МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний університет «Львівська політехніка»

Кафедра «Технології машинобудування»

Реферат

” Розроблення методів кріплення пластин токарних збірних різців на державці як спосіб підвищення жорсткості обробки і зменшення загальної похибки системи”

Львів - 2008р.

Зміст

Вступ.

1. Розрахунок міцності різальних пластин відрізних різців методом кінцевих елементів.

2. Опис проведення дослідження, умов проведення, устаткування і інструменту.

3. Аналіз результатів досліджень.

4 Аналіз експериментальних досліджень коливань відрізних різців.

Вибір середовища впровадження даних схем.

Висновок

Література

Вступ

Сучасні економічні умови, у яких працюють машинобудівні і верстатобудівні підприємства України, вимагають безупинного підвищення ефективності обробки, обумовленою продуктивністю і собівартістю.

Підвищення продуктивності механічної обробки на важких верстатах обмежується деякими технологічними операціями, однією з яких є відрізка. Операція відрізки на важких верстатах являє собою невільне різання, що характеризується деякими особливостями. Відрізні різці працюють зі значними питомими навантаженнями на різальні леза в умовах утрудненого відводу стружки, що приводить до великої кількості поломок різальних пластин. Крім того, знижена жорсткість технологічної системи при відрізуванні, що є наслідком наявності великих вильотів різців, приводить до виникнення коливань інструмента в процесі різання.

Статистичні дані по експлуатації збірних відрізних різців для важких верстатів показують, що відмови зазначених конструкцій різців до досягнення нормативного критерію зносу складає до 80%. Це веде до підвищеної витрати твердого сплаву і зниженню техніко-економічних показників процесу обробки, підвищенню собівартості.

Мета роботи - підвищення ефективності збірних відрізних різців для важких верстатів шляхом визначення раціональних конструктивних параметрів різальної пластини та поліпшення жорсткості її кріплення, що забезпечує підвищення продуктивності і зниження собівартості відрізних операцій.

1. Розрахунок міцності різальних пластин відрізних різців методом кінцевих елементів.

Встановлено, що в даний час не існує досить ефективної і надійної системи розрахунку різальних пластин відрізних різців, працюючих в умовах важкого машинобудування, з урахуванням їхніх конструктивних параметрів.

Розрахунки різальної частини методом кінцевих елементів розроблені для цільного інструмента, причому в основному застосовується розбивка розрахункової області за допомогою трикутників і тетраедрів.

Експериментальні методи трудомісткі, вимагають спеціального устаткування, мають відносно низьку точність, вимагають тривалого часу обробки даних, крім того, у цьому випадку використовується плоска модель і вільне різання. Наявні в даний час розрахункові схеми і математичні моделі динамічної системи верстат-пристосування-інструмент-деталь розглядають інструмент як передатну ланку між деталлю і супортною групою і не враховують конструкцію інструмента як підсистему, що складається з окремих елементів.

При визначенні напружень у різальній частині інструмента застосовуються кінцеві елементи двох типів: восьмивузлові просторові елементи у формі довільного паралелепіпеда і двадцятивузлові елементи у формі довільного паралелепіпеда з криволінійними гранями .

Для розрахунку напружено-деформованого стану різальної пластини відрізних різців розроблена прикладна програма. До достоїнств розробленої програми варто віднести:

1. Програма для дискретизації розрахункової області використовує кінцеві елементи у вигляді паралелепіпедів довільної форми і паралелепіпедів із криволінійними гранями, що дає можливість описувати складні просторові конструкції інструмента.

2. Використання восьмивузлових і двадцятивузлових ізопараметричних кінцевих елементів дозволяє скоротити кількість вхідної інформації.

3. Програма використовує для оцінки запасу міцності різальних пластин інструмента критерії міцності для різних твердих сплавів з урахуванням температури (критерій Писаренка - Лебедєва, уточнений В.А. Остаф'євим).

4. При дискретизації області за допомогою вищевказаних кінцевих елементів спрощується аналіз результатів.

