2

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Эффективность машиностроительного производства во многом определяется использованием прогрессивных металлорежущих инструментов, к которым относятся сборные инструменты со

сменными многогранными пластинами (СМП) из инструментальных твердых

сплавов (ИТС). Однако как показывает производственная статистика, на долю

отказов инструментов с СМП из ИТС в результате разрушения пластин приходится 65-80% представленному на рисунках 1, 2. В основном это связано с неправильным выбором инструмента и режимов резания, то есть с неэффективным применением сборных инструментов, что, в свою очередь, приводит к низкой эффективности механической обработки.

Рисунок 1– Характерные виды Рисунок 2–Доли отказов СМП разрушения СМП Доля покупного инструмента в системе инструментального обеспечения предприятий машиностроительной отрасли составляет 82%, остальная часть приходится на инструмент собственного изготовления. Не удовлетворены качеством покупного инструмента 70% опрошенных, при этом оценка эффективности применения инструмента перед его приобретением с целью повышения эффективности механической обработки не проводится. Это связано с отсутствием методик ее проведения и сложностью однозначного определения показателей качества металлорежущего инструмента, а решения о выборе инструмента и режимов обработки принимаются на основе опыта предприятий, а также по результатам эксперимента, что могут себе позволить далеко не все предприятия в связи с трудоемкостью и высокой стоимостью экспериментальных исследований.

Таким образом, повышение эффективности механической обработки на основе оценки качества применения металлорежущего инструмента является актуальной проблемой.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности механической обработки за счет повышения надежности, оптимизации производительности и снижения себестоимости на основе оценки качества применения металлорежущего инструмента, учитывающей физико-механические взаимосвязи обработки.

Задачи работы Провести литературный анализ физико-механических взаимосвязей обработки металлов резанием и существующих подходов оценки качества, выделить этапы создания методики повышения эффективности механической обработки.

На основе установленных взаимосвязей между производительностью, 2.

надежностью и единичными показателями качества, разработать математическую модель оценки качества применения металлорежущего инструмента.

Разработать способы оценки основных показателей и факторов применения металлорежущих инструментов, влияющих на эффективность механической обработки.

Разработать методику повышения эффективности механической обработки, путем оптимизации параметров используемого инструмента и режимов резания обеспечивающих технически и экономически эффективные процессы обработки.

Методы исследований. Представленные в диссертации теоретические и экспериментальные исследования проводились на основе научных положений технологии машиностроения, теории резания, методов всеобщего управления качеством, квалиметрии, методики структурирования функции качества, а так же обобщения производственного опыта отечественных и зарубежных машиностроительных предприятий.

Достоверность результатов исследований подтверждается хорошей корреляцией с результатами многолетних опытных данных исследователейпредшественников. Повышение эффективности применения сборного инструмента за счет повышения надежности, оптимизации производительности и снижения себестоимости механической обработки подтверждено результатами экспериментов и внедрением разработанных методик на производстве.

Научная новизна Определены этапы процесса повышения эффективности механической 1.

обработки, направленного на повышение надежности и снижение себестоимости процессов обработки материалов резанием.

Разработан метод оценки качества применения сборного инструмента, 2.

направленный на повышение эффективности механической обработки.

Разработана математическая модель оценки качества применения металлорежущего инструмента на основе установленных взаимосвязей между производительностью, надежностью и показателями качества, на примере резцов с СМП.

Практическая значимость результатов работы Оптимизированы параметры используемого инструмента и режимов резания, что позволило обеспечить наиболее выгодное соотношение технической и экономической составляющих процесса обработки.

Определены зависимости уровня качества применения сборного инструмента с СМП от коэффициентов теплопроводности обрабатываемого и инструментального материалов, геометрических параметров инструментов и параметров режимов резания.

Апробирована и внедрена методика повышения эффективности механической обработки за счет повышения надежности, оптимизации производительности и снижения себестоимости механической обработки.

Внедрены документированные процедуры методики повышения эффективности механической обработки на ЗАО «Томский завод электроприводов»

АК Транснефть.

Основные научные положения, выносимые на защиту Математическая модель оценки качества применения сборного инструмента на основе установленных взаимосвязей между производительностью, надежностью и единичными показателями качества (на примере резцов с СМП).

Способы оценки основных показателей и факторов применения металлорежущих инструментов, влияющих на эффективность механической обработки (на примере сборных резцов с СМП).

