/>МІНІСТЕРСТВООСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Національний університет«Львівська політехніка»
Кафедра «Технології машинобудування»
Реферат
”Ефективністьвикористання універсальних різців. Проектування спрощеної конструкції державкирізців”
Львів– 2008 р.
Зміст
Âñòóï
1.Аналіз існуючих систем токарного інструменту
2.Вибір методики досліджень статичної жорсткості конструкцій різців, визначенняприпустимих подач, опис використовуваних пристроїв, методики статистичноїобробки експериментальних даних
3. Розроблення система залежностей длявизначення геометричних і конструктивних параметрів робочої частини при їїповороті навколо осі
4.Дослідження напружено-деформованого стану елементів різця з поворотною робочоючастиною
5. Математичний опис умовзакріплення поворотної робочої частини на державці різця
Висновки
Література
Вступ
Сучаснемашинобудівне виробництво повинно бути орієнтованим на вимоги ринку, якомогаширше задовольняючи його запити. Це значить, що виробництво повинно бутигнучким і високоорганізованим, швидко переналагоджуватися на випуск новоїпродукції невеликими партіями або окремими екземплярами машин, використовуючипри цьому переваги організації масового виробництва. Такому типу виробництваповинно відповідати і його інструментальне забезпечення, що дозволитьреалізувати гнучкість без значних витрат на інструмент.
Існуючісистеми токарних різців для зовнішнього точіння на середніх верстатахформуються на основі стандартних конструкцій. У цьому випадку необхіднийдіапазон головних кутів у плані перекривається окремими конструкціями різальнихпластин, що закріплюються на державках, які відповідають пластинам. Цеприводить до того, що номенклатура різців обчислюється сотнями типорозмірів.Наприклад, кількість типорозмірів інструментів на Волгоградському іХарківському тракторних заводах становить відповідно 10900 і 9400, у тому числікількість типорозмірів різців — 3700 і 3400. При цьому різці, які рідкозастосовуються, більшу частку часу зберігаються в інструментальній коморі,займаючи складські приміщення й збільшуючи витрати підприємства.
Аналізтенденцій сучасного розвитку інструментального виробництва показує, щогнучкість інструмента досягається за рахунок відокремлення робочої частини віддержавки або забезпечення можливості установки на ту саму державку заміннихвставок або різальних пластин. Це реалізовано в модульних конструкціяхінструментів або універсально-збірних інструментах. Разом з тим, як показаваналіз вітчизняної технічної літератури й патентних матеріалів, починаючи з50-х років 20-го століття, у публікаціях є відомості про конкретні конструкціїінструмента підвищеної універсальності. При цьому повністю відсутня інформаціяпро особливості його проектування, оптимальні геометричні параметри, прометодики визначення технічних обмежень, що накладаються на режими обробки, провплив кількості елементів робочої частини і стиків між ними на піддатливістьтехнологічної системи.
Узв’язку із цим, розробка нових конструкцій інструмента підвищеноїуніверсальності з оптимальними геометричними параметрами робочої частини тастворення інструментальних систем на основі таких конструкцій, є актуальноюзадачею. Це рівною мірою стосується й токарних різців, у яких розширенняобласті їх застосування відбувається за рахунок повороту робочої частини.
Мета дослідження– зниження номенклатури державок різців і різальних пластин, які входять досистеми токарного інструмента, за рахунок створення універсальних токарнихрізців з оптимальними геометричними параметрами поворотної робочої частини.
Об’єктом дослідження єконструкції токарних різців з поворотною робочою частиною.
Предметом дослідженняє геометричні і конструктивні параметри робочої частини при її поворотівідносно державки, умови закріплення робочої частини на державці,напружено-деформований стан елементів різця, які у сукупності визначаютьтехнічні й технологічні можливості інструмента.