5. Використання кінцевих елементів із криволінійними гранями дозволяє підвищити точність розрахунку у порівнянні з елементами простої форми.

Найбільш істотним фактором, тісно переплетеним з питаннями міцності, є коливання в процесі роботи елементів верстата та інструмента. У той же час, незважаючи на важливість прогнозування коливань, не існує загальної всіма прийнятої методики розрахунку. У зв'язку з цим дуже важливо розробити загальну методику розрахунків коливань інструмента і елементів важких токарських верстатів. Представлено загальну розрахункову схему і математичну модель динамічної системи верстат-пристосування-інструмент-деталь, у якій враховуються коливання інструмента і вузлів металорізального верстат один відносно іншого і демпфірування у стиках. З урахуванням цього отримана система диференціальних рівнянь:

де m - маса елемента розглянутої динамічної системи;

I - момент інерції елемента розглянутої динамічної системи;

- коефіцієнти, s=1, …, 6, i=1, 2, 3, j=1, …, m;

- зовнішні збурюючі впливи;

яка представляється у матричному вигляді

,,

де - - постійні коефіцієнти;

- функції, зв'язані з зовнішніми збурюючіми впливами;

- вектор невідомих переміщень;

р - оператор Лапласа.

Загальне рішення системи лінійних диференціальних рівнянь являє собою вираз:

,

де - , - постійні коефіцієнти, обумовлені початковими умовами системи диференціальних рівнянь; - вектор невідомих переміщень.

Загальна розрахункова схема і математична модель дозволяє одержати приватні моделі, що описують коливання окремих елементів технологічної системи верстат-пристосування-інструмент-деталь. У розрахунках застосовується матрична форма запису рівнянь, що робить зручним їхнє рішення за допомогою ПЕОМ.

2. Опис проведення дослідження, умов проведення, устаткування і інструменту.

Основу вібровимірювального комплексу складає персональна ЕОМ на базі процесора Intel Pentium 200MMX, що керує процесом виміру, а спеціальне програмне забезпечення дозволяє робити запис, візуальний контроль на моніторі та попередню обробку отриманої в ході експерименту інформації безпосередньо у процесі виміру.

Аналіз динамічних характеристик досліджуваного інструмента проводився по амплітудно-частотним характеристикам (спектрограмам). Амплітудно-частотні характеристики інструмента будувалися після обробки записаного сигналу за допомогою дискретного перетворення Фур'є (ДПФ). ДПФ дає можливість виявити частоти і амплітуди, що мають місце в залежному від часу сигналі і визначається залежністю:

,

де F(jщ) - спектр залежного від часу сигналу f(t), отриманого в результаті експериментальних досліджень;

N - кількість дискретних значень функції f(t), до яких застосовується ДПФ;

j - уявна одиниця.

Обчислення ДПФ для обробки експериментальних даних виконувалося за допомогою електронного документа на базі програмного пакета для фізичних і математичних розрахунків MathCAD 7.0.

3.Аналіз результатів досліджень.

Представлені результати дослідження тривимірного напруженого стану різальних пластин відрізних різців у залежності від їх конструктивних параметрів, форми та режимів різання. Напруження визначалися методом кінцевих елементів за допомогою розробленої прикладної програми.

У якості базової для розрахунку була прийнята різальна пластина із твердого сплаву Т5К10 (аналог пластини за ДСТ17163-90), що має перетин lbs=122010. Геометричні параметри пластини =0, =8, ₁=230, =90, ₁=230. Дана різальна пластина була обрана в якості базової для подальших досліджень. Пластина розташовувалася на державці перетином BH=1060. Навантаження сил різання прикладалося до передньої і задньої поверхонь пластини у напрямку дії складових сили різання Pz і Py. Також враховувалося тертя допоміжних різальних лез за стінки прорізуваної канавки і сили пружної післядії стінок канавки.