Методика повышения эффективности механической обработки путем оптимизации параметров используемого металлорежущего инструмента и режимов резания, обеспечивающих технически и экономически эффективные процессы обработки (на примере использования токарных резцов с СМП).

Апробация работы. Результаты работы докладывались на международной научно-практической конференции «Качество-стратегия ХХI века» - Томск:

ТПУ, 2007 г.; международная научно-практическая конференция «Качествостратегия ХХI века» - Томск: ТПУ, 2009 г.; международная научнопрактическая конференция «Качество-стратегия ХХI века» - Томск: ТПУ, г.; Интернет – конференция с международным участием «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» - Тюмень: ТюмГНГУ 2010г.; международная научно-техническая конференция «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» - Курск: Юго-зап.гос.университет 2011 г.

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 12 печатных работ. В том числе в 2 работах в изданиях рекомендованных ВАК Российской Федерации, а также 2 работы опубликовано в журналах входящих в базы цитирования Web of Science и Scopus и 1 монографии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложения.

Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка, 20 таблиц, список литературы, включающий в себя 153 наименования источников и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели и задачи исследований.

В первой главе приведен литературный обзор экспериментальных и теоретических исследований по теме диссертации, на основе которого сделан анализ и сформулированы цели и задачи настоящего исследования.

Решению вопросов оптимизации применения режущих инструментов и повышения эффективности обработки металлов резанием и посвятили свои работы:

Аваков А.А., Андреев Г.С., Астахов В.П., Артамонов Е.В., Безъязычный В.Ф., Бетанели А.И., Бобров В.Ф., Васин С.А., Верещака А.С., Грановский Г.И., Гречишников В.А., Гордон М.Б., Зорев Н.Н., Кабалдин Ю.Г., Коротков А.Н., Клушин М.И., Кирсанов С.В., Куфарев Г.Л., Кушнер В.С., Лоладзе Т.Н., Макаров А.Д., Мирнов И.Я., Мухин В.С., Остафьев В.А., Петрушин С.И., Подпоркин В.Г., Подураев В.Н., Полетика М.Ф., Прибылов Б.П., Промптов А.И., Резников А.Н., Розенберг А.М., Розенберг Ю.А., Романов В.Ф., Старков В.К., Силин С.С., Талантов Н.В., Некрасов Ю.И., Тахман С.И., Третьяков И.П., Утешев М.Х., Хает Г.Л., Хворостухин Л.А., Шаламов В.Г., Шарин Ю.С., их учениками и др.

Решению вопросов управления обеспечением качества продукции посвятили свои работы: Адлер Ю.П., Азаров В.Н., Азгальдов Г.Г., Барвинок В.А., Версан В.Г., Бойцов Б.В., Бойцов В.В., Васильев В.А., Гличев А.В., Э.Деминг, Зорин Ю.В., К. Исикава, Лапидус В.А., Сеггези Х.Д., А. Фейгенбаум, Чайка И.И., Ярыгин В.Т. и др.

Изучены существующие подходы к выбору инструмента и режимов обработки. Изучены существующие подходы к оценке качества. Дан краткий анализ рассмотренных работ, сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе приводятся результаты разработки организационных принципов постоянного совершенствования базы и инструментария оценки при создании и использовании методики установления качества применения металлорежущего инструмента, направленной на повышение эффективности механической обработки; математической модели оценки качества применения металлорежущего инструмента; методики оценки качества применения металлорежущего инструмента (на примере сборных токарных резцов с СМП); развернутой схемы определения основных показателей и факторов применения металлорежущих инструментов влияющих на эффективность механической обработки (на примере сборных токарных резцов с СМП).

При решении поставленных в работе задач был разработан алгоритм повышения эффективности механической обработки, представленный на рисунке 3.

Создание методики оценки качества применения металлорежущего инструмента проводили по алгоритму, представленному на рисунке 4.

Определение факторов применения металлорежущего инструмента Оценка качества применения металлорежуще- (структурирование информаинформации качественного инструмента повышения эффективности качества применения металлорежущего На основании данных полученных от потребителей металлорежущего инструмента установлено, что доминирующая составляющая рынка инструментов приходится на токарные резцы. Следовательно, наиболее целесообразно рассмотреть проблемы оценки качества применения металлорежущего инструмента на примере сборных токарных резцов с СМП.