Методи дослідження.Теоретичні методи, що базуються на положеннях векторної алгебри і аналітичноїгеометрії, застосовувалися при виведенні формул для визначення геометричних іконструктивних параметрів робочої частини універсально-збірних різців, а такожпри прогнозуванні величини шорсткості обробленої поверхні. Математичнемоделювання з використанням методів теоретичної механіки використовували дляоцінки умов закріплення робочої частини на державці різця та прогнозуваннярежимів обробки, що допускаються цими умовами. Дослідженнянапружено-деформованого стану робочої частини універсально-збірних різціввиконували за допомогою твердотільного моделювання й чисельного розрахунку наоснові методу кінцевих елементів. Адекватність розроблених математичних моделейі даних, отриманих за допомогою чисельного розрахунку, підтверджували задопомогою експериментальних досліджень.
1. Аналіз існуючих систем токарного інструменту
Сьогоднісистеми токарного інструмента розробляються на основі модульних, багатофункціональнихі стандартних конструкцій. У системах токарних різців на базі стандартнихконструкцій необхідний діапазон головних кутів у плані перекривається окремимиконструкціями різальних пластин, які закріплюються на державках, щовідповідають пластинам. Це приводить до того, що номенклатура різцівобчислюється сотнями типорозмірів, а рідко застосовувані різці більшу часткучасу зберігаються в інструментальній коморі, займаючи складські приміщення ізбільшуючи витрати підприємства.
Зменшитиноменклатуру токарного інструмента можливо за рахунок створення систем наоснові конструкцій різців підвищеної універсальності, в яких підвищенняуніверсальності досягається відокремленням робочої частини від державки, причому робоча частина може здійснювати поворот і переміщення відносно трьохвзаємноперпендикулярних осей. Підвищення універсальності також може бутидосягнуто заміною робочої частини інструменту.
Воснову класифікації різців підвищеної універсальності покладемо наступніосновні ознаки: вид різальної частини; спосіб досягнення універсальності;конструктивне рішення; вид переналагодження геометричних і конструктивнихпараметрів; кількість осей, навколо яких здійснюється поворот робочої частинивідносно державки; спосіб налагодження.
Якпоказав аналіз, найбільш раціональним способом підвищення універсальностітокарних різців є плавний поворот робочої частини навколо осі, якаперпендикулярна опорній поверхні БНП, що дозволяє змінювати головний кут уплані. У цьому випадку досягається максимальне перекриття існуючих стандартнихконструкцій інструмента і, у результаті, — максимальне скорочення номенклатуринеобхідних різців і різальних пластин, що входять до системи інструменту. Крімцього, зміна головного кута в плані дозволяє регулювати завантаженість ділянокрізальної кромки, умови тепловідведення із зони різання, перерозподілятизначення величин складових сили різання при обробці заготовок різноїжорсткості, створювати сприятливі умови для стружкоподрібнення.
Вважаючи,що етапи проектування різців підвищеної універсальності будуть містити в собі іетапи проектування стандартного збірного інструмента, зупинимося на них більшдетально. Етапи проектування стандартного інструмента, у розробку яких внеслизначний внесок Бобров В.Ф., Вульф А.М., Гречишников В.А., Грановський Г.І.,Лашнєв С.І., Перепелиця Б.А., Петрухін С.С., Равська Н.С., Родін П.Р.,Семенченко І.І., Сахаров Г.Н., Юліков М.І. і ін., включають: аналіз умовексплуатації різального інструменту; вибір відповідного інструментальногоматеріалу; вибір або визначення геометричних і конструктивних параметрівробочої частини, а також параметрів опорної поверхні під пластину на державці;визначення габаритів державки різця та розрахунок елементів вузла кріпленнярізальної пластини з метою перевірки.
Яквидно з наведеного переліку, при проектуванні різців з поворотною робочоючастиною, що повертається навколо осі, яка перпендикулярна опорній поверхнібагатогранної непереточуваної пластини, необхідно включити додаткові етапи. Доних відносяться: оптимізація геометричних параметрів робочої частини;визначення технічних обмежень, що накладаються на режими обробки умовамизакріплення поворотної робочої частини на державці різця; дослідженнянапружено-деформованого стану елементів різця.
Узв’язку із цим поставлені задачі досліджень, які наведені в загальнійхарактеристиці роботи.
