МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Технология машиностроения»

НИРС

на тему: «Высокоскоростное растачивание отверстий»

Студент: Бережнов Е. П.

Вельмисев С. В.

Саплин В. С.

Группа М - 502

Руководитель: Николаев С. В.

Преподаватель: Бобровский А. В.

ТОЛЬЯТТИ 2005г.

1.Описание ситуации

Повышение производительности при растачивании отверстий является важной задачей в современном машиностроении. Она может быть разрешена различными методами, такими как оптимизация режимов резания, применение высокопроизводительного оборудования, быстропереналаживаемой оснастки, применение инструмента высокой стойкости и другими. Наряду с повышением производительности необходимо повысить точность обработки и качество поверхностей детали операции растачивания.

В настоящее время все большее внимание в мире уделяется проблеме повышения скоростей резания как одной из составляющих производительности труда, улучшения качества обработанных поверхностей, экономии материальных и трудовых ресурсов. При высоких скоростях резания возможно, в некоторых случаях, исключить промежуточные операции, например, получистовое шлифование, а в отдельных случаях - и финишные операции.

Таким образом высокоскоростное резание является быстро развивающимся технологическим процессом с большими потенциальными возможностями для современной металлообработки. Актуальность его применения в современных условиях постоянно повышается, что связано с высоким уровнем автоматизации производственных процессов, изменивших структуру временных затрат на изготовление деталей и предопределивших необходимость сокращения основного времени на их обработку.

2.Анализ ситуации

Высокоскоростная обработка отверстий позволяет существенно сократить длительность технологических операций, повысить качество поверхности и точность обработки. В месте с тем высокоскоростному резанию присущ ряд существенных недостатков. Наиболее важными из них можно считать: необходимость повышения мощности приводов, разработки и изготовления опор вращающихся и перемещающихся узлов, зажимных узлов, тщательной балансировки вращающихся узлов, создание новых инструментальных материалов, изготовление кулачковых зажимных патронов, работающих на повышенных частотах вращения и обеспечивающих охват заготовок во всем рабочем диапазоне станка, высокие температуры, возникающие в зоне резания, недостаточная теплостойкость применяемых режущих инструментов и т. д.

3.Разработка обобщенного технического решения

Реализация технологии высокоскоростного резания предполагает решение многочисленных технологических задач. В наибольшей степени это касается режущих инструментов, так как уровень применяемых скоростей резания в современной металлообработке ограничивается свойствами инструментальных материалов и определяется способностью режущих инструментов противостоять изнашиванию и разрушению при повышенных температурах.

В Московском комбинате твердых сплавов в настоящее время разработан новый ассортимент сменных многогранных пластин с четырехслойным износостойким покрытием. Покрытия МТ и МА толщиной h = 8 - 10 мкм предназначены для токарной обработки. Составы покрытий представлены на рис. 1.

Среди материалов, не требующих покрытий, наиболее близок к идеальному материалу поликристаллический алмаз. Являясь одним из наиболее твердых материалов, он в тоже время благодаря ультрамелкозернистой структуре обладает достаточной вязкостью и по этому пригоден для обработки (со скоростью v = 300 - 600 м/мин) цветных металлов и сплавов, а также композитов. При аналогичной твердости КНБ (кубический нитрид бора) более хрупок и в большей степени подходит для «сухой обработки» материалов твердостью выше 50 HRC (при содержании в инструменте до 60 % КНБ) и чугунов в широком интервале скоростей (300 - 800 м/мин) с небольшими припусками и подачами. Для ВСО подходит также нитридно-кремниевая керамика, которая тверже твердого сплава, но обладает большей хрупкостью и поэтому используется только для обработки чугунов с v = 500 - 1000 м/мин.

Положительный опыт внедрения и эксплуатации керамических режущих инструментов нового поколения при чистовом высокоскоростном точении деталей из разных конструкционных материалов показывает высокую технико-экономическую эффективность этих операций. Однако режущие инструменты из нитридно-кремниевой керамики при высокоскоростной обработке с повышенными подачами имеют недостаточную стабильность эксплуатационных показателей.

В процессе высокоскоростного резания керамические режущие инструменты находятся под воздействием высоких динамических термомеханических нагрузок, причем температурный фактор приобретает особое значение в связи с их крайне неудовлетворительной термостойкостью. Критический градиент термических напряжений в непосредственной близости от режущей кромки инструмента приводит к сколам керамического материала на контактных площадках режущих инструментов и последующему разрушению режущего инструмента.

Армирование нитридно-кремниевой керамики нитевидными кристаллами карбида кремния способствует повышению ее предела прочности при изгибе у_и до 900 МПа и коэффициента К_1с интенсивности напряжений в вершине трещины до 10 МПа ^. м^1/2. Улучшение свойств композиционного материала происходит за счет суммирования положительных свойств матрицы и уникальных параметров нитевидных кристаллов, которые являются барьером при распространении трещин в керамических материалах.

