Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Повышение производительности фрезерования изделий из конструкционных углеродистых сталей на основе диагностирования состояния твердосплавных торцевых фрез

Диссертация: Повышение производительности фрезерования изделий из конструкционных углеродистых сталей на основе диагностирования состояния твердосплавных торцевых фрез
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Наиболее распространенным инструментальным материалом при такой обработке является твердый сплав. В настоящее время режущим инструментом из твердого сплава обрабатывается до 60−65% заготовок из различных материалов. В автомобильной промышленности Японии доля торцевых фрез оснащенных твердым сплавом достигает 70%. Благодаря своей высокой твердости, теплостойкости и износостойкости твердый сплав… Читать ещё >

Повышение производительности фрезерования изделий из конструкционных углеродистых сталей на основе диагностирования состояния твердосплавных торцевых фрез (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Ю
  • ГЛАВА 2. АНАЛИЗ РАЗРУШЕНИЯ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ТОРЦЕВЫХ ФРЕЗ. КРИТЕРИИ СОСТОЯНИЯ И ОТКАЗА ИНСТРУМЕНТА
    • 2. 1. Начальное состояние твердосплавных пластин торцевых фрез
    • 2. 2. Изменение радиуса округления режущих кромок твердосплавных пластин при торцевом фрезеровании конструкционных углеродистых сталей
    • 2. 3. Особенности изнашивания твердосплавных торцевых фрез при обработке конструкционных сталей
    • 2. 4. Критерии состояния и отказа для пластин без и с износостойким покрытием
  • ГЛАВА 3. ВИБРОАКУСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ПРИ ТОРЦЕВОМ ФРЕЗЕРОВАНИИ
    • 3. 1. Информационно-измерительные системы для контроля вибраций
    • 3. 2. Исследование особенностей изменения параметров виброакустического сигнала при однозубом торцевом фрезеровании
    • 3. 3. Исследование особенностей изменения параметров виброакустического сигнала при симметричном торцевом фрезеровании
    • 3. 4. Исследование реакции виброакустического сигнала на поломку зубьев фрезы
  • ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ТОРЦЕВОМ ФРЕЗЕРОВАНИИ
    • 4. 1. Методика исследования составляющих Бу и Бь при симметричном торцевом фрезеровании
    • 4. 2. Разработка методики расчета мгновенных значений составляющих ¥-у и по измеренным составляющим ¥-л, и
  • ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ТОРЦЕВОМ ФРЕЗЕРОВАНИИ
    • 5. 1. Разработка аналитических зависимостей, описывающих влияние факторов процесса резания на составляющие силы резания с учетом изнашивания инструмента
    • 5. 2. Математическое обеспечение алгоритма для выбора и расчета предельного значения силового диагностического признака
    • 5. 3. Оценка увеличения производительности фрезерования торцевыми фрезами при применении диагностирования их состояния
    • 5. 4. Методика диагностирования состояния твердосплавных торцевых фрез при обработке конструкционных сталей

Основой технического прогресса в машиностроении является внедрение автоматизированного и автоматического технологического оборудования с ЧПУ, которое эксплуатируется как автономно, так и в составе ГПС. Однако высокая стоимость такого оборудования и связанная с ней высокая стоимость станкоминуты, вызывает необходимость повышения эффективности его эксплуатации путем сокращения машинного и вспомогательного операционного времени, как в безлюдном режиме, так и с ограниченным участием оператора. Максимальный экономический эффект использования такого оборудования достигается при непрерывной круглогодичной эксплуатации [1]. Это осуществимо при обеспечении высокой надежности работы всех компонентов таких технологических систем.

Исследования и производственный опыт показывают, что наибольшая доля отказов автоматических линий массового производства связана с отказами режущих инструментов. Инструмент — особый элемент технологической системы механической обработки, характеризующийся повышенными нагрузками на его режущую часть, что вызывает многообразные виды повреждений, связанных с износом, поломками, выкрашиванием режущей кромки и др. При этом скорость изнашивания инструмента значительно выше скорости изнашивания деталей и узлов технологического оборудования (станков, приспособлений и т. д.). Поэтому инструмент является наиболее слабым звеном по надежности в автоматизированных технологических системах, так как изнашивание инструмента в отличии от других повреждений, обязательно приведет к отказу технологической системы в целом, если не будет выполнена его предупредительная замена на дублирующий.

Как показывает отечественный и зарубежный опыт при эксплуатации.

ГПС с целью обеспечения высокой надежности режущего инструмента, режимы резания обычно назначают на 20−30% ниже нормативных. При этом 4 доля простоев оборудования, связанная с заменой затупившегося инструмента, может составлять более 40% от вспомогательного операционного времени [1,2].