2. Вибір методики досліджень статичної жорсткостіконструкцій різців, визначення припустимих подач, опис використовуванихпристроїв, методики статистичної обробки експериментальних даних
Уроботі при виконанні різних етапів проектування використовували вербальнумодель, методи векторної алгебри, математичні й чисельні моделі.
Експериментипроводили на токарних верстатах моделей 16К20 і 16А20Ф3. При дослідженніжорсткості робочої частини різців використовували фрезерний верстат 6С12Ц.
Оброблюванийматеріал — Сталь 45 із твердістю НВ 186…192. Зразки мали циліндричну форму здіаметрами 32 мм, 35 мм і 80 мм, довжиною 200 мм, 200 мм і 600 мм, відповідно.Вид обробки — зовнішнє точіння.
Дляпорівняння застосовували комплекти різців стандартних конструкцій MSDNR 25 15016 і PWLNR 32 25 200 10.
Силирізання вимірювали за допомогою динамометра УДМ 600 у комплекті з підсилювачемУТ-4-1 і комп’ютером РС 486, оснащеним аналогово-цифровим перетворювачем NVL0,8.
Параметришорсткості вимірювали на профілометрі моделі 296.
3. Розроблення система залежностей для визначеннягеометричних і конструктивних параметрів робочої частини при її поворотінавколо осі
Формулидля визначення геометричних і конструктивних параметрів робочої частини різця,оснащеної БНП різної форми, при її повороті відносно державки одержали звикористанням методів векторної алгебри.
Отриманізалежності дозволяють визначити геометричні параметри на головній (g,a, l,j) і допоміжній (g1,a1,l1,j1)різальних кромках, а також величини зміщення вершини БНП по координатних осяхпри повороті робочої частини відносно базового положення. За базове положенняприйняте положення БНП на державці, для якого розраховуються параметри опорноїповерхні під підкладку.
Запропонованіформули дозволяють описати технічні обмеження, що накладаються на діапазонзміни головного кута в плані при повороті робочої частини. Наприклад, длярізця, оснащеного квадратною БНП, система технічних обмежень має вигляд:
/>,(1)
деj, aN,l– відповідно базові головний кут у плані, задній нормальний кут і кут нахилуголовної різальної кромки; n,n1 — допоміжні кути (верхні знаки використовуються при повороті робочої частини загодинниковою стрілкою, нижні – проти годинникової стрілки).
Критеріємоптимізації є діапазон зміни головного кута в плані
jmax — jmin®max.(2)
Цейкритерій оптимізації був обраний при допущенні, згідно з яким продуктивність іякість обробки універсальними різцями, у порівнянні з обробкою різцямистандартної конструкції з аналогічними геометричними параметрами, не зміняться.
Системурівнянь (1) вирішували на ПЕОМ методом перебору при задоволенні критеріюоптимізації (2). У результаті були отримані такі оптимальні значення базовихгеометричних параметрів робочої частини різця (табл. 1).
Таблиця1 — Оптимальні значення базових геометричних параметрів при установці різнихБНПФорма пластини Оптимальні базові геометричні параметри Припустимий діапазон установлення кутів у плані
jб, градуси
aNб, градуси
lб, градуси мінімальне значення, градуси максимальне значення, градуси Тригранна 30 12 60 100 Квадратна 30 12 30 85 П’ятигранна 20 12 10 65 Шестигранна з кутом при вершині 120° 30 12 10 55 Шестигранна або ромбічна з кутом при вершині 80° 30 12 40 95
Приповороті робочої частини відбувається зміщення вершини БНП відносно осізаготовки, що викликає зміну геометричних параметрів робочої частини.
Отриманіформули для визначення геометричних параметрів робочої частини при її поворотіз урахуванням зсуву вершини БНП. У залежності від форми пластини, зміни радіусаоброблюваної поверхні від 100 до 10 мм і встановлюваного головного кута в планіj, зміна геометричні параметри за рахуноквертикального зміщення вершини БНП змінюються в межах 1 – 25%. Причому, величиназміни зростає зі зменшенням радіуса обробленої поверхні.
