Исследование жесткости блочно-модульного инструмента

Испытания сборных резцов на прочность. Для сборных резцов при черновой обработке важным показателем работоспособности является прочность. Исследование прочности сборных резцов проводилась по методу ступенчато возрастающих подач. Оборудование: станок фирмы «Niles» (США) с высотой центров 1000 мм.

Рисунок 1.22 - Сборный резец блочной конструкции

Инструмент: сборный резец сечением 40х50 мм блочной конструкции (рис. 1.22), оснащенный проходным блоком ц=60 град с режущей твердосплавной пластиной специальной формы. Заготовка - поковка с предварительно обработанной наружной поверхностью из стали 35 диаметром 500 мм, длиной 1200 мм и твердостью НВ190.

Режим обработки: скорость резания 50 м/мин, глубина резания 15 мм. Число ступеней подач 4-6. Ряд рекомендуемых подач 2.24, 3.56, 4.16, 5, 5.6, 6. Производительность работы на каждой ступени 30 сек. Испытания прекращаются на одной из приведенных подач, на которой произошла поломка инструмента. Величина подачи является критерием прочности инструмента.

Пластины для проведения эксперимента были заточены и проверены на отсутствие трещин методом цветной дефектоскопии. Геометрические параметры резца: ц=60, ц1=30, б=8, г=0, гѓ=-8, л=0, ѓ=1.5 мм, r=2 мм.

Разрушающая подача в результате составила 6 мм/об. Причем разрушение происходило в виде выкрашиваний или скола режущей пластины у вершины. Испытания свидетельствуют о высокой прочности как режущей пластины, так и элементов ее закрепления в блоке и блока в державке. Метод форсированных испытаний инструмента в процессе резания позволил с достаточной точностью определить величину рабочих эксплуатационных подач для резцов с черновыми блоками с учетом их стабильной работы:

S = 6: 3 = 2 мм/об;

где К=3 - коэффициент прочности.

Рассмотрим статический способ исследования прочности сборного резца. НИИПТМАШ предлагает специальный стенд (а. с. 905735) [28] (рис. 1.23). Режущий инструмент 3 закрепляют в плавающем резцедержателе 2, шарнирно связанном посредством осей 6 с корпусом 1 таким образом, чтобы главная режущая 5 пластины 4 располагалась вдоль оси Х. К инструменту прикладывают нагрузку Р, примерно равную усилию резания. Гидроцилиндром 7 воздействуют на плавающий резцедержатель 2, который, перемещаясь по сфере корпуса 1 в направлении А относительно оси Х, а соответственно и главной режущей кромки 5, поворачивает резец 3 до тех пор, пока задний угол б не достигнет нулевого значения.



Рисунок 1.23 - Стенд для контроля прочности сборного резца

При этом направление приложенной нагрузки Р будет соответствовать направлению силы резания в реальном процессе, когда величина допустимого износа hз на задней поверхности режущей пластины достигает критического значения. После этого усилие гидроцилиндра 7 снимается и резец 3 возвращается в исходное положение. Далее измеряют относительную деформацию режущей пластины и резцедержателя, по величине которой рассчитывают жесткость инструмента.

Динамические исследования сборных резцов. Жесткость сборного инструмента в значительной степени зависит от его динамических характеристик. Из производственного опыта известно, что в технологических системах механической обработки, например таких, как система СПИД, всегда имеет место возникновение колебаний и вибраций. Они вызваны чаще всего действием сил резания, крутильных моментов шпинделя станка, реже из-за неточности позиционирования элементов технологической системы.

