Интенсификация обработки плоскостей с учетом технологических требований на основе моделирования процесса фрезерования

Одной из основных задач науки о технологии машиностроения является снижение себестоимости продукции или повышение производительности обработки при обеспечении разнообразных технологических требований, в частности, к точности, шероховатости обработанной поверхности и износостойкости режущего инструмента. Решение этой задачи применительно к обработке плоскостей, поверхностей типа уступов сдерживается тем, что фрезерование торцовыми, концевыми и дисковыми фрезами является одним из сложных способов лезвийной обработки, зависящим от большого числа факторов, а также тем, что математические модели этих процессов недостаточно разработаны.

На практике, а также при разработке нормативов, рекомендаций по назначению режимов фрезерования эта задача решается на основании экспериментальных исследований. Эмпирический путь успешно использовался для оптимизации условий в конкретных условиях обработки, для доказательства достоверности разрабатываемых моделей, определения или уточнения эмпирических констант, однако в связи с огромным числом требуемых дорогостоящих и трудоемких опытов, а также при наличии разнообразных технологических ограничений он недостаточно эффективен.

Использование теоретического моделирования процесса фрезерования плоскостей и уступов сдерживалось недостаточно разработанными схематиза-циями процесса и теорией определения сил и температур фрезерования.

Таким образом, интенсификация обработки плоскостей с учетом технологических требований на основе использования экспериментальных и теоретических методов, а также учета ограничений не только с износостойкостью инструмента и шероховатостью обработанной поверхности, но и с точностью обработки актуальна как для науки о технологии машиностроения, так и для машиностроительного производства.

Целью работы является повышение производительности обработки плоскостей стальных деталей с учетом технологических требований к точности, шероховатости обрабатываемой поверхности, износостойкости режущего инструмента и других на основе экспериментального и теоретического исследования процесса фрезерования.

Методами исследований являются экспериментальные методы измерения погрешности и шероховатости обработанных поверхностей, сил резанияпланирование эксперимента и статическая обработка экспериментальных данных с целью их аппроксимации подходящими функциями теоретически определяемых факторовтеоретические методы расчета технологических составляющих силы фрезерования, температур на поверхностях режущего лезвия, точности, шероховатости обрабатываемой поверхности, износостойкости инструмента и интенсивности изнашивания режущего лезвия.

Практическая значимость диссертации заключена в разработке:

• программ для определения физических характеристик операций фрезерования плоскостей и уступов торцовыми, цилиндрическими, концевыми и дисковыми фрезерами;

• методики оптимизации параметров фрезерования при технологических требованиях и ограничениях, заключающейся в последовательности назначения конструктивных и геометрических параметров фрез, режимов резания;

• рекомендаций по обоснованию параметров конструкции фрезы и рациональных режимов резания операции восстановления профиля железнодорожных колес фрезерованием.

На защиту выносятся математические модели и программы для ЭВМ по расчету, моделированию характеристик фрезерования и интенсификации операций фрезерной обработки плоскостей и поверхностей типа уступов стальных деталей, с учетом ограничений по точности, шероховатости обработанной поверхности и износостойкости режущего инструмента.

Научная новизна.

•Установлено, что влияние условий резания на технологические характеристики может быть обобщено путем использования теоретически рассчитанных сил фрезерования и температур поверхностей режущего лезвия, характеристик изнашивания и износостойкости режущего инструмента.

•Выявлено, что силы фрезерования и температуры поверхностей режущего лезвия могут быть рассчитаны по экспериментальным или теоретическим данным о силах и температурах при точении на основе разработанной схематизации процессов фрезерования торцовыми, концевыми и дисковыми фрезами.

•Доказано, что влияние угла наклона режущей кромки на технологические составляющие силы фрезерования является следствием перпендикулярности плоскости стружкообразования режущей кромке.

•Установлено, что влияние расположения фрезы относительно фрезеруемой поверхности на характеристики процесса фрезерования может быть обоб-щено заданием двух значений глубины врезания в рабочей плоскости, характеризующих начало и конец работы зуба фрезы.

•Выявлено, что рассмотрение параметров срезаемого слоя относительно рабочей плоскости позволяет связать технологические характеристики, такие как ширина обрабатываемой поверхности и припуск, с параметрами процесса резания — глубинами врезания и глубинами резания.

•Установлено, что в условиях ограничений по допускаемым погрешностям обработанных поверхностей при рациональных значениях критерия затупления инструмента наибольшая минутная подача достигается при одновременной работе одного зуба фрезы и минимуме периода холостого хода, что связано с влиянием сил на задней поверхности инструмента.

•Выявлено, что при фрезеровании амплитуда колебаний температуры поверхностей режущего лезвия за его один оборот составляет около 70% от максимальной температуры, что объясняет существенное влияние частоты вращения фрезы на ее стойкость.

Практическая ценность диссертации заключена в разработке программ по расчету характеристики операций фрезерования и методики оптимизации операции фрезерования при ограничениях по точности, шероховатости обработанной поверхности и износостойкости режущего инструментаразработке рекомендаций по оптимизации конструкции фрезы и расчету рациональных режимов резания для операции восстановления профиля железнодорожных колес фрезерованием.

Реализации: полученная математическая модель интенсификации операции фрезерования и разработанные программы по определению характеристик процесса фрезерования, методика определения режимов резания и конструктивных параметров фрез, позволили разработать практические рекомендации по обоснованию диаметра фрезы, числа зубьев, угла наклона режущей кромки, критерия затупления, материала режущего инструмента, режимов фрезерования и др. Программы использовались в учебном процессе при проведении лабораторных работ, РГР, при разработке технологии восстановления профиля железнодорожных колес фрезерованием, анализа и совершенствования нормативов режимов фрезерования торцовыми, цилиндрическими, концевыми и дисковыми фрезами, а также для разработки практических рекомендаций для промышленности.

Апробация работы. Основные научные результаты работы докладывались на международных и межрегиональных конференциях и семинарах, проводившихся в г. г. Тюмени, Томске, Харькове, Екатеринбурге, Омске.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 1 монография и 3 работы в журналах, входящих в перечень рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК для опубликования материалов диссертационных работ, получено одно свидетельство государственной регистрации программ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 98 наименований, и 3 приложений. Основной текст изложен на 148 машинописных страницах, поясняется 81 рисунками и 13 таблицами. Общий объем работы составляет 161 страницу.

Основные выводы по работе.

1. Разработанные математическая модель и программы анализа операций фрезерования, позволили определять рациональные параметры фрез и режима резания, обеспечивающие максимальную производительность при соблюдении технологических требований к точности, шероховатости обработанной поверхности, износостойкости инструмента.

2. Выполненные исследования позволили установить связи факторов, характеризующих условия фрезерования, с технологическими характеристиками (погрешностями обработки, шероховатостью поверхности, износостойкостью инструмента), и обобщить их путем использования физических характеристик (сил, температур, интенсивностей изнашивания).

3. Разработанная схематизация операций фрезерования плоскостей и уступов, основанная на едином подходе к описанию различных способов лезвийной обработки, использование термомеханических моделей расчета сил и температур резания, позволили определять технологические составляющие силы фрезерования (Ру, Рн, Рш), температуры поверхностей режущего лезвия, интенсивности изнашивания и стойкость инструмента по известным экспериментальным или теоретическим данным при точении.

4. Установлена количественная зависимость соотношения интенсивностей изнашивания и стойкостей инструмента при фрезеровании и при точении от частоты вращения фрезы и показано, что уменьшение времени непрерывной работы зуба фрезы до затупления связано с колебаниями температур поверхностей режущего лезвия в период резания и холостого хода, которые согласно расчетам достигают 70% от максимальных.

5. Показано, что математическая модель интенсификации операции фрезерования, основанная на теоретически определяемых характеристиках процесса фрезерования, отражает влияние большего числа факторов и имеет более широкую область применения, чем модель, основанная на аппроксимации зависимости технологических ограничений от условий фрезерования эмпирическими функциями.

6. Разработанные программы использовались в учебном процессе при проведении лабораторных работ, РГР, при совершенствовании технологии восстановления профиля железнодорожных колес фрезерованием, анализе и совершенствовании нормативов режимов фрезерования торцовыми, цилиндрическими, концевыми и дисковыми фрезами, а также для разработки практических рекомендаций для промышленности.

Заключение

.

Выполненный анализ работ отечественных и зарубежных исследователей, выявил, что решение проблемы интенсификации фрезерования сдерживалось сложностью установления и обобщения связей различных технологических требований и характеристик процесса с условиями резания, а также отсутствием корректной схематизации и достоверных методов определения этих характеристик.

Экспериментальные исследования измерению погрешностей обработки, шероховатости обработанных поверхностей, сил резания проводились аттестованными приборами на базе Омского государственного технического университета, НИИД «Салют», а также совместно со Штутгартским университетом. Результаты экспериментов анализировались и сопоставлялись с известными экспериментальными данными других исследователей.

Выполненные экспериментальные исследования позволили установить, что зависимости погрешностей и шероховатости обработанной поверхности от большого числа факторов, характеризующих условия фрезерования могут быть обобщены использованием соответствующей составляющей силы фрезерования, перпендикулярной этой плоскости и жесткости технологической системыдля погрешности обработки, и соответствующей составляющей силы фрезерования и температурой — для шероховатости.

Доказано, что технологические составляющие силы фрезерования Ру, РЬ, могут быть с достаточной достоверностью (в пределах точности эксперимента) определены по экспериментальным или теоретическим данным о силах при точении.

Установлено, что зависимости рациональной скорости фрезерования для быстрорежущего и твердосплавного инструмента, соответствующей максимальному пути резания или минимальной средней интенсивности изнашивания, могут быть определены из условия постоянства температуры резания на основе анализа зависимостей температуры от факторов, характеризующих условия резания.

Разработанная математическая модель интенсификации операции фрезерования позволяет определить оптимальные режимы резания с учетом технологических ограничений, полученных на основе аппроксимации экспериментальных результатов эмпирическими степенными функциями, только в той области, в которой проводились эксперименты и с учетом только исследованных факторов. Изменение конструкции фрезы или режимов резания требует проведения дополнительных экспериментальных исследований для уточнения эмпирических констант аппроксимирующих функций.

Разработана схематизация операции фрезерования, основанная едином подходе к представлению различных способов лезвийной обработки в четырех плоскостях (основной, рабочей, плоскости стружкообразования и резания), раздельно учитывающая силы на торцовой и периферийной части фрезы, на передней и задней поверхности режущего лезвия и основанная на гипотезе о перпендикулярности плоскости стружкообразования режущей кромке.

Обобщено влияние расположения фрезы относительно фрезеруемой поверхности (лобовое, боковое, симметричное, несимметричное) путем введения двух значений глубины врезания (ен и ек) в рабочей плоскости, характеризующих начало и конец работы зуба фрезы, вместо ранее использовавшегося одного параметра е.

На основе единой обобщенной схематизации для процессов точения и фрезерования и использования известной термомеханической модели расчета сил и температур при точении (ТЕРМ), разработаны формулы, алгоритмы и программы для теоретического определения и моделирования технологических составляющих силы фрезерования, мощности, крутящего момента при обработке плоскостей торцовыми и цилиндрическими фрезами, а также уступов концевыми и дисковыми фрезами.

Достоверность теоретического определения сил и температур фрезерования подтверждена сопоставлением отношения дисперсии адекватности к дисперсии эксперимента с критерием Фишера.

Теоретически оцененное влияние отвода теплоты в режущее лезвие фрезы на температуры поверхностей зуба фрезы, позволило выявить влияние ширины фаски износа по задней поверхности, диаметра фрезы, наибольшего угла контакта зуба с обрабатываемой деталью на количество теплоты, отводимое в инструмент, и уточнить рассчитываемую температуру на 5−10% в зависимости от условий фрезерования.

Установлено, что в условиях ограничений по допускаемым погрешностям обработанных поверхностей при рациональных значениях критерия затупления инструмента наибольшая минутная подача, как правило, достигается при одновременной работе только одного зуба фрезы и минимуме периода холостого хода. Это связано с тем, что при фрезеровании в большинстве случаев силы на задней поверхности инструмента превосходят силы на передней поверхности.

Теоретически установлено, что при фрезеровании температуры поверхностей режущего лезвия в период холостого хода уменьшаются примерно на 70% от максимальной температуры. Это является причиной возникновения температурных деформаций и напряжений и объясняет существенное уменьшение стойкости твердосплавных фрез с увеличением частоты вращения.

На основе сопоставления экспериментальных данных о зависимостях интенсивности изнашивания режущего лезвия от температуры при точении и фрезеровании уточнена формула для оценки стойкости твердосплавной фрезы, учитывающая не только влияние критерия затупления и интенсивности изнашивания при точении, но и частоты вращения фрезы.

Полученные решения задачи расчета и моделирования характеристик процесса фрезерования позволили существенно сократить объем экспериментальных исследований или полностью их исключить. В условиях производства это даст возможность сократить затраты материальных ресурсов и времени на создание и отработку технологических процессов.

Разработанные программы использовались в учебном процессе при проведении лабораторных работ, РГР, при совершенствовании технологии восстановления профиля железнодорожных колес фрезерованием, анализе и совершенствовании нормативов режимов фрезерования торцовыми, цилиндрическими, концевыми и дисковыми фрезами, а также для разработки практических рекомендаций для промышленности.

Кроме этого, полученные теоретические и практические результаты являются определенным вкладом в теорию резания материалов и технологию машиностроения.