Базовеположення пластини повинне відповідати мінімальному значенню головного кута вплані j з діапазонурегулювання, тому що в цьому випадку при повороті робочої частини протигодинникової стрілки відбувається збільшення кута jі задніх кутів у результаті зміщення вершини БНПвниз відносно осі заготовки.
Оптимальнебазове положення опорної поверхні на державці універсально-збірного різця(УЗР), яке забезпечує можливість установки набору поворотних підкладок,оснащених БНП різної форми, характеризується наступними геометричнимипараметрами: gпов=– 10,5° і gпоп=– 6,0° і забезпечує наступні базовігеометричні параметри робочої частини: jб= 30°; aNб= 12°; lб= 0°. При цьому максимальний припустимийдіапазон установлюваних кутів у плані досягається при установці пластин зкутами при вершині від 80° до 108°.
4. Дослідження напружено-деформованого стануелементів різця з поворотною робочою частиною
Дляпрогнозування жорсткості конструкцій різців з поворотною робочою частиною настадії проектування зручно використовувати програму CosmosWorks. Вонадозволяє за допомогою методу кінцевих елементів з урахуванням коефіцієнта тертяміж елементами різця й жорсткості стиків між ними визначати величини зміщенняцих елементів і напруження, які виникають під дією навантаження.
Чисельнемоделювання було виконано для випадків, коли різець представлений складенимтілом із заданими коефіцієнтами тертя між деталями; складеним тілом із заданимикоефіцієнтами тертя й жорсткостями стиків між деталями.
Результатичисельного моделювання для випадку, коли різець розглядається як складене тілоіз заданими коефіцієнтами тертя між деталями.
Дляперевірки адекватності чисельного моделювання були виконані експерименти повизначенню статичної жорсткості конструкції різця. Встановлено, що величини зміщеннявершини БНП відносно державки, отримані в результаті моделювання, знаходяться в95%-му довірчому інтервалі на експериментально знайдені величини.
Точністьобробки залежить не тільки від жорсткості різця, але й від жорсткості систем“різець — різцетримач” і “різець – супорт”. Встановлено, що жорсткість системи“різець — супорт” в 3,9 — 4,2 рази нижче, ніж жорсткість системи “різець — різцетримач”, відповідно для різців з поворотною робочою частиною й стандартнихрізців.
5. Математичний опис умов закріплення поворотноїробочої частини на державці різця
Математичнийопис умов закріплення робочої частини на державці в процесі складання й обробкивиконано з використанням рівнянь рівноваги між активними й реактивними силамита технічних обмежень, що накладаються на режими обробки відсутністю поворотуробочої частини відносно державки, міцністю елементів вузла кріплення, міцністюБНП, потужністю верстата, областю існування прямого поперечного перерізустружки.
Визначенняприпустимих подач при різних сполученнях величин головного кута в плані йглибини різання виконувалося на ПЕОМ за допомогою розробленої програми.Результати розрахунку для різця наведені на і в таблиці 2.
Дляперевірки результатів проведеного розрахунку обмежуючих подач відповідно дорозробленої методики були проведені експериментальні дослідження з визначенняприпустимих подач (табл. 3).
Яквидно з наведених даних (див. табл. 2 і 3), факторами, що обмежують режимиобробки, є: міцність БНП, потужність двигуна привода головного руху верстата,вібростійкість технологічної системи. Порівняння величин експериментальноотриманих припустимих подач при обробці різцями базової і вдосконаленоїконструкції показали їхній практичний збіг, а також повну ідентичністьобмежуючих факторів.