Рисунок 1.24 - Стенд для контроля динамических свойств сборного резца

Рассмотрим стационарные и экспериментальные методы исследования динамической жесткости сборных резцов для тяжелых станков. На рисунке 1.24 изображен специальный стенд, разработанный ведущими специалистами Лаборатории резания НКМЗ (а. с. 905735) [28]. Устройство содержит станину 1 с резцедержателем 2, в котором закреплен резец 3. Перемещение по каждой оси координат Х, У, Z ползунов 4, воздействующих через индентор 5 на резец 3, независимо управляются от одной бесконечной магнитной ленты 6. Магнитная лента с записанными сигналами в виде импульсов движется со строго определенной скоростью. Движение магнитной ленте сообщается тонвалом 7, приводимым во вращение электродвигателем М. Для исключения проскальзывания и провисания ленты предусмотрены пружинный ролик 8 и натяжной ролик 9. Магнитная головка МГС считывает с ленты импульсы, которые усиливаются и перерабатываются в электронных кодовых преобразователях (ЭКП) для управления шаговыми двигателями (ШД). При этом ротор ШД поворачивается на определенный угол, на выходном валу ШД развивается момент, который приводит в действие усилитель (УМ). Двигатель М, охваченный механической обратной связью 10, повторяет все движения шагового двигателя и через редуктор Р и шариковые винт и гайку сообщает вертикальное перемещение ползуну 4. Все приведенные механизмы работают одинаково по всем трем координатам Х, У, Z. Таким образом, резец нагружен с трех сторон и по заданной программе усилия нагружения соответствуют величинам составляющих сил резания.

Измеряют относительную деформацию инструмента. По максимальной величине переменной силы нагружения и пиковым значениям относительной деформации рассчитывают жесткость.

Для оценки статической жесткости агрегатно-модульных резцов, узлов крепления к суппорту с пластинчатым резцедержателем был разработан специальный стенд [8]. Работа стенда основана на измерении величины смещения модульного резца по отношению к корпусу пластинчатого суппорта тяжелого токарного станка под действием силы, имитирующей силу резания. Общий вид стенда изображен на рис. 1.25. Агрегатно-модульный резец крепится на специальном стенде, имитирующем пластинчатый суппорт токарного станка. На плите 1 крепится резцедержатель 2 при помощи винтов 3. В резцедержателе 2 устанавливается модульный резец. Вершина резца нагружалась нажимными устройством 5 с датчиком силы 6. Сигнал от датчика силы через индуктивный преобразователь 7 мод. 276 поступал на вход «X» двукоординатного самописца 10. На координату «Y», этого самописца поступает сигнал с датчика перемещений 8 через преобразователь 9.



Рисунок 1.25 - Стенд для исследования статических характеристик агрегатно-модульных резцов

Статические испытания жесткости указанных моделей сводятся к фиксированию фактических смещений модульных резцов под действием силы, по величине и направлению совпадающей с одной из сил Р_Х., P_Z, P_Y.

Перед нагружением модульного резца проводилась тарировка стенда. Для более полного представления о жесткости конструкций агрегатно-модульных резцов, их состояния при нагружении фиксировалось с использованием тензодатчиков (тензорезисторов), действие которых основано на возможности регистрации изменения сопротивления под действием деформации.



Рисунок 1.26 - Схема наклейки датчиков на корпусе модульного резца

Датчики наклеивались с обеих сторон модуля (рис. 1.26). Регистрация величин деформации осуществлялась прибором УТМ_3. Этот прибор с дискретным уравновешиванием позволял фиксировать состояние системы как в нагруженном, так и в ненагруженном состоянии.

В начале система измерялась в ненагруженном состоянии, а затем после нагружения. Величина деформации элементов модуля определялась по формуле

, (1.2)

где K - коэффициент тензорезисторов, K=2,1;

N_1i - последние показание цифротрона под нагрузкой;

N₀ - показание цифротрона в ненагруженном состоянии.



1 - агрегатно-модульный резец, 2 - виброакселерометр, 3 - анализатор спектра

Рисунок 1.27 - Схема установки для измерения динамических характеристик агрегатно-модульных резцов

Полученное значение умножается на коэффициент 5 для перевода в единицы относительной деформации. Для уменьшения погрешности опыты проводились по 5 раз, а затем определяли среднее значение величины деформации.

Исследование динамических характеристик предложенных конструкций агрегатно-модульных резцов проводилось в лабораторных условиях на станке мод. 1А65 при точении стали 9ХФ. Схема установки приведена рис. 1.27. На исследуемый модуль 1 крепится виброакселерометр 2_КД_34, подключенный к входу анализатора спектра RFT_3 с запоминающим устройством. Предварительно была оценена частота собственных колебаний модуля путем возбуждения колебаний ударной нагрузкой. Эта частота находилась в пределах 250-350 Гц.

