.

11. Результаты исследований и разработанная технология изготовления модифицированных (комбинированных) державок приняты к промышленному применению на предприятии: ИП «Егорьевский механический завод».

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Белов П.С. Компьютерное исследование по выбору оптимальной конструкции виброгасящих вставок в державке токарного резца./ Рогов В.А. Белов П.С. // Вестник РУДН, Сер. «Инженерные исследования». – М.; 2010. - №3. – с.

12 – 17.

2 Белов П.С. Статическое исследование расточных токарных резцов со вставками из высоконаполненного композиционного материала, обладающего демпфирующими свойствами. / Рогов В.А. Белов П.С. // 6 Международная научно-техническая конференция «Прогрессивные технологии в современном машиностроении». Сборник статей. – Пенза 2010. с. 127 – 129.

3 Белов П.С. Подтверждение адекватности компьютерных моделей расточных токарных резцов путем сравнения их с данными, полученными при статическом эксперименте. / Рогов В.А. Белов П.С. // Третья Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». Сборник трудов. – М.; 2010. – с. 18.

4 Белов П.С. Экспериментальное определение значения собственных частот колебаний расточных токарных резцов со вставками из высоконаполненного композиционного материала. / Рогов В.А. Белов П.С. // 14 Международная научно-техническая конференция «Современные технологии в машиностроении». Сборник статей - Пенза 2010. с. 82 – 85.

5 Белов П.С. Исследование конструкции демпфирующих вставок из композиционного материала в державке токарного резца с помощью модуля конечно-элементного анализа. / Рогов В.А. Белов П.С. // Международная научнопрактическая конференции «Инженерные системы – 2010». Сборник статей. М.; 2010. – с. 313 - 316.

6 Белов П.С. Влияние демпфирующих вставок из композиционного материала в державке токарного резца на его характеристики. / Рогов В.А. Белов П.С. // Международная научно-практическая конференции «Инженерные системы – 2011». Сборник тезисов. - М.; 2011. – с. 135.

7 Белов П.С. Исследование демпфирующих способностей конструкций расточных токарных резцов со вставками из высоконаполненного композиционного материала. / Рогов В.А. Белов П.С. // Вестник машиностроения - М.;

2011. - №6. – с.69 - 71.

8 Белов П.С. Исследования вибрационных характеристик вариантов конструкций державок расточных токарных резцов со вставками из высоконаполненного композиционного материала. / Рогов В.А. Белов П.С. // Технология машиностроения - М.; 2011. - №8. – с.28-32.

9 Белов П.С. Методика исследования влияния режимов резания на качество обрабатываемой поверхности с применением резцов с комбинированными державками. / Белов П.С. // Международная научно-практическая конференции «Техника и технологии: пути инновационного развития». Сборник статей. Курск, 2011. – с. 46 - 48.

10 Белов П.С. Выбор рациональной конструкции державок резцов, оснащенных композиционными демпфирующими вставками. / Рогов В.А. Козочкин М.П. Белов П.С. // Технология машиностроения - М.; 2011. - №10. – с.25Белов Павел Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОБРАБОТКИ ЗА СЧЁТ УЛУЧШЕНИЯ

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РЕЗЦОВ

Диссертация посвящена исследованию повышения качества обрабатываемой поверхности детали за счет внедрения в державку расточного токарного резца вставок из высоконаполненного композиционного материала синтеграна.

Разработаны конструкции демпфирующих вставок из высоконаполненного композиционного материала в державку расточного токарного резца. Проведено исследование влияния формы вставок в державке резца на колебание рабочей части резца с помощью физической и компьютерной модели резца. Разработаны методики статического и динамического исследования модифицированных резцов. Приведены данные виброакустического исследования, которые позволили выявить и оценить связь между формой демпфирующих вставок материалом обрабатываемой детали и качеством обработанной поверхности.

IMPROVING THE QUALITY OF TREATMENT AT THE EXPENSE OF

IMPROVEMENT STRUCTURAL AND TECHNOLOGICAL PARAMETERS

CUTTERS

The dissertation is devoted to improve the quality machined workpiece surface through the introduction of a boring lathe tool holder inserts of highly filled composite material sintegrana. Have designed a damping inserts of highly filled composite material in a lathe tool holder boring. The influence of the form of inserts in the tool holder on the cutter blade oscillation of the working part through physical and computer models of the tool. The techniques of static and dynamic study of modified incisors. Data are presented vibroacoustic studies to identify and evaluate the relationship between the shape of the damping material inserts and workpiece surface quality.