Таблиця2 — Вплив глибини різання на розрахункові припустимі подачі при зовнішньомуточінні сталі 45 зі швидкістю 120 м/хв різцем з поворотною робочою частиною згеометричними параметрами j = 45°,j1= 44,7°, g= 10°, a= 10°, l= 3°Встановлений головний кут у плані, градуси Глибина різання, мм Розрахункова припустима подача, обмежена: Прийнята припустима подача, мм/об наявністю проворота робочої частини, мм/об міцністю штифта на розрив, мм/об міцністю штифта на зріз, мм/об міцністю гвинта на розрив, мм/об міцністю БНП, мм/об Потужністю двигуна верстата, мм/об 45 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,3 1,5 1,3 2 2 2 2 2 1,31 1,3 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 0,97 0,97 3 3 3 3 3 0,76 0,76 3,5 0,98 3,5 3,5 3,5 0,62 0,62 4 0,59 3,44 4 4 0,52 0,52
Таблиця3 — Вплив глибини різання на припустимі подачі, визначені експериментально, призовнішньому точінні сталі 45 зі швидкістю 120 м/хв різцем з поворотною робочоючастиною з геометричними параметрами j= 45°, j1= 44,7°, g= 10°, a= 10°, l= 3°Головний кут у плані Глибина різання, мм Обмежуючі подачі, визначені експериментально, мм/об Прийнята припустима подача, мм/про УЗР №1 УЗР № 2 УЗР №3 45 1,5 1,2**** 1,2**** 1,2**** 1,2**** 1,2**** 1,2**** 1,2**** 1,2**** 1,2**** 1,2 2
1*
1,2*
1*
1,2*
1,2*
1*
1*
1*
1* 0,8 2,5
1*
1**
1*
1*
1*
1*
1*
1*
1** 0,8 3
0,8**
0,8**
0,8**
0,8**
0,8**
0,8**
0,8**
0,8**
0,8** 0,7 3,5
0,7**
0,8**
0,7**
0,7**
0,7**
0,7**
0,8**
0,7**
0,7** 0,6 4
0,25***
0,30***
0,25***
0,30***
0,30***
0,25***
0,25***
0,25***
0,25*** 0,2
Примітка
* — подача, обмежена міцністю БНП;
** — подача, обмежена потужністю двигуна привода головного руху верстата;
*** — подача, обмежена вібростійкістю технологічної системи;
**** — подача, обмежена можливістю установки на верстаті величини подачі в діапазонівід 1,2 до 1,4 мм/об.
Такимчином, встановлено, що:
— розроблений математичний опис умов закріплення робочої частини дозволяєпрогнозувати величини припустимих подач при обробці різцями з поворотноюробочою частиною без проведення трудомістких експериментів;
— зміна кутів у плані практично не впливає на величину припустимих подач прирізних глибинах різання. При обробці з постійним головним кутом у планізбільшення глибини різання приводить до зменшення значення припустимих подач;
— міцність деталей вузла кріплення і умови закріплення поворотної робочої частиниУЗР не накладають обмеження на величину припустимих подач;
— величини припустимих подач в умовах обробки на середніх верстатах обмежуютьсяміцністю БНП, потужністю двигуна привода головного руху верстата йвібростійкістю технологічної системи;
— удосконалена конструкція УЗР із поворотною робочою частиною має такі жтехнологічні можливості, що й базова конструкція, але меншу кількість деталей,в результаті чого знижується трудомісткість виготовлення інструмента.
Длявизначення величини подач із метою одержання заданого параметра шорсткості Raобробленої поверхні були запропоновані формули і умови їх застосування. Відзагальноприйнятих залежностей, які зв’язують параметр Ra з геометричнимипараметрами робочої частини й подачею, вони відрізняються тим, що складаютьсяіз двох співмножників. Перший співмножник отриманий з умови, що у формуванніпараметрів шорсткості обробленої поверхні домінує геометричний фактор. Другийспівмножник ураховує зміну шорсткості пластичними деформаціями, жорсткістютехнологічної системи, наявністю шорсткості на різальній кромці інструмента іявляє собою коефіцієнт, знайдений експериментально.
Встановлено,що обробка різцями стандартної конструкції, універсальної базової конструкції йудосконаленої універсальної конструкції забезпечує практично ідентичнушорсткість і точність обробленої поверхні.
Застосуваннянових конструкцій універсально-збірних різців з поворотною робочою частиною вумовах НВП “Еталон” дозволило скоротити номенклатуру покупних токарних різцівна 30% і металоємність систем токарного інструмента на 20 — 70%, що дало річнийекономічний ефект у розмірі восьми тисяч гривень.