Анализ статических, динамических и прочностных характеристик сборных резцов для работы на тяжелых токарных станках с помощью всесторонних испытаний при их разработке и внедрении в производство показал, что общая работоспособность этих резцов, их стойкость, прочность, виброустойчивость, надежность, удобство и безопасность в работе может быть успешно гарантирована в условиях современного машиностроения. В процессе испытаний исследовались также надежность отдельных элементов сборных резцов, в частности, определялась прочность и износостойкость режущей пластины, надежность ее крепления в блоке, надежность подкладки под пластину, рычага, винта, а также надежность крепления блока в державке.

Большое внимание было уделено проблеме динамических исследований сборных резцов. Из производственного опыта известно, что в технологических системах механической обработки, например таких, как система СПИД, всегда имеет место возникновение колебаний и вибраций. Они вызваны чаще всего действием сил резания, крутильных моментов шпинделя станка, реже из-за неточности позиционирования элементов технологической системы.

Проведение ресурсных испытаний показало, что сборные блочно-модульные резцы рассмотренных конструкций являются работоспособными. Наблюдается только износ и смятие в нижней части блока из-за имеющих место микроперемещений блока относительно державки.

2 Научная часть

2.1 Научные методы создания систем агрегатно-модульного инструмента

2.1.1 Использование принципов системного подхода при создании сборных инструментов и их систем

Методологию создания новых конструкций режущих инструментов необходимо рассматривать с позиции системного подхода как сумму методов для решения сложных проблем представленных в виде единого целого.

При системном подходе рассматриваются сборные конструкции инструмента как системы, состоящие из взаимосвязанных составных частей, объединенных общей конечной целевой функцией, имеющие структуры построения, системообразующие внутренние связи между своими подсистемами и элементами и внешние связи с другими объектами, образующими их надсистемы, и средой функционирования.

Системный подход предполагает:

- системный охват объектов исследования;

- системное представление в виде единой модели;

- системную организацию принятия решений с учетом всех влияющих на объект факторов.

Системный подход для построения общей методологии создания конструкций сборных режущих инструментов должен отражать эволюционную природу их происхождения и организационную, лежащую в основе всего процесса их совершенствования, направленную на постоянное повышение качества режущего инструмента. Выделением эволюционного подхода в качестве составной части подчеркивается его важность, соизмеримая с концепцией целостности, отражаемой системным подходом. Организационный подход придает целенаправленный характер проектированию и предполагает выбор целей и средств, реализуемых в определенной временной последовательности, обеспечивающей планомерное достижение этих целей за счет программного управления адекватными средствами.

В ряде работ по исследованию механообработки [8, 9, 10, 11] в основу ставится комплекс требований, которые предъявляет производство и среда функционирования металлорежущему инструменту и технологической системе в целом. Большая часть этих требований в значительной мере выражается в стоимостном виде и таким образом задача проектирования принимает более или менее выраженный формальный характер:

fⁱ(x, q) > min, i = 1,…, m;

gⁱ(x, q) ? 0, i = 1,…, p;

Kⁱ(x, q) > min, i = 1,…, r;

Gⁱ(x_*, q_*) ? 0, i = 1,…, s

где fⁱ(*), gⁱ(*) - критерии и ограничения в виде аналитических формул; x = (x¹,…, xⁿ) - вектор непрерывных оптимизируемых параметров обработки, конструкции инструмента и др.; q = (q¹,…, q^l) - набор «дискретных» параметров, которые условно обозначают дискретный набор альтернатив: конструкций инструмента, качественных условий функционирования, методов инструментообеспечения, обслуживания станка и т.д.; Kⁱ(*) - неформализуемые качественные критерии, иногда оцениваемые в баллах или словесных формулировках; Gⁱ(*) - отражает комплекс «пост-условий», которые накладываются и проверяются уже для готового решения (x_*, q_*), они мо-гут быть неформализуемыми условиями, которые невозможно включить в процесс оптимизации.

Важным принципом системного подхода следует считать и определенный алгоритм его реализации в любой области практического применения, который можно представить следующими типовыми операциями.

1. Установление актуальных, программных целей, формирование и постановка задач по их достижению.

