Повышение производительности обработки отверстий путем выбора оптимальных режимов резания на основе анализа динамики процесса сверления

Обработка отверстий спиральными сверлами является одной из наиболее распространенных операций механической обработки, порядка 30% от общего объема продукции инструментального производства занимают спиральные сверла. В тоже время, в силу конструктивных особенностей спирального сверла (недостаточная жесткость, неблагоприятная геометрия режущей части у оси и т. д.) операция сверления является малопроизводительной.

Операция сверления зачастую лимитирует производительность в технологическом процессе механической обработки. В результате для обеспечения заданной производительности технолог вынужден назначать более интенсивные режимы резания, что в свою очередь, может существенно увеличить себестоимость обработки. Кроме того, при сверлении отверстий возникают различные динамические процессы, в том числе колебания спирального сверла, обусловленные относительно низкой жесткостью инструмента. В случае, когда амплитуда продольных колебаний превышает толщину срезаемого слоя, происходит периодический отрыв задней поверхности спирального сверла от поверхности резания. При этом процесс сверления сопровожда ется ударами и выкрашиванием режущих лезвий, интенсивным истиранием поверхностей направляющих ленточек, что существенно снижает стойкость инструмента. Переменный характер процесса резания, обусловленный колебаниями спирального сверла, может привести к преждевременному отказу и увеличению вариации стойкости режущих инструментов. В результате производительность операции сверления будет снижена вследствие увеличения доли времени на смену инструмента. В связи с этим выбор режимов резания при сверлении должен осуществляться с учетом влияния колебаний на стойкость инструмента. Однако, отсутствие экспресс-методики, позволяющей определить параметры колебаний при сверлении, и включающей расчет интенсивности износа режущего элемента, лимитирующего стойкость спирального сверла с учетом параметров колебаний инструмента, выбор оптимальных режимов резания и автоматизированный расчет выходных технологических параметров операции, приводит к снижению производительности и возрастанию затрат на механическую обработку, а также увеличивает трудоемкость технологической подготовки производства (Ulli).

Таким образом, исследования, направленные на разработку экспресс-методики выбора оптимальных режимов резания, обеспечивающей повышение производительности и снижение себестоимости обработки отверстий спиральными сверлами, являются актуальными.

Дель работы.

Повышение производительности и снижение себестоимости обработки отверстий спиральными сверлами путем выбора оптимальных режимов резания на основе анализа динамики процесса сверления с применением автоматизированного информационно-измерительного комплекса.

Исходя из цели диссертационного исследования и данных литературного обзора, были сформулированы следующие основные задачи;

1. Разработать расчетную схему и математическую модель процесса сверления, позволяющую на этапе 11 111 прогнозировать параметры колебаний, стойкость инструмента, трудоемкость и себестоимость операции сверления.

2. Установить зависимости частоты и амплитуды колебаний спирального сверла от режимов резания, обосновать влияние колебаний на интенсивность износа режущих элементов, лимитирующих стойкость инструмента.

3. Разработать экспресс-методику выбора оптимальных режимов резания при обработке отверстий спиральными сверлами, включающую определение параметров колебаний инструмента методом АЭ.

4. Разработать автоматизированный информационно-измерительный комплекс для определения оптимальных режимов резания при сверлении, обеспечивающий повышение производительности и снижение себестоимости обработки отверстий.

5. Провести апробацию результатов исследований в условиях производства.

Методы и средства исследования.

Теоретические и экспериментальные исследования проводились на базе научных основ технологии машиностроения, теории о резании металлов, математического моделирования. Обработка результатов экспериментальных исследований проводилась с помощью методов математической статистики.

Научная новизна.

1. Установлены зависимости между режимами резания, параметрами колебаний и интенсивностью износа спирального сверла, позволяющие прогнозировать стойкость инструмента, себестоимость и трудоемкость операции сверления.

2. Разработаны методические основы выбора режимов резания с учетом параметров колебаний спирального сверла при обработке, включающие систему ограничений, учитывающих себестоимость и трудоемкость операции сверления.

3. Разработана экспресс-методика определения оптимальных режимов резания методом акустической эмиссии (АЭ), позволяющая снизить трудоемкость проектирования операции сверления.

Практическая ценность.

1. Разработан автоматизированный информационно-измерительный комплекс для выбора оптимальных режимов резания, включающий:

— приспособления к металлорежущим станкам, позволяющие определить параметры колебаний спирального сверла при обработке (патенты Ш1 № 84 976,1Ш № 2 354 506);

— экспериментальную установку для экспресс-определения режимов резания при сверлении методом АЭ, включающую специальное программное обеспечение (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2 008 611 352), способ определения длины участка касания ленточками концевого инструмента поверхности обрабатываемого отверстия (патент 1Ш г.

2 395 372) и устройство для управления процессом обработки отверстий (патент RU № 2 362 655);

— установку для физического моделирования процесса износа;

— программное обеспечение для автоматизации этапов проектирования операции сверления.

2. Разработана математическая модель процесса сверления и программное обеспечение, включающее информационное сопровождение в виде баз данных (БД) «Коэффициенты математических моделей процесса сверления» и «Величины допустимого износа спиральных сверл» (свидетельства о государственной регистрации баз данных № 2 010 620 114, № 2 010 620 394), позволяющие автоматизировать этапы проектирования операции сверления.

Апробация работы.

Результаты диссертационного исследования докладывались на всероссийских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь» (г. Барнаул 2007, 2008, 2009), городской научно-практической конференции молодых ученых «Молодежь — Барнаулу» (г. Барнаул 2007). Результаты работы обсуждались на научных семинарах кафедр «Общая технология машиностроения» и «Технология автоматизированных производств» ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» в 2007 — 2010 гг.

Публикации.

Автором опубликовано 16 печатных работ, в том числе 3 — в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации работ соискателей научных степеней, получено 3 патента на изобретение, патент на полезную модель, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 2 свидетельства о государственной регистрации БД.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 150 страницах текста, содержит 47 рисунков, 21 таблицу, список литературы из 121 источника.