Різальна пластина при розрахунках розбивалась на 275 кінцевих елементів у формі довільного паралелепіпеда, державка інструмента на 50 елементів. На приведені розрахункові схеми різальної пластини відрізного різця і прийнята система координат.

Шукані параметри напружено-деформованого стану різальної пластини _x, _y, _z, _xy, _yz, _zx, _э визначалися поблизу передньої поверхні, де спостерігаються екстремальні значення напружень.

Аналіз напружень виконувався на відстані 1.0мм від передньої поверхні пластини, у трьох поздовжніх перетинах, що розташовуються поблизу допоміжних різальних лез на відстані 1,2мм від них (перетин 1, 3) і по середині пластини (перетин 2).

Аналіз механізму руйнування інструментальних матеріалів показує, що відповідно до принципів механіки суцільного середовища стан матеріалу у місті можливого його руйнування цілком визначаються рівнем діючих напружень. Тому що виникнення граничного стану обумовлюється критерієм виникнення тріщини, тісно зв'язаним з дотичними напруженнями, і критерієм їхнього поширення, зумовлюваного нормальними розтяжними напруженнями, то загальний критерій міцності інструментальних матеріалів повинний враховувати дію обох механізмів руйнування. Якщо при низьких температурах нагрівання найбільше значення для руйнування інструментальних матеріалів мають нормальні розтяжні напруження, то з підвищенням температури збільшується роль дотичних напружень. Цей загальний критерій міцності інструментальних матеріалів враховується еквівалентними напруженнями.

Як показує аналіз графіків розподілу нормальних розтяжних напружень, максимальні напруження, розташовуються поблизу передньої поверхні за зоною контакту зі стружкою - ця область приймається в якості небезпечного переріза. При дослідженні інших конструктивних параметрів характер розподілу істотно не змінювався.

У результаті проведених досліджень встановлено, що найбільший вплив на величину еквівалентних напружень _э робить товщина різальної пластини.

Довжина різальної пластини мало впливає на величину _э, причому зі збільшенням довжини різальної пластини понад 20мм вони залишаються практично незмінними. Тому довжину різальної пластини варто приймати тільки з погляду її надійного закріплення (для різальних пластин, що закріплюються механічно) і вільного сходу стружки.

Крім того, встановлений зв'язок між шириною різальної пластини l та її товщиною s. Для l=12мм не доцільно призначати s більш 0,85l, а при збільшенні l до 24мм, s рекомендується приймати: для l=(16...20)мм - s = (0,5...0,4)l, а для l=24мм - s =0,25l. У цьому випадку максимальні еквівалентні напруження, що виникають у небезпечному перерізі, приблизно однакові при різній ширині різальної пластини.

У процесі різання безпосередній вплив на силу, а, отже, і на напружений стан різальної пластини відрізного різця, роблять режими різання. З режимів різання найбільший вплив на силу при відрізуванні роблять подача і глибина, а швидкість істотно не впливає. Тому для дослідження впливу елементів режимів різання на напружено-деформований стан різальних пластин, як досліджуваний параметр була прийнята сила, що враховує комплексний вплив глибини і подачі.

Результати досліджень показують, що збільшення сили різання приводить до збільшення нормальних і еквівалентних напружень. При цьому відбувається зміна характеру розподілу нормальних напружень, розширення зони дії і ріст величини розтяжних нормальних напружень.

На базі розрахункових значень були отримані емпіричні формули для визначення еквівалентних напружень у небезпечному перерізі різальної пластини, враховуючі конструктивні параметри різальної пластини і силу, обумовлену режимами різання

,

,

де - _Е13, _Е2 - еквівалентні напруження в області екстремальних значень у поздовжніх перетинах 1, 3 і 2 відповідно, МПа;

l - ширина різальної пластини відрізного різця, мм;

b - довжина різальної пластини відрізного різця, мм;

s - товщина різальної пластини відрізного різця, мм;

P - сила різання, що діє на пластину, Н.