2. Выбор для достижения этих целей объектов и средств в форме систем соответствующей им сложности.

3. Определение характерной для этих систем среды функционирования в течение всего периода их существования.

4. Установление параметров конструктивных элементов инструмента, определяющих его качество и качество системы сборного инструмента в целом, учитывающих как степень достижения поставленных целей с их эксплуатацией, так и связанных с этим затрат их изготовления.

Основные этапы создания новых конструкций сборного инструмента:

1 Анализ среды функционирования.

2 Определение границ технологической ниши для функционирования разрабатываемых инструментов.

3 Определение критериев качества инструментов для обслуживания технологической ниши.

4 Исследование основных эксплуатационных характеристик проектируемых инструментов.

5 Морфологический анализ и синтез конструкций сборного инструмента.

6 Оптимизация конструктивных параметров сборного инструмента, его типоразмерных рядов и номенклатуры.

7 Разработка системы конструкций инструмента, подготовка всей технологической документации и освоение производства, создание рекомендаций по эффективной эксплуатации.

Методология построения систем сборного инструмента базируется на следующих основных теориях, представленных на рисунке 2.1.



Рисунок 2.1 - Структура построения методологии создания системы сборного режущего инструмента

Особое место в структуре методологии занимает теория информационного обеспечения, охватывающая вопросы; организации сбора и обработки, хранения и поиска, кодирования и распространения информации, необходимой для оперативного использования при выработке инженерных решений в ходе создания и применения разрабатываемых конструкций инструмента. Базой информационного обеспечения является системный банк данных по механообработке. В структуру банка входят следующие подсистемы [8]:

- управления информацией банка;

- обработки информации;

- справочно-нормативной информации.

Теория прогнозирования, которая направлена на исследование и обобщение методологических положений по анализу возможных направлений, тенденций и результатов развития различных факторов и процессов, которые должны учитываться в ходе принятия инженерных решений при создании новых конструкций сборного режущего инструмента. В работах [8, 12] рассмотрены основные инженерные аспекты методологии маркетинговых исследований. Основой этой методологии являются теории потребительских ниш и жизненного цикла.

Значительное внимание отводится теории алгоритмизации [13, 14], методами которой строятся оперативные, математические и комбинированные алгоритмы решения инженерных задач, представляемые в форме логических правил, программ, обеспечивающих формализацию и автоматизацию на основе вычислительных машин процессов решения этих задач при разработке, производстве, эксплуатации современных систем сборного инструмента.

Особой составной частью методологии проектирования, обеспечивающей разработку ее основного рабочего инструмента, следует считать теорию моделирования. В ней исследуются, обобщаются и разрабатываются различные методы и средства инженерного априорного воспроизведения в процессе создания конструкций инструмента всех имеющих к нему отношение факторов и процессов в виде соответствующих моделей.

Одним из базовых разделов является теория квалиметрии, с помощью которой разрабатываются методы определения номенклатуры показателей, характеризующих отдельные свойства и качество сборного инструмента в целом [8].

Теория оптимизации [15, 16] разрабатывает конкретные инженерные принципы, методы и приемы оптимизации совокупности большого числа проектных параметров сборных инструментов, связанных с их созданием и применением при самой произвольной математической форме выражения для критериев показателей их качества, наличии ограничений на область изменения значений этих параметров.

Важными составными частями методологии являются теории организации производства, выбора и эксплуатации элементов системы сборных режущих инструментов [17].

Современное производство, особенности рыночной экономики вызывают необходимость поиска не просто хороших, а в определенном смысле оптимальных конструкций сборного инструмента и системы в целом.

Используя основные положения системного подхода при создании методологии проектирования определенной системы конструкций сборного инструмента должна быть разработана конкретная ее структура. При этом объединение в составе этой структуры перечисленных выше теорий реализуется путем соответствующего учета каждой из них в единую методологическую систему.

Применение этой методологии при создании систем режущего инструмента позволило разработать и освоить производство гаммы конструкций резцов и торцовых фрез с механическим креплением режущих пластин повышенной надежности [18].

2.1.2 Научные принципы проектирования систем агрегатно-модульного инструмента

Возрастающая сложность механической обработки, её автоматизация, включая автоматизацию проектирования и жесткие требования рыночной экономики, обуславливают необходимость системного подхода.