Результатироботи впроваджені в навчальний процес у Донецькому національному технічномууніверситеті при підготовці студентів спеціальності “Металорізальні верстати ісистеми” у рамках дисциплін “Теорія різання” і “Різальний інструмент”, а такожвикористовуються при виконанні дипломних проектів і магістерських робіт.
Висновки
Уроботі вирішена важлива наукова і народногосподарська задача, яка полягає взниженні номенклатури державок різців і різальних пластин, що входять у системутокарного інструмента, а, разом з тим, і зниження металоємності систем на 20 –70% у порівнянні із системами на базі стандартних різців, за рахунок створенняуніверсальних токарних різців з оптимальними геометричними параметрамиповоротної робочої частини, які оснащені БНП.
1.Вперше розроблені класифікації переналагоджуваних і регульованихуніверсально-збірних різців і способів підвищення універсальності токарнихрізців.
2.Оптимізовані геометричні параметри робочої частини за критерієм максимальноївеличини діапазону зміни головного кута в плані з використанням запропонованоїсистеми математичних залежностей для розрахунку статичних геометричних іконструктивних параметрів поворотної робочої частини.
3.Оптимальне базове положення опорної поверхні на державці різця, що забезпечуєможливість установки набору поворотних підкладок, оснащених БНП різної форми,характеризується наступними геометричними параметрами: gпов= – 10,5°, gпоп= – 6,0° і забезпечує такі базовігеометричні параметри робочої частини: jб=30°; aNб= 12°; lб= 0°. При цьому максимальний припустимийдіапазон установлюваних кутів у плані досягається при установці пластин зкутами при вершині від 80° до 108°.
4.Визначені на стадії проектування технічні обмеження, що накладаються на режимиобробки умовами закріплення поворотної робочої частини на державці різця.Установлено, що міцність деталей вузла кріплення й умови закріплення поворотноїробочої частини на державці не накладають обмеження на величину припустимихподач, а величини припустимих подач при точінні обмежуються міцністю БНП,потужністю двигуна привода головного руху верстата та вібростійкістютехнологічної системи.
5.Точність обробки залежить не стільки від жорсткості різця, скільки віджорсткості систем “різець — різцетримач” і “різець — супорт”. Встановлено, щожорсткість системи “різець — супорт” в 3,9 — 4,2 рази нижче, ніж жорсткістьсистеми “різець — різцетримач”, відповідно для різців з поворотною робочоючастиною й стандартних різців.
Література
1. Матюха П.Г., Гринёв Ю.А.Исследование условий закрепления поворотной подкладки с режущей пластиной надержавке универсально-сборного резца //Прогрессивные технологии и системымашиностроения: Международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонГТУ. – 2000. –Вып. 10. – С. 131-137.
2. Матюха П.Г., Гринёв Ю.А.Определение моментов сил трения между поворотной режущей частью и державкойуниверсально-сборного резца //Надійність інструменту та оптимізаціятехнологічних систем. Збірник наукових праць. Голова редакційної ради Г.Л. Хаєт.– Краматорськ: ДДМА, 2000. – Вип. 10 – С. 162 — 166.
3.Матюха П.Г., Гринёв Ю.А.,Скрынников В.С. Определение моментов сил трения в статике, возникающих призакреплении поворотной подкладки с керамической режущей пластиной на державкеуниверсально-сборного резца //Прогрессивные технологии и системымашиностроения: Международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонГТУ, 2001. –Вып. 15. – С. 176 – 182.
4. Гринёв Ю.А. Анализ конструкцийузла крепления поворотной режущей части на державке универсально-сборного резца//Труды Одесского политехнического университета: Научный ипроизводственно-практический сборник по техническим и естественным наукам. –Одесса, 2001. – Вып. 5. – С. 104 – 107.
5. Матюха П.Г., Гринёв Ю.А.Определение геометрических и конструктивных параметров режущей частиуниверсально-сборного резца //Прогрессивные технологии и системымашиностроения: Международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонГТУ, 2001. –Вып. 17 – С. 85 – 89.