Форма різальної пластини відрізного різця визначається видом передньої поверхні, формою різальних лез і опорної поверхні. Дані елементи різальних пластин відрізних різців у загальному випадку можуть мати складну просторову конфігурацію, що певним чином впливає на напружено-деформований стан пластин.

Та чи інша форма різальної пластини відрізного різця форма опорної поверхні вибирається на стадії проектування інструмента з метою забезпечення максимальної міцності пластини як об'ємного тіла, забезпечення більш рівномірного навантаження корпусу інструмента, а також для запобігання бічних зсувів пластини в процесі різання (для різців з механічним кріпленням різальних елементів). Для цих цілей, зокрема для пластин відрізних різців, можуть застосовуватися V-образні опуклі й увігнуті форми опорних поверхонь з різними кутами призми, а також опуклої чи увігнутої радіусної поверхні.

Для визначення найбільш придатної форми опорної поверхні пластини і її параметрів досліджувався напружено-деформований стан і зроблений порівняльний аналіз для різних форм, зазначених вище. Аналіз розподілу нормальних і еквівалентних напружень _x, _y, _z, _Е поблизу передньої поверхні пластини показує, що зі зміною форми опорної поверхні пластини і кута призми має місце зміна величини нормальних напружень. Раціональною формою є V - образна опукла форма з кутом призми опори 2 = 120.

На міцність різальних пластин відрізних різців істотний вплив роблять також коливання інструмента в процесі роботи. Тому розроблена математична модель коливань збірного інструмента, що працює з поперечною подачею. Збірний токарський відрізний різець являє собою складну багатомасову збірну конструкцію, елементами якої є державка різця, опорна і різальна пластини, деталі механічного кріплення пластини. Причому кожен перерахований елемент має масу і має власну жорсткість і частоту коливань. Для аналітичного дослідження динамічних характеристик збірних відрізних різців для важких верстатів і їхнього впливу на міцність різальної частини, при різних конструктивних виконаннях, побудована відповідна математична модель на базі загальної моделі технологічної системи у вигляді системи диференціальних рівнянь, що піддається простому аналізу.

Стосовно до збірної конструкції інструмента приймаються наступні припущення: твердосплавна пластина є абсолютно жорсткою; усі деформації відбуваються за рахунок зсувів у стиках; малі кути повороту пластин зневажаються.

На основі прийнятих допущень збірні відрізні різці для важких верстатів можна розглядати як багатомасовую систему, ланки якої зв'язані між собою пружніми і дисипативними зв'язками.

Розрахункова схема пружної системи складається шляхом переходу від розподілених параметрів (маси, жорсткості) до зосередженого з обмеженням числа ступенів волі. Динамічна модель системи являє собою чотиримасову систему, елементами якої є:

1. Супортна група верстата масою m₁, при допущенні про досить велику жорсткість різцетримача.

2. Різальний інструмент. Збірний інструмент представляється у вигляді двох мас m₂ і m₃, що відносяться до державки і різальної частини. Під різальною частиною різця розуміється різальна й опорна (якщо така присутня у конструкції) пластини і деталі механічного кріплення.

Перераховані елементи мають порівнянні маси, а отже повинні мати близькі частоти й амплітуди коливань, тому вони і заміняються однією масою. При цьому коефіцієнти жорсткості і демпфірування Kz2, Cz2 розраховуються як комбінації послідовних, паралельних чи послідовно-паралельних (у залежності від конструкції механічного кріплення різальної пластинки) з'єднань пружніх і демпфіруючих характеристик ланок реального механічного кріплення.

Інструмент зв'язаний із супортом пружнім і демпфіруючим зв'язком Kz1, Cz1, що враховує згибну жорсткість державки. Це актуально для токарського відрізного різця, що працює з великими вильотами. З іншої сторони різальна частина інструмента зв'язана з оброблюваною на верстаті деталлю за допомогою процесу різання.

3. Оброблювана на верстаті деталь масою m₄, розглядається абсолютно жорсткою, оскільки мова йде про обробку на важких верстатах.