Под системой понимают сочетание элементов, связанных между собой и внешней средой, и обусловленную совокупностью целей.

Рассмотрим систему механической обработки (СМО). СМО является элементом более общей производственной системы. С другой стороны, каждый элемент СМО также может быть представлен как система. Физическая часть СМО является технологической системой (ТС), современный инструмент, входящий в ТС, является достаточно сложной системой модулей и т.д.

В качестве примера на рис. 2.2 показана модульная система инструментов для автоматизированных средних токарных станков фирмы Сандвик Коромант. Здесь на 1_ом уровне рассмотрения - корпус с узлом крепления модуля, на 2_ом - модули для обработки наружных и внутренних поверхностей, на 3_ем - виды модулей и на 4_ом - их размерные ряды.

Система инструментов обязательно должна иметь физический объединяющий узел (на рис. 2.1 это - узел крепления модулей различных видов).

Четыре элемента, образующих СМО, имеют различный характер. Например, ТС - это материальная система машинных объектов - детали, станки и инструменты, Ц - информационная система.

Связи между элементами системы также могут иметь различный характер: быть физическими или информационными.

Рисунок 2.2 - Модульная система инструментов для токарных станков фирмы «Сандвик Коромант» (Швеция): а) - корпус с узлом крепления модулей; б) - виды модулей для наружного точения; в) - виды модулей для обработки отверстий; г) - размерный ряд одного вида.

Как правило, более полное рассмотрение системы, то есть начало анализа с более высоких уровней или охват большего числа элементов на данном уровне обеспечивает большую эффективность работы. Так, например, многие ошибки и недоработки в проектировании связаны с недостаточно полным анализом условий обработки. Нельзя рассматривать инструмент в отрыве от станка. Так, конструирование инструмента совместно с резцедержателем станков токарной группы привело к созданию новых высокоэффективных систем агрегатно-модульного инструмента. Если одновременно с оптимизацией параметров инструмента оптимизировать режимы резания и число рабочих, обслуживающих уникальный станок, это дает более точные и эффективные результаты.

Опыт показывает, что создавать инструмент на конкретные, отдельно взятые технологические операции и станок (кроме специнструмента, да и то не всегда), нерационально. Необходимо создавать систему инструментов для определенной совокупности операций и станков. В этом случае под системой инструмента понимают совокупность типоразмерных рядов резцов для указанного оборудования.

Инструмент, собираемый из унифицированных узлов и модулей, переналаживают применительно к изменению формы обрабатываемых деталей простой компоновкой унифицированных взаимозаменяемых узлов. В этом случае традиционный инструмент заменяется комплектами, состоящими из унифицированных агрегатов и узлов, с их частичной или полной разборкой для последующей сборки в другом сочетании. Такая конструкция позволяет создавать не просто инструмент определенного типа, а систему инструмента с необходимыми сменными устройствами.

Создание систем агрегатно-модульного инструмента является эффективным средством удовлетворения требований потребителей к комплексному оснащению тяжелых токарных станков с ЧПУ, позволившим уменьшить число индивидуальных заказов на инструмент.

Агрегатирование - это метод компоновки систем инструмента из ряда самостоятельных модулей различных типоразмеров, которые имеют размерную и функциональную взаимосвязь [1].

Модулем называют повторяющийся унифицированный узел, который выполняет самостоятельную функцию в различных инструментальных системах.

Агрегатно-модульный принцип компоновки инструмента с относительно ограниченным комплектом модулей позволяет создать без серьезных дополнительных затрат широкую номенклатуру систем инструмента, наиболее приспособленных к конкретным требованиям производства. Исходя из особенностей агрегатно-модульного принципа компоновки инструмента, можно выделить основные положения проектирования и реализации систем инструмента:

– модуль - это конструктивно и функционально завершенная единица, являющаяся составной частью общей системы инструмента;

– модули характеризуются наименьшим возможным числом связей для присоединения к ним других новых моделей;

– ограниченная номенклатура модулей должна обеспечивать большое количество разных сочетаний путем разнообразных компоновок и положений модулей;