Сокращение времени простоев оборудования, связанных с заменой затупившегося инструмента, возможно в случае его своевременной замены в инструментальном магазине станка без остановки последнего. Для этого система автоматизированного управления в каждый момент времени должна иметь информацию о текущем состоянии каждого из режущих инструментов и соответствующем этому состоянию оставшемся ресурсе их работы. На основе сопоставления оставшегося ресурса инструмента и заранее известного машинного времени, необходимого для обработки детали, система выбирает из числа дублирующих, находящихся в магазине станка, инструмент с достаточным для обработки остаточным ресурсом. Вышеизложенное практически исключает возможность отказа инструмента в процессе обработки детали. Замена затупившегося инструмента осуществляется в магазине станка без его остановки. Кроме того, наличие текущей информации о состоянии инструмента позволяет не занижать режимы резания с целью обеспечения его надежности, как это делается в настоящее время.

Одним из распространенных видов металлообработки является фрезерование, которое имеет широкое применение в машиностроении, в частности, при обработке плоскостей призматических деталей из конструкционных углеродистых сталей, таких как корпуса, штампы и др.

Наиболее распространенным инструментальным материалом при такой обработке является твердый сплав. В настоящее время режущим инструментом из твердого сплава обрабатывается до 60−65% заготовок из различных материалов [3]. В автомобильной промышленности Японии доля торцевых фрез оснащенных твердым сплавом достигает 70% [22]. Благодаря своей высокой твердости, теплостойкости и износостойкости твердый сплав обеспечивает скорость резания в 2,5.3 раза выше по сравнению с 5 быстрорежущей сталью. Являясь высокопроизводительным инструментальным материалом твердый сплав обладает таким недостатком как высокая хрупкость. По данным Г. Л. Хаета [10], структура отказов твердосплавных торцевых фрез при обработке конструкционных углеродистых сталей в производственных условиях следующая: 25−30% приходится на изнашивание, 75% на хрупкое разрушение: из них 50% происходит из-за скалывания, 25% из-за выкрашивания.

Получение текущей информации о состоянии инструмента в процессе резания невозможно методами непосредственного измерения, так как рабочие поверхности подлежащие контролю находятся непосредственно в зоне резания и недоступны для современных измерительных систем. Поэтому информация о текущем состоянии режущего инструмента может быть получена только с использованием систем диагностирования.

Оснащение современных фрезерных станков системами диагностирования состояния инструмента ограничено вследствие их недостаточной достоверности и сложной реализации [9].

Для создания систем диагностирования необходим комплекс теоретических и экспериментальных исследований по расчету и выбору наиболее информативного диагностического признака, адекватно отображающего реальное состояние инструмента.

Цель работы. Повышение производительности фрезерования твердосплавными торцевыми фрезами изделий из конструкционных углеродистых сталей на основе диагностирования состояния инструмента, основанного на комплексном анализе силовых параметров процесса и виброакустического сигнала.

Методы и средства исследования. Теоретические исследования проведены на основе базовых положений теории резания материалов, технологии машиностроения, математического моделирования. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием современного оборудования и измерительных средств. Обработка результатов исследований осуществлялась с использованием специализированного ПО.

Научная новизна работы состоит в:

• выявленном характере изменения радиуса р по мере изнашивания твердосплавных пластин по задней поверхности при торцевом фрезеровании изделий из конструкционных углеродистых сталей и его влияния на составляющие силы резания;

• аналитических зависимостях для определения силовых параметров, учитывающих влияние износа инструмента и режимов резания при фрезеровании изделий из конструкционных углеродистых сталей твердосплавными торцевыми фрезами;

• установленной взаимосвязи между поломкой зубьев твердосплавной торцевой фрезы и разницей между максимальными и минимальными значениями уровня виброакустического сигнала за время оборота фрезы;

• методике диагностирования состояния торцевых фрез, основанной на комплексном анализе силовых параметров процесса и уровня виброакустического сигнала.

Практическая ценность работы заключается в:

• рекомендациях по выбору предельных величин допускаемого износа твердосплавных торцевых фрез;

• разработанных рекомендациях и аппаратуре для измерения составляющих силы резания при фрезеровании с помощью динамометра повышенной жесткости;

• разработанном алгоритме и программном комплексе для выбора и расчета предельного значения силового диагностического признака состояния инструмента при фрезеровании твердосплавными торцевыми фрезами изделий из конструкционных углеродистых сталей.

Апробация и реализация результатов работы.

Результаты работы были доложены на Международной научнотехнической конференции «Модернизация машиностроительного комплекса.