З однієї сторони вона зв'язана з інструментом, з іншої з несучою системою верстата за допомогою пружного Kz4 і демпфіруючого елементів Cz4, що є приведеними значеннями коефіцієнтів жорсткості і демпфірування передньої бабки токарського верстата.

Для подібної коливальної системи як систему координат приймаються абсолютні переміщення центрів мас тіл.

Математична модель буде представляти систему з восьми диференціальних рівнянь із правою частиною виду:

де - -

радіальна складова сили різання,

-

тангенціальна складова сили різання,

a₀, b - товщина зрізу (статичне значення) та ширина зрізу;

- ексцентриситет установки деталі в патроні,

- кутова швидкість обертання оброблюваної деталі,

T - час одного обороту оброблюваної деталі,

- фазова характеристика сили різання.

Пропоновану математичну модель і прикладну програму для моделювання коливань відрізних різців “OSCLab 2.0” можна використовувати для прогнозування переважного виду відмов відрізних різців при роботі в залежності від величини амплітуди і частоти коливань. У залежності від сполучення значень амплітуди коливань відрізних різців і частоти виділяються три зони, кожній з яких відповідає переважний вид відмов інструмента: знос, викришування і сколювання.

4. Аналіз експериментальних досліджень коливань відрізних різців. Вибір середовища впровадження даних схем.

Об'єктами дослідження були частота й амплітуда коливань відрізних різців у залежності від елементів режиму різання.

Процес відрізки виконувався на токарно-гвинторізному верстаті моделі 164. Заготовка мала діаметр 250мм, довжину l=2000мм. Матеріал заготовки - сталь 40ХН2МА. Як інструмент використовувалися відрізні різці з напаяними різальними пластинами і пластинами, закріпленими механічним способом з наступними геометричними параметрами різальної частини: =6, =8, ₁=230, =90, ₁=230. Матеріал різальної частини різців - твердий сплав Т5К10. Виліт відрізних різців L при різанні складав 250мм і був однаковим для всіх досліджуваних конструкцій інструмента.

При випробуваннях проводилося дев'ять серій експериментів з різними значеннями подачі інструмента s і швидкості різання V.

Аналіз отриманих у результаті експерименту сигналів виконувався з використанням дискретного перетворення Фур'є за допомогою пакета MathCAD і програмного комплексу SpectraLAB. Попередньо для визначення амплітуди поперечних коливань відрізних різців проводилося векторне підсумовування записаних сигналів коливань у тангенціальному і радіальному напрямку. Для відсівання випадкових пікових значень амплітуд, що спотворюють реальну картину процесу, використовувалося усереднення амплітуди сигналу. Усереднення амплітуди сигналу здійснювалося за допомогою пакета SpectraLAB і полягало в розподілі сигналу на 20 діапазонів, що підсумовувались і, по одержуваній сумі, обчислювалося середнє значення (функція “Peek Hold”). Після попередньої обробки сигналу обчислювалося дискретне перетворення Фур'є. Результатом обчислення дискретного перетворення Фур'є було одержання амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) процесу коливань.

Для збірних різців зі збільшенням швидкості різання спостерігається ріст амплітуди, а при збільшенні подачі - її зниження. Залежність амплітуди коливань напайних відрізних різців від швидкості різання не є однозначною, вона має екстремальний характер. Так, процес відрізки деталі напайними різцями характеризується наявністю областей швидкостей різання, у яких спостерігаються максимальні значення амплітуд коливань інструмента.

Аналіз отриманих результатів свідчать про незначний вплив подачі інструмента і швидкості різання на частоту коливань для відрізних різців. Частота коливань відрізних різців у процесі різання визначається переважно масами і жорсткістю відрізних різців, жорсткістю оброблюваної на верстаті деталі, а також жорсткістю вузлів металорізального верстата.