– агрегатно-модульный принцип проектирования систем инструмента наиболее полно отвечает требованиям решения конкретной технологической задачи (создание на модульном принципе систем инструмента не имеет излишних функций, и поэтому оно должно быть экономичнее обычных инструментов с универсальными возможностями);

– сокращение времени и трудоемкости проектирования систем инструмента, поскольку модульный принцип позволяет более полно использовать выполненные ранее разработки;

– увеличить надежность работы инструмента за счет применения модулей, наиболее предназначенных для выполнения конкретных операций;

– уменьшение разнообразия конструктивных вариантов модулей и составных их элементов улучшают условия эксплуатации и ремонтопригодности системы инструмента;

– агрегатно-модульное проектирование позволяет создавать новые высокопроизводительные конструкции инструмента для конкретных операций механической обработки, а не подгонять процесс под имеющийся инструмент;

– агрегатно-модульный принцип дает реальную возможность заменить устаревшие формы и методы создания новых конструкций инструмента и их систем.

Агрегатно-модульный принцип построения компоновки инструмента наиболее эффективен для тяжелых токарных станков, где в основном применяются инструменты, имеющие большие габариты HxBxL=80х80х1000 мм и массу более 15 кг, что делает трудоемким смену и переналадку на новую операцию.

Согласно требованиям системного подхода в начале работы необходимо выявить достаточно полную номенклатуру критериев, обуславливающих эффективность механической обработки деталей на тяжелых станках. При этом необходимо рассмотреть их с точки зрения возможности установления связи с управляющими переменными, то есть получение целевых функций.

Так как получение и использование целевых функций в ряде случаев является достаточно сложной задачей, требуется показать, как в каждом конкретном случае выбрать ПСК - представительное семейство критериев.

С целью выявления и предварительного выбора критериев в таблице 2.1 приведены характеристики технологической системы и входящих в нее элементов, а также показатели этих свойств, некоторые из которых целесообразно принять за критерии оптимальности.

Рассматриваемые критерии разделены на 3 группы: технико-экономические, экономические и связанные с человеком (человеческий фактор).

Среди свойств назначения и вообще технико-экономических свойств важным является качество поверхности. Однако качество требуется не «чем выше, тем лучше», а определенное - заданное чертежом детали и другой документацией. Поэтому качество обработки в большинстве случаев целесообразно учитывать в ограничениях.

Вторым важнейшим свойством, относящимся к свойствам назначения, является производительность обработки. Она складывается из производительности процесса резания и времени восстановления технологической системы.

Показателем производительности обработки служит штучное время t_шт:

, (2.1)

где t₀ - время резания;

t_В - время смены инструмента;

Т - стойкость.

При строгом определении свойством назначения является не производительность обработки 1/t_шт, а производительность процесса резания, так как цель ТС - формообразование детали, которое осуществляется в процессе резания. Его критерий - основное время t₀.

Для тяжелых станков удобно критерием производительности восстановления ТС принимать время восстановления t_B. Это очень информативный показатель. Он отражает также ремонтопригодность. Поэтому t_В можно рассматривать как один из критериев надежности. Кроме того, t_В учитывает эргономические характеристики ТС.

В последние годы большое внимание уделяют свойству гибкости, возможности использования ТС для различной обработки и приспособленности к переходу на другую обработку с минимальными потерями средств. Это свойство также отражается на времени восстановления. Поэтому, если рассматривать достаточно большой отрезок времени, в течение которого обрабатывают различные детали и выполняют различные переходы, t_B является также показателем гибкости ТС.

Важным в современном производстве является свойство надежности. Из свойств, составляющих надежность, остановимся на безотказности и долговечности. Они, в свою очередь, обуславливаются главным образом виброустойчивостью ТС, прочностью и износостойкостью инструмента, сохраняемостью до съема резца, способностью к стружкодроблению.

Показателем прочности твердосплавного инструмента для тяжелых станков является число периодов стойкости до разрушения К-пластины и К_M-модуля. Для инструмента со сменными многогранными пластинами вместо К может применяться q - доля или вероятность поломок, причем:

, (2.2)

где Z_B - число вершин или граней.

Произведение - полный период стойкости является критерием долговечности инструмента.