Композиционную керамику инструментального назначения разрабатывали на основе системы Si₃N₄ - Y₂O₃ - Al₂O₃ (условное обозначение РКС 11). В процессе исследования выведена оптимизированная система Si₃N₄ - Y₂O₃ - Al₂O₃ - SiC_н.к. (условное обозначение РКС 33). Инструмент с многогранной неперетачиваемой пластиной из керамики состава Si₃N₄ - Y₂O₃ - Al₂O₃ - SiC_н.к. в максимальной степени удовлетворяют требованиям высокоскоростного резания.

Структуру керамики Si₃N₄ - Y₂O₃ - Al₂O₃ - SiC_н.к. формируют ъерна нитрида кремния размером 0,5 - 2 мкм и межзеренная фаза из активаторов спекания и нитевидных кристаллов карбида кремния, не имеющих определенной пространственной ориентации в матрице.

Таблица 1

Исследование эксплуатационных показателей режущих инструментов из РКС 33 при точении молибденового сплава М - НП в широком диапазоне режимов резания показали их высокую эффективность.

Результаты исследования влияния подачи при точении на стойкость керамических инструментов показали, что наибольшую стойкость на малых подачах имеют режущие инструменты из ВОК 71, но с увеличением подачи стойкость ВОК 71 снижается , а лучшие результаты обеспечивают режущие инструменты из РКС 33 (рис.).

Другой проблемой, решаемой технологами и конструкторами является разработка высокоскоростного оборудования и оснастки. В ряде работ отмечается снижение жесткости шпиндельных узлов с увеличением частот вращения, что связано с достижением подшипниками предела своей быстроходности. Важное значение в конструкции шпинделя имеет зажимной механизм, который обеспечивает базирование, закрепление, удержание заготовки в процессе обработки. Наибольшее распространение в токарных станках получили цанговые и кулачковые зажимные патроны различных типов. Цанговые патроны характеризуются повышенными допустимыми частотами вращения, но имеют существенный недостаток - они закрепляют без переналадки только один номинальный диаметр заготовки, а с переналадкой - несколько диаметров. Этот недостаток, с учетом того, что около 2/3 продукции мирового промышленного производства производится в условиях мелкосерийного и индивидуального типов производств, является существенным. Кулачковые механизированные патроны не обеспечивают во всем диапазоне допустимые частоты вращения.

Для решения данной проблемы можно использовать токарный самоцентрирующий клиновой патрон модели ПКВ-250Ф8.95 конструкции ЭНИМСа (рис). Данный патрон предназначен для центрирования и закрепления заготовок на токарных станках при больших частотах вращения шпинделя. Патрон имеет компенсацию центробежных сил кулачков. Расположение грузов-компенсаторов 1, соединенных рычагом 3 с основными кулачками 4, в специальных углублениях корпуса 2 обеспечивает повышение точности обработки.

При обработке фрезерованием, шлифованием достигнуты более ощутимые результаты по повышению скоростей резания, чем при токарной обработке, так например, созданы шпиндельные узлы, способные работать при частотах вращения n = 400000 мин^-1, в России - с n = 250000 мин^-1, предназначенные для операции фрезерования, шлифования, сверления и т. д. Достигнутые частоты вращения на многооперационных станках превышают частоты вращения на токарных станках.

При высокоскоростном растачивании труднообрабатываемых материалов температурный фактор является лимитирующим при выборе параметров резания и материала режущего инструмента. Верхний предел скорости резания ограничен в основном такими значениями температуры резания, при которых инструментальные материалы еще могут сравнительно успешно работать. Данные температуры соответствуют для большинства металлокерамических твердых сплавов 800…1000_ЄС, для синтетических алмазов 800 _ЄС, для нитридной керамики 800…1000 _ЄС и для КНБ - около 1500 _ЄС. В случае возникновения в зоне резания температур, превышающих указанные значения, происходит катастрофический износ инструмента. Проведен анализ температурного поля и расчет температур в зоне резания для случая высокоскоростной обработки деталей из титанового сплава ВТ - 1 инструментом, оснащенным однокарбидным твердым сплавом ВК6 и инструментом с износостойким покрытием ВК6-NbN. Полученные данные свидетельствуют, что для данных режимов резания: v = 160м/мин; t = 1 мм; S = 0,1 мм/мин, температуры на площадке контакта передней грани резца со стружкой для режущего инструмента без покрытия достигают более высоких значений, приближающихся к температуре плавления сплава ВТ-1 (рис. 8). В той части передней грани резца, где температура превышает теплостойкость режущего инструмента, происходит износ.