В ходе реализации разработанной процедуры формирования списка потребительских требований установлены определяющие потребительские требования к сборным резцам с СМП. Этими требованиями являются производительность и надежность.

Этапы построения информационной модели металлорежущего инструмента представлены на рисунке 5.

металлорежущего инструмента Рисунок 5– Этапы построения информационной модели оценки качества применения металлорежущего инструмента В результате проведения экспертной процедуры определения факторов применения (ФП) для токарных резцов с СМП были установлены следующие ФП: виды обрабатываемых поверхностей, вид обработки (черновая, чистовая),шероховатость обработанной поверхности (для чистовой обработки), глубина резания, характеристики обрабатываемого материала.

В результате проведения экспертной процедуры определения технологических показателей (ТП) для токарных резцов с СМП были установлены: характеристики инструментального материала; - задний угол; r - радиус при вершине; 90, - главный угол в плане; угол при вершине ; толщина пларежущей кромки;

стины; наличие твердосплавной подложки и ее толщина; схема базирования и крепления пластин.

В результате было установлено, что определение основных потребительских требований (производительности и надежности) затруднено даже в производственных условиях. А учитывая то, что данные показатели существенно зависят от обрабатываемого материала, выбора инструментального материала, режимов резания, естественно предположить, что данные показатели не являются единичными показателями качества.

Известно, что производительность обработки резанием характеризуется объемом металла, срезаемого в единицу времени:

Анализ работ по теории резания металлов, показал, что значимым фактором обработки является температура резания. Естественно предположить, что температура резания связывает между собой интересующие показатели качества сборного инструмента.

На основании температурных исследований при реализации полного факторного эксперимента 210 определена зависимость температуры резания от переменных параметров резания f (, s, t,,, о, и,, r, ), для инструментальных твердых сплавов групп ВК и ТК при обработке сталей и сплавов.

Реализация плана позволила после потенцирования получить следующую модель, адекватно описывающую искомую зависимость:

v – скорость резания; s – подача; t – глубина резания;

теплопроводности обрабатываемого материала; и – коэффициент теплопроr ной режущей кромки;

Учитывая, что при оценке качества применения металлорежущего инструмента будут использоваться относительные показатели качества, постоянными величинами можно пренебречь. Выразив скорость из уравнения 2, и подставив полученное выражение в уравнение производительности 1, в котором коэффициенты весомости всех сомножителей одинаковы, а сумма коэффициентов весомости равна единице, получим:

Обработку материала целесообразно производить при температуре резания соответствующей температуре его максимальной обрабатываемости. Температура максимальной обрабатываемости это температура резания, при которой наблюдается стабилизация сил резания и минимальные значения шероховатости обработанной поверхности. Соответственно уравнение 1 примет вид:

где м.о. – температура максимальной обрабатываемости материала.

Если рассматривать металлорежущий инструмент, то показателями надежности являются стойкость (путь резания L) и безотказность. Максимальный путь резания достигается при правильном выборе инструментального твердого сплава и режимов резания. Это обеспечивается при совпадении или максимально возможном приближении температуры максимальной обрабатываемости м.о. обрабатываемого материала и температуры максимальной работоспособности инструментального твердого сплава м. р. и соответствующим поддержанием данной температуры в зоне резания (назначением соответствующих режимов). От правильного выбора инструментального твердого сплава существенно зависят показатели надежности: стойкость (путь резания) и безотказность. С целью учета этого параметра предложено ввести коэффициент температурной совместимости ( Кт.с. ) обрабатываемого материала и инструментального твердого сплава.

Так же на показатели надежности существенно влияют геометрические характеристики СМП и схемы их базирования и крепления. Их предлагается учесть с помощью коэффициента напряженности ( Кн ).

Учитывая вышеизложенное, при умножении выражения 4 на коэффициенты надежности (коэффициент напряженности и коэффициент температурной совместимости), получим уравнение качества применения сборного инструмента с СМП:

В третьей главе приводятся результаты практической апробации разработанного метода оценки качества применения металлорежущего инструмента (на примере сборных токарных резцов с СМП).

В экспериментальных исследованиях использовалась деталь «Вал–23», которая изготавливается из заготовки (прутка) 58 мм, сплав ХН77ТЮР. В качестве объектов исследования использовались сборные резцы с СМП, представленные в таблице 1.