Специфическим критерием безотказности является гаммапроцентный период стойкости - то есть период стойкости, который выдерживают % инструментов. Очень удобным показателем безотказности является коэффициент вариации стойкости , которые зависят как от износостойкости, так и от прочности инструмента.

Критериями оптимальности являются также материальные затраты - затраты материалов, прошлого овеществленного труда. Особое значение приобретают некоторые виды затрат в связи с исчерпанием природных ресурсов, например, запасов вольфрама, некоторых видов энергии. В рассматриваемом случае важно учитывать удельный расход R_C твердого сплава как содержащего дефицитные компоненты, а в отдельных случаях и расход комплектов инструмента R_И (корпусов, модулей, опор, стружколомов и т.д.).

Экономическими критериями служат стоимость собственно обработки, стоимость твердого сплава, стоимость инструмента и другие расходы.

В результате вероятностной оценки объема сечения срезаемого слоя на тяжелых токарных станках и учета технологически обусловленной степени неадекватности использования длины режущей кромки показано, что на этих станках необходимо иметь широкую номенклатуру твердосплавных пластин, а конструкция инструмента должна быть модульной для быстрой смены инструмента в зависимости от величины срезаемого слоя.

Показано, что на тяжелых станках при черновом и получистовом точении, на экономически целесообразных режимах резания, доля поломок по сечению пластины колеблется от 20% до 40% от всех видов отказов. Анализ структуры отказов позволяет наметить конструктивные и технологические мероприятия по повышению прочности и надежности инструмента.

Процесс резания на тяжелых станках, при котором непосредственно обеспечивается заданная форма детали, ее размеры и качество поверхностного слоя, занимает в среднем около половины времени обработки. Располагая статистическими данными о структуре времени обработки, можно определить вероятность нахождения технологической системы в рабочем или нерабочем состоянии.

Показано, что выбор набора критериев зависит от многих факторов, обуславливающих конкретную производственную ситуацию, вида модульного инструмента, задачи решаемой при оптимизации. Набор для оптимизации системы инструмента и технологической системы должен включать 3 группы критериев: технико-экономические, экономические и связанные с человеком (человеческий фактор).

Приняты следующие группы критериев и функциональных ограничений для условий черновой и получистовой обработки на тяжелых станках - приведенные затраты, производительность, расход твердого сплава, расход комплектов агрегатно-модульного инструмента, вероятность стабильного дробления стружки.

Агрегатно-модульный принцип построения компоновки инструмента наиболее эффективен для тяжелых токарных станков, где в основном применяются инструменты, имеющие большие габариты HxBxL=80х80х1000 мм и массу более 15 кг, что делает трудоемким смену и переналадку инструмента на новую операцию. Агрегатно-модульный принцип компоновки, с относительно ограниченным комплектом модулей, позволяет создавать без серьезных дополнительных затрат широкую номенклатуру систем инструмента, наиболее приспособленных к конкретным требованиям производства.

2.2 Проектирование и анализ на технологичность сборных конструкций проходных, отрезных и прорезных резцов для тяжелых токарных станков

В целях повышения универсальности инструмента и одновременного упрощения конструкции необходимо разработать сборно-модульные инструменты для тяжелых станков, которые обеспечивают большой эффект благодаря технологии группового изготовления инструмента.

Системы инструмента, как и любые материальные системы, представляют множество элементов, находящихся в связях друг с другом, образующих определенное единство. С точки зрения внешних условий необходимыми элементами систем являются присоединительные поверхности, предназначенные для установки и закрепления крепёжной части режущего инструмента в технологическом оборудовании.

Системой инструментов называют совокупность типоразмерных рядов систем базирования и закрепления режущего инструмента и систем базирования и закрепления компоновок инструментов на станках, обеспечивающей выполнение технических и экономических требований эффективного использования в автоматизированном производстве.

Все применяемые ранее системы инструмента строились по схеме приведенной на рис. 2.3, основанной на известном принципе универсально - наладочных приспособлений [9].

Инструмент, разработанный по этому принципу, получил название модульного.

С точки зрения выбора системы инструмента важно выявление влияния вспомогательного инструмента на производительность труда и стоимость обработки.