Для перевірки адекватності математичної моделі коливань збірних відрізних різців у процесі різання виконувалося порівняння залежностей отриманих розрахунковим шляхом і залежностей отриманих експериментально. Аналіз показав адекватність пропонованої математичної моделі. Розбіжність між теоретичними й експериментальними даними не перевищує 15%.

Розроблена нова конструкція збірного відрізного різця із клиновим кріпленням різального елемента впроваджена на ВАТ “КЗТС”, запропоновані рекомендації по експлуатації зазначеного інструмента при відрізуванні на важких токарських верстатах. Впроваджена прикладна програма для ПЕОМ розрахунку міцності різальних пластин важконавантаженого інструмента, та методика прогнозування на стадії проектування переважного виду відмови відрізних різців у залежності від їх динамічних характеристик.

Висновки

1. У роботі на основі аналітичних і експериментальних досліджень вирішена актуальна задача підвищення ефективності збірних відрізних різців для важких верстатів шляхом створення нових конструкцій інструмента, які володіють підвищеною жорсткістю вузла кріплення різального елемента і міцністю, що забезпечує підвищення продуктивності відрізних операцій.

2. Розроблено прикладну програму для ПЕОМ розрахунку тривимірного напружено-деформованого стану різальних пластин відрізних різців для важких верстатів, що дозволяє визначати величину нормальних і еквівалентних напружень у пластинах складної конфігурації і оцінювати їхню міцність.

3. Встановлено специфічні для відрізних різців закономірності розподілу нормальних і еквівалентних напружень у різальних пластинах. Поблизу передньої поверхні пластини за зоною контакту зі стружкою виявлене місце розташування зони дії максимальних еквівалентних напружень, де можливе зародження тріщин, що приводять до руйнування твердого сплаву.

4. Встановлено зв'язок між шириною різальної пластини l і її товщиною s. Для l=12мм не доцільно призначати s більш 0,85l, а при збільшенні l до 24мм, s рекомендується приймати: для l=(16...20)мм - s=(0,5...0,4)l, а для l=24мм - s=0,25l. У цьому випадку максимальні еквівалентні напруження, що виникають у небезпечних перерізах, приблизно однакові при різній ширині різальної пластини.

5. Довжина різальної пластини мало впливає на величину еквівалентних напружень, причому зі збільшенням довжини понад 20мм вони залишаються практично незмінними. Тому довжину різальної пластини варто призначати з погляду її надійного закріплення і вільного сходу стружки.

6. Форма опорної поверхні різальної пластини впливає на розподіл і величину еквівалентних напружень. З погляду міцності і технологічності рекомендується приймати V-образну форму підстави пластин з кутом призми 2=120.

Література

1. С.Л. Миранцов, В.С. Гузенко, Л.М. Миранцов. Аналитическое исследование прочности режущей части отрезных резцов для тяжелых станков. //Надежность режущего инструмента и оптимизация технологических систем. Сб. статей. В 2-х т. - Краматорск: ДГМА, 1997. - Т.1. - С. 130-134.

2. В.С. Гузенко, Н.И. Зиновьев, С.Л. Миранцов. Особенности расчета прочности режущих элементов сложной пространственной конфигурации. //Резание и инструмент в технологических системах. - Харьков: ХГПУ, 1999 - С.31-34.

3. В.С. Гузенко, С.Л. Миранцов, В.Л. Федоров. Математическое моделирование динамического состояния тяжело нагруженного инструмента. //Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Международный сборник научных трудов. - Донецк: ДонГТУ, 1998. - Т.1. - С.220-223.

4. Н.И. Зиновьев, С.Л. Миранцов, Л.М. Миранцов. Динамическая модель сборных отрезных резцов для тяжелых станков. //Механіка та машинобудування. Науково-технічний журнал. - Харків: ХДПУ, 1998. - Вип №1. - С.154-159.

5. Гузенко В.С., Билык Г.Б., Веремей О.В., Миранцов С.Л. Программный комплекс для расчета и моделирования напряжений методом конечных элементов. //Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. - Краматорськ: ДДМА, 1999. - Вип. 9. - С.23 - 29.