Таблица 1– Обозначения исследуемых инструментов № Обозначение инструмента и (RCMX 2006 MOS сплав ВК6м) (RCMX 2006 MOS сплав ВК6м) (RCMX 2006 MOS сплав ВК8) 7 SRDCN-4040S20-M (RCMX 2006 MOS сплав ВК6м) (RCMX 2006 MOS сплав ВК8) 2006 MOS сплав Т15К6) (SCMX 1906 04S сплав Т15К6) (DPMX 1505 08S сплав ВК6м) (DPMX 1505 08S сплав ВК8) (DPMX 1505 08S сплав Т15К6) Рассчитан интегральный показатель качества применения0,4металлорежущего инструмента по разработанной методике. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2– Результаты расчетов интегрального показателя качества Производственные исследования проводились каждым выбранным инструментом с применением 10 одинаковых пластин при черновой обработке.

Определялось количество деталей, обработанных каждой пластиной до ее затупления или выхода из строя (скол, поломка). На основании исследования производительность оценивалась с помощью относительного показателя производительности Протн, а надежность с помощью относительного показателя стойкости Стотн и коэффициента безотказности Кб. Соответственно интегральный показатель качества применения металлорежущего инструмента по результатам производственного исследования Кп можно представить в виде:

где Протн – относительный показатель производительности, Стотн – относительный показатель стойкости, Кб – коэффициент безотказности.

Рассчитаны интегральные показатели качества применения металлорежущих инструментов по результатам производственного исследования, результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3– Результаты расчетов интегрального показателя качества применения металлорежущего инструмента по результатам производственного исследования Сравнение теоретических и экспериментальных показателей качества применения металлорежущего инструмента показало высокую степень их корреляции. Коэффициент корреляции составил R = 0.9, что свидетельствует о возможности практического использования разработанной методики.

В четвертой главе приводятся результаты расчетов затрат при обработке инструментами с целью проверки повышения экономичности механической обработки в результате применения методики повышения качества применения сборного инструмента.

Суммарные затраты на выполнение перехода – Зперех складываются из:

где Зинстр - затраты на инструмент; Зоборуд - затраты на оборудование; Зз/п затраты на зарплату рабочих.

Переведем значения суммарных затрат в относительные (безразмерные) Графическая интерпретация результатов расчета суммарных относительных затрат Зперехотн и их сопоставление с интегральными показателями качества применения металлорежущего инструмента, полученными по разработанной методике и по результатам экспериментальных исследований, представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 – Сопоставление интегральных показателей качества применения металлорежущего инструмента и относительных затрат на обработку Сравнение интегральных показателей качества применения металлорежущего инструмента и суммарных относительных затрат показало высокую степень их корреляции. Коэффициент корреляции составил R = – 0.916, т.е. чем выше качество инструмента, тем меньше затраты на обработку деталей. Это подтверждает адекватность разработанной методики повышения качества применения сборного инструмента.

На основании проведенных исследований для производственного использования были разработаны:

1. Инструкция «Методика повышения эффективности механической обработки путем оптимизации параметров используемого инструмента и режимов резания обеспечивающих технически и экономически эффективные процессы обработки».

2. Руководящие технические материалы «Оценка качества применения сборных токарных резцов с СМП при обработке материалов резанием».

Деталь «Вал-23»изготавливается на предприятии для электропривода, который предназначен для управления рабочими органами запорной арматуры магистральных нефтепродуктопроводов. По технологическому процессу при черновой обработке использовался инструмент под номером 11из таблицы 1.

После внедрения разработанной методики повышения эффективности механической обработки на основе оценки качества применения металлорежущего инструмента, принято решение о замене инструмента на №8 из таблицы 1.

Рисунок 7 – Сравнительный анализ эффективности применения на предприятии инструмента № 11 и предложенного по разработанной методике инструмента № затраты применении инструментов № 8 и № 11 увеличилось более чем в два раза, следовательно, повысилась эффективность механической обработки, снизились расходы на инструмент, а также уменьшилось время на обработку одной детали, что повлекло за собой снижение себестоимости изготовления продукции.

Основные выводы и результаты:

Анализ современного состояния теории и практики металлообработки и существующих подходов к оценке качества продукции позволили определить этапы процесса повышения эффективности обработки металлов резанием.