Вспомогательный инструмент - элемент системы инструмента, с помощью которого режущий инструмент базируется и закрепляется на станках с учётом ряда условий макро и микрогеометрии [4]. С его помощью реализуется связь между рабочим органом станка (шпиндель, суппорт) и режущим инструментом.



Рисунок 2.3 - Принципиальная схема системы инструмента

Инструмент, собираемый из унифицированных узлов и агрегатов, переналаживают применительно к изменению обрабатываемых деталей простой компоновкой унифицированных взаимозаменяемых узлов. Традиционный инструмент заменяется комплектами, составленными из унифицированных агрегатов и узлов, с их частичной или полной разборкой для последующей сборки в другом сочетании. Такая конструкция позволяет заказать не просто инструмент определенного типа, а систему инструмента с необходимыми сменными устройствами [2].

Система агрегатно-модульного инструмента является эффективным средством удовлетворения требований потребителей к комплексному оснащению станков с ЧПУ, позволяющим уменьшить число индивидуальных заказов.

Для составления инструмента различных типов используют определенное число деталей (модулей), которые образуют взаимосвязанный механизм, обладающий достаточными результирующими жесткостью и точностью. Такой инструмент позволяет создавать комбинированные инструменты, изменять длины и диаметры в соответствии с каждой конкретной задачей обработки.

Составной инструмент обладает меньшей жесткостью по сравнению со сплошным инструментом, однако в ряде случаев имеет большую способность к гашению вибраций.

Основным и наиболее важным узлом модульного инструмента является соединительный элемент, который обеспечивает не только взаимное соединение отдельных частей инструмента, но также жесткость, точность и повторяемость сборки агрегатных инструментов.

В настоящей работе были разработаны новые конструкции сборных агрегатно-модульных резцов для тяжелых токарных станков. В графической части работы представлены чертежи проходного, отрезного и прорезного резцов.

На рисунке 2.4 изображен сборный отрезной резец, содержащий режущий элемент 1, державку 2 и крепежный винт 3.

Сборный отрезной резец имеет опорную и прижимную V_образные поверхности препятствующие перемещению режущего элемента.

Материал режущей части резца - твердый сплав Т15К6.

Рисунок 2.4 - Общий вид узла крепления отрезного резца

В процессе анализа резца под действием силовых факторов на взаимодействующих поверхностях режущего элемента 1 и корпуса 2 возникают неравномерно распределенные по длине паза контактные напряжения. Максимальные значения контактных напряжений будут наблюдаться при этом на опорной поверхности паза корпуса под режущей кромкой вставки, что ведет к ее опусканию, и на прижимной поверхности в области тыльной стороны вставки, что приводит к пластической деформации и искажению профиля паза, а также снижению конструктивной жесткости.

Конструктивные параметры рассматриваемого резца схожи с параметрами сборных проходных резцов, но при этом данный резец имеет возможность осуществлять продольное точение (рис. 2.5)

Рисунок 2.5 - Принцип точения отрезным резцом

Принципиальная основа точения данным резцом это его отклонение, при котором образуется угол б между пластиной и обрабатываемым материалом. Этот угол не постоянен и зависит от подачи, глубины резания, вылета инструмента, скорости резания и обрабатываемого материала.

Использование данного метода закрепления режущего элемента в державке сборного резца, обеспечивает высокую жесткость и прочность инструмента, а, кроме того, технологичность конструкции и простоту замены режущей вставки.

В процессе анализа конструкции было выявлено смещение режущего элемента в сторону обрабатываемой детали, тем самым изменяя геометрию режущего инструмента, что негативно скажется на стойкости режущего элемента. Для предотвращения этого явления нужно внести изменение в конструкцию прихвата. В изначальном варианте прихват имеет прямую форму, без каких либо искривлений, для снижения величины перемещения режущего элемента прихват следует изготовить с прогибом на участке между крепежным винтом и местом контакта с режущим элементом в сторону опорной поверхности на величину не более 1,5 мм.

В настоящей работе также были спроектированы для дальнейших исследований сборные резцы для тяжелых токарных станков блочной конструкции. Блочная компоновка системы агрегатно-модульных резцов построена по принципу, разработанной в ДГМА