России на научных основах технологии машиностроения-2011″ в Брянске,.

Международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии-2011» в Томске,.

Инновационные технологии в машиностроении — проблемы, задачи, решения-2012″ в Орске, а также были удостоены серебряной медали XIV.

Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед-2011» .

Работа выполнялась в рамках госконтракта № 02.740.11.0176 от.

25.06.2009 на проведение НИОКР «Проведение коллективом государственного инжинирингового центра МГТУ „СТАНКИН“ исследований по разработке и практической реализации принципов мониторинга и диагностики состояния металлообрабатывающих станков и инструментов при изготовлении высокотехнологичной машиностроительной продукции» и госконтракта № 14.740.11.0148 от 13.09.2010 на проведение 8.

НИОКР «Проведение коллективом научно-образовательного центра „Перспективные технологии, инструмент и оборудование для оборонных и гражданских отраслей машиностроения“ работ по созданию инновационных конструкций твердосплавного фрезерного инструмента для многоцелевых станков автоматизированных машиностроительных производств» ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».

Созданный в результате выполнения работы программный комплекс для выбора и расчета предельного значения силового диагностического признака состояния инструмента при фрезеровании прошел успешные производственные испытания и рекомендован к использованию на ОАО «Станкоагрегат» (г. Москва) и ОАО «НПО «Квант» (г. Великий Новгород).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК и 1 патент РФ на изобретение № 2 411 471.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. В работе решена актуальная для современного машиностроения и металлообработки научно-техническая проблема, состоящая в повышении производительности фрезерования твердосплавными торцевыми фрезами изделий из конструкционных углеродистых сталей на основе диагностирования состояния инструмента, основанного на комплексном анализе силовых параметров процесса и виброакустического сигнала.

2. На основе экспериментальных исследований радиуса округления режущей кромки твердосплавных пластин установлено, что режущие пластины без покрытия имеют радиус округления Р в диапазоне 13−42 мкм, а с покрытием 16−55 мкм, что приводит к значительному разбросу величин составляющих силы резания при работе острым инструментом. С увеличением износа пластин, сопровождающегося сколами на микроуровне, радиус округления уменьшается до 4−13 мкм и практически не влияет на величину прироста составляющих силы резания в процессе фрезерования.

3. Экспериментально показано, что в качестве «аварийного» диагностического признака, отвечающего за выявление поломки зубьев в процессе торцевого фрезерования, может быть использовано увеличение разницы между максимальным и минимальным значениями виброакустического сигнала за время оборота фрезы. При этом рост амплитуды виброакустического сигнала в октаве с центральной частотой в 1кГц может увеличиваться в 3−6 раз.

4. На основе экспериментальных исследований силовых параметров в широком диапазоне режимов резаний при фрезеровании твердосплавными торцевыми фрезами установлено, что развитие износа инструмента приводит к монотонному увеличению не только силы Бу, но и силы При симметричном фрезеровании динамика изменения сил и ¥-у при |/ > 90° практически зеркально отражается силами и.

5. Разработанная методика и программа моделирования силовых параметров позволяет получить зависимости составляющих силы резания от износа инструмента и обеспечивает при фрезеровании изделий из конструкционных углеродистых сталей твердосплавными торцевыми.

128 фрезами выбор наиболее информативного диагностического признака в зависимости от условий эксплуатации инструмента.

6. Разработанный алгоритм и программный комплекс для выбора и расчета предельного значения силового диагностического признака состояния инструмента при фрезеровании твердосплавными торцевыми фрезами внедрены в образовательный процесс ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» в рамках дисциплины «Надежность и диагностика технологических систем».

7. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также производственных испытаний, установлено, что использование разработанного алгоритма и программного комплекса для диагностирования состояния инструмента при обработке изделий из конструкционных углеродистых сталей твердосплавными торцевыми фрезами позволяет повысить производительность операций торцевого фрезерования до 30%.