Разработана математическая модель оценки качества применения металлорежущего инструмента на основе установленных зависимостей уровня качества применения сборного инструмента с СМП от физико-механических характеристик обрабатываемого и инструментального материалов, геометрических параметров инструментов и параметров режимов резания.

Разработаны способы оценки основных показателей и факторов применения металлорежущих инструментов, влияющих на эффективность механической обработки (на примере сборных резцов оснащенных СМП).

Разработана методика повышения эффективности механической обработки на основе оценки качества применения металлорежущего инструмента, путем оптимизации параметров используемого инструмента и режимов резания.

Апробирована и внедрена методика повышения эффективности механической обработки на основе оценки качества применения металлорежущего инструмента. При реализации документированных процедур методики повышения эффективности механической обработки на предприятие ЗАО «Томский завод электроприводов» АК Транснефть, штучное время на рассматриваемых операциях уменьшилось на 5%, повысилась стойкость инструмента, что повлекло снижение на 40%. себестоимости технологических операций.

Основные публикации по теме диссертации Публикации в рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК:

Остапенко, М.С. Учет свойств надежности при оценке качества сборных токарных резцов. / М.С. Остапенко, Д.С. Василега // Известия Томского политехнического университета. – 2011. – Т.318. – №2. – С. 33–35.

Остапенко, М.С. Квалиметрическая оценка качества металлорежущего инструмента. /М.С. Остапенко, Д.С. Василега, О.А. Сидуленко //Известия Томского политехнического университета. – 2011. – Т.318. – №2. – С. 36–39.

Публикации в журналах входящих в базы цитирования Web of Science и Scopus:

3. Ostapenko, M.S. Improvement of Efficiency of Modular Tooling Systems Application Based on Qualimetric Evaluation. / M.S. Ostapenko, E.V. Artamonov, D.S.

Vasilega //World Applied Sciences Journal. – 2013– Р. 1275–1279.

4. Ostapenko, M.S. Method of evaluation of quality of metal-cutting tool. /M.S.

Ostapenko, D.S. Vasilega //Applied Mechanics and Materials. – 2013 – V. 379. – Р.

49-55.

Монография:

Артамонов, Е.В. Работоспособность инструментов и физико-механические характеристики инструментальных твердых сплавов и обрабатываемых материалов.: монография / Е.В. Артамонов, Д.С. Василега, М.С. Остапенко, В.А. Шрайнер. Под общей ред. М.Х. Утешева. – Тюмень: Изд. «Вектор Бук», 2008. – 160 с.:

рис., табл. – Библиогр.: с. 143-157. – ISBN 978-5-91409-092-7.

В других научных изданиях:

Остапенко, М.С. Проблемы управления качеством в машиностроении.

/М.С. Остапенко //Материалы XII Международной научно-практической конференции «Качество–стратегия XXI века» Спецвыпуск журнала «Репутация & качество» – Томск: издательство ТПУ, 2007– С 27.

Остапенко, М.С. Производственно-социологическое исследование наиболее значимых показателей качества металлорежущих инструментов. / М.С.

Остапенко Качество – стратегия XXI века: материалы XIV Международной научно-практической конференции. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. – С. 164 –166.

Остапенко, М.С. Экспериментальная апробация методики квалиметрической оценки качества металлорежущего инструмента (на примере токарных резцов). / М.С. Остапенко //Качество – стратегия XXI века: материалы XV Международной научно-практической конференции. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – С. 164 –168.

Остапенко, М.С. Оценка качества сборных токарных резцов. /М.С. Остапенко, Д.С. Василега //Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: материалы V научно-технической конференции. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2010 – С. 214-219.

Остапенко, М.С. Оценка надежности при анализе качества сборных токарных резцов / М.С. Остапенко, Д.С. Василега //Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: материалы V научно-технической конференции. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2010 – С. 219-222.

Остапенко, М.С. Методика оценки качества сборных токарных резцов / 11.

М.С. Остапенко// Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: материалы VIII Международной научно-технической конференции. – Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2011 – С. 225-228.

Остапенко, М.С. Разработка методики квалиметрической оценки металлорежущего инструмента (на примере сборных токарных резцов) / М.С. Остапенко, Д.С. Василега, Г.Н. Эйналов // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: материалы VI научнотехнической конференции. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2012 – С. 193-199.

Подписано в печать 21.11.2013 Формат 60*90 1/16 Усл. печ. л.

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Типография библиотечно-издательского комплекса.