4.Поиск информации

Таблица 2

5. Выбор конкретного технического решения

В качестве базового варианта для создания, будущего технического решения позволяющего повысить производительность обработки принимаем совершенствование инструмента с материалом режущей части из нитридно-кремниевой керамики, армированной нитевидными кристаллами карбида кремния и применение токарного самоцентрирующего клинового патрона модели ПКВ-250Ф8.95 конструкции ЭНИМС. Кроме того для достижения высоких скоростей обработки необходимо использовать оборудование с приводами большой мощности, шпиндельными узлами на воздушных керамических подшипниках скольжения с нагнетателем воздуха, сбалансированными движущимися частями, направляющими из металлокерамики. Данный выбор обоснован тем, что по сравнению с другими способами повышения производительности режущий инструмент, выбранный патрон и оборудование обладают рядом преимуществ, описанных в пункте 3.

6. Формирование научных целей и задач

Целью данных исследований является изучение проблем высокоскоростной обработки. Задачи данного исследования состоят в том, чтобы после изучения интересующих нас факторов, влияющих на процесс высокоскоростного растачивания, выбрать объективные методы, повышающие производительность обработки. Также необходимо выдвинуть предположение о наиболее вероятной степени влияния того или иного параметра исследуемого объекта на показатели его функционирования.

7. Формирование исходной научной гипотезы

Считаем что наиболее существенными факторами, оказывающими влияние на показатели функционирования объекта (производительность механической обработки), являются недостаточная стойкость режущего инструмента и малое сопротивление развитию трещин.

8. Выбор вида исследований

Вследствие отсутствия материальной базы и недостаточного объема практических знаний в данной области в качестве вида исследований выбираем литературные, основанные на создании, в соответствии с выбранной методикой и критериями (научно-субъективные знания), новых объективных знаний.

9. Подготовка исследований

В качестве источников информации используем научно-техническую литературу, посвященную высокоскоростным методам обработки. В данной литературе изложены теоретические основы высокоскоростного растачивания отверстий, приведены прогрессивные инструментальные материалы, обеспечивающие оптимальные характеристики процесса.

10. Данные о проведении исследований

В качестве исследований выбрали литературные исследования, основанные на теоретических данных. Для решения проблем, описанных в пункте 2, была использована литература, приведенная в пункте 4. В ней были найдены общие технические решения, позволяющие решить некоторые из этих проблем. Все известные технические решения описаны в пункте 3. Проведен их субъективный анализ, на основе которого выбрано одно комплексное техническое решение, которое в большей степени решает поставленную задачу - повышение производительности механической обработки.

11.Обработка результатов

Повышение производительности при растачивании отверстий является важной задачей в современном машиностроении. Эта задача решается с помощью применения высокоскоростной обработки. Наиболее важной проблемой при высокоскоростной обработке является выбор материала режущего инструмента. В результате проведенных литературных научных исследований предлагается применить инструмент с материалом режущей части из нитридно-кремниевой керамики, армированной нитевидными кристаллами карбида кремния. Кроме того для достижения высоких скоростей обработки необходимо использовать оборудование с приводами большой мощности, шпиндельными узлами на воздушных керамических подшипниках скольжения с нагнетателем воздуха, сбалансированными движущимися частями, направляющими из металлокерамики и применением токарного самоцентрирующего клинового патрона модели ПКВ-250Ф8.95 конструкции ЭНИМС.

Литература

1. Оснастка для станков с ЧПУ/ Кузнецов Ю. И., Маслов А. Р., Байков А. Н. Москва: Машиностроение, 1990 - 507 с.

2. Теплофизические особенности применения инструментов, оснащенных износостойким покрытием, для высокоскоростной обработки./ Кирюшин Д. Е., Насад Т. Г. - Труды всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении» Тольятти: 2005 -430 с.

3. Новый ассортимент сменных многогранных пластин для металлообработки/

Самойлов В. С. - СТИН, 1996. №6

4. О Инструментальное обеспечение высокоскоростной обработки резанием/

Кузин В. В., Досько С. И., Попов В. Ф. Вестник машиностроения, 2005. №9

5. Особенности высокоскоростного точения труднообрабатываемых материалов/ Силин С. С., Проскуряков С. Л. СТИН, 2002. №12

6. Тенденции развития высокоскоростной обработки - Международная научная конференция «Высокоскоростная металлообработка».

7. Прочность и износостойкость режущего инструмента/ Т.Н. Лоладзе Москва: Машиностроение, 1982 - 319 с.

8. Тенденции развития высокоскоростной токарной обработки/ Ахрамович В. Н. Машиностроитель, 1996, № 11

9. Основные аспекты применения и совершенствования режущих инструментов с износостойкими покрытиями/ А.С. Верещака СТИН, 2000. №9.