Показать весь текст

Список литературы

  1. В.Н., Васильев С. В. Гибкие производственные системы Японии. Экспресс информация. М.: НИИ экономики, организации производства и технико-экономической информации в энергетическом машиностроении. — 1985. — С. 46.
  2. Е.В., Лихцер Г. М. Диагностика состояния инструмента по силовым характеристикам процесса резания. Обзор. М.: ВНИИТЭМР. Вып.7, 1988. — С.40
  3. Справочник конструктора инструментальщика М.: Машиностроение.2006 — С. 20.
  4. Ю. Д. Комплексное проектирование инструментальной оснастки. М.: Машиностроение, 1987. — 344 с.
  5. Andreas Kirchheim, Peter Wolfer, Michael Kaever, Martin Reuber. Ims-SIMON-Sensor fused intelligent monitoring system for machining
  6. Abrari F, Elbestawi M.A., Spence A.D. On the dynamics of ball-end milling modeling of cuttiug forces and stability analysis (1998). Int Mach Tool Mann. 38(3). 215−237
  7. Altintas Y., Lee P. Mechanies and dynamics of ball end milling (1998) J Manuf SeiE-T ASME 120: 684−691
  8. T. S. Lee and Y.J. Liu A 3D Predictive Cuttiung Force Model for Eud Milling of Parts Haviug Sculptured Surfaces. Int J Adv Manuf Technol. 2000. 16: 773−783
  9. R.Teti, K. Jemielniak, G. O’Donnell, D. Dornfeld. Advanced monitoring of machining operations. CIRP Annals Manufactruing Technology 59 (2010) p. 717−739.
  10. Диагностика автоматизированного производства / C.H. Григорьев, В. Д. Турин, М. П. Козочкин и др. — под ред. С. Н. Григорьева, М.: Машиностроение, 2011 .-600с.
  11. С.М., Мухин М. А. Анализ развития работ по обеспечению надёжности процесса резания // Станки и инструмент. 1993 — № 6 -С.16−18.
  12. А.Г., Павленко В. Д. и др. Автоматический контроль состояния режущего инструмента по топографии его износа // Металлорежущие станки. Республиканский межведомственный науч.- техн.сб. Киев. Texnika. — 1986. — № 4 — С.53−55.
  13. Comment controber l’usure des ontils de coupe // Maschine moderne, -1984, 3, special.-P. 13−15
  14. Rechnergesturestutzes optish-elektrish Sensorsystem. //Industri Anzeiger.- 1985, Jd. 107, N35−36.-S. 18−21.
  15. А.Г. Разработка методов контроля и диагностики резцов с использованием теории распознавания образов: Автореферат канд. дис. М.: Ун-т. Дружбы народов им. П. Лумумбы. — 1985, 17 с.
  16. A.B. Контроль состояния режущего инструмента. М.: ВНИИТЭМР, 1986.-С.44.
  17. С.М., Васильев C.B. Контроль состояния режущего инструмента на станках с ЧПУ. Обзор. М.: НИИМАШ. 1983, 52 с.
  18. Л.Н., Сахаров М. Г., Антипов В. И. Автоматическое управление точностью обработки на токарных станках с ЧПУ. — М.: ВНИИТЭМР, 1985. 48 с.
  19. С.М. Состояние и тенденции развития способов прогнозирования периодов стойкости режущего инструмента: Обзор информации. М.: ВНИИТЭМР, 1985. -С.44.
  20. C.B. Использование электрических явлений при резании для коррекции режимов обработки: Методические рекомендации. М.: ЭНИМС, 1981-С.16.
  21. Автоматический контроль износа инструмента по температуре резания. Технология, оборудование, организация и экономикамашиностроительного производства: Экспресс-информация, Режущие инструменты, М.: ВНИИТЭМР, 1985. — № 2. — С.4−9.
  22. Т.Н., Бокучава Г. В. Исследование износа алмазного абразивного инструмента. Труды гпи, 1965, № 3,c.I8I-20I.
  23. В. М. Контроль в ГАП. JI.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1986. — 232 с.
  24. Storkmann P. Integrirte Messteuerrung einer Drehmashine // Werkstatt und Betried. 1972. v. 109, N9.
  25. М.П. и др. Диагностика режущего инструмента на станках с СПУ по акустическому сигналу: Метод, рекомендации. -М.: ЭНИМС. 1984.-29 с.
  26. А.В. Применение метода акустической эмиссии в условиях гибких производственных систем. М.: ВНИИТЭМР, 1986, 56 с.
  27. М. П. Особенности вибраций при резании материалов // СТИН. 2009. № 1. С. 29−35.
  28. Kozochkin М.Р., Kochinev N.A., Sabirov F.S. Diagnostics and monitoring of complex production processes using measurement of vibration-acoustic signals. // Measurement Techniques, Springer New York.Vol. 49, No 7, 2006, p. 672−678.
  29. И. Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. Л., Машиностроение, 1986, — 184 с.
  30. М. П., Гусев А. В., Порватов А. Н. Разработка мобильных систем для мониторинга и диагностики станочных узлов // «Справочник.Инженерный журнал», № 3. 2011. С. 20−23.
  31. М.П. Виброакустическая диагностика технологических процессов./М.: ИКФ «Каталог». 2005. 196 с.
  32. В. Удар. Теория и физические свойства соударяемых тел./ М.: Изд. л-ры по строит. 1965. 448 с.
  33. В.А., Григорьев С. Н. Надёжность и диагностика технологических систем. М.: Высшая школа, 2005. 343с.
  34. J.M. Vieira, A.R. Machado, Е.О. Ezugwu. Performance of cutting fluids during milling of steels. Journal of Materials Processing Technology 116 (2001). p. 244−251.
  35. В.Д. Повышение надежности фрезерования сталей за счет диагностирования состояния инструмента по силовым диагностическим признакам. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Москва, МГТУ «Станкин», 2004.
  36. В.Д. Повышение эффективности фрезерования на станках с ЧПУ путем комплексного диагностирования состояния инструмента в релаьном времени. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. Москва, МГТУ «Станкин», 2011.
  37. С. Scheffer, P. S. Heyns, Wear monitoring in turning using vibration and strain measurements, Mechanical Systems and Signal. Processing 15 (6) (2001) 1185−1202.
  38. G. Byrne, D. Dornfield, I. Inasaki, G. Kettler, W. Konig, R. Teti, Tool condition monitoring (TCM)—the status of research and industrial applications, Annals of CIRP 44 (1995) 541−567.
  39. R.K. Dutta, S. Paul, A.B. Chattopadhyay, Fuzzy controlled backpropagation neural network for tool condition monitoring in face milling, International Journal of Production Research 38 (13) (2000) 29 893 010.
  40. H.H. Вопросы механики процесса резания металлов.: М., Машгиз, 1956, С. 367.
  41. W. Konig, К. Langhammer, H.U. Schemmel and R-W.Th, «Correlation between cutting force components and tool wear», Annals CIRP, 21, pp. 19−20, 1972.
  42. M. A. Elbestawi, Т. A. Papazafiriou and R. X. Du, «In-process monitoring of tool wear in milling using cutting force signature», International Journal of Machine Tools and Manufacture, 31, pp. 55−73, 1991.
  43. C.C. Основы теории фрезерования, т.1, Киев, 1963, С. 225.
  44. A.M., Ерёмин А. Н. Элементы теории процесса резания металлов. Свердловск, Машгиз, 1956,318 с.
  45. L. С. Lee, К. S. Lee and С. S. Gan, «On the correlation between dynamic cutting force and tool wear», International Journal of Machine Tools and Manufacture, 29, pp. 295−303, 1989.
  46. Joel Rech. Cutting edge preparation and surface issues. HSS Forum’s International Conference «Smart solutions for metal cutting «, Aachen, 2−3 February 2005
  47. В.Д., Григорьев C.H., Алешин C.B., Семенов В. А. Диагностирование состояния концевых фрез по силовым параметрам. // «ИТО: инструмент, технология, оборудование». № 6 (95), 2005. — С. 15−19.
  48. С.Н., Турин В. Д., Туманов А.А Конструкция и устройство динамометра для фрезерования деталей в автоматизированном производстве // Метрология. 2011, № 8. С. 26−32.
  49. С целью повышена ^ ВЪШ) Де из строя инструментаинструмент И затрат на оран, пол юемыи. к «СТАНКИН"технологического перехода, в 1У до завершения т. хнол^шеи тгчета мгновенных значении
  50. Е^кгь 6» и— -««-"л, «. «««спромышленного ПК). испытания на фрезерном
  51. Разработанная сшпш «Р"^ № 1Чиашты11, выл «р»» собрабатывание, с&bdquo- Ч11У черезвходам я/выходами контролера -→¦•>)
  52. В результате испытаний удалось повысить производительность обработки на15.25%.
  53. От ФГБОУ ВПО М. ГТУлхСТ АН КИИ»
  54. Директор Пол «технического института НовГУ, заведующийпрофессортАРТР Жш1. Тимофеев1. В. Д. Гурии А. А. Туманов
  55. ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО
  56. Москва, 109 202, Перовское шоссе, 21 Телеграф: Москва, 109 202, Факс: 170−75−30 Тел: 171−43−231. От >г1. H-l № 1. СПРАВКАоб испытании в производственных условиях программного комплекса для диагностирования состояния твердосплавных торцевых фрез
  57. Испытания проводились при торцевом фрезеровании изделий из конструкционных углеродистых сталей твердосплавными торцевыми фрезами.
  58. Испытания показали, что программный комплекс обеспечивает диагностирование износа режущих пластин, поломку зубьев, сокращение количества брака деталей и за счет этого повысить производительность операций торцевого фрезерования до 30%.
  59. Директор по кадрам и соц. вопросаш1. WV В.А. Исайков1. РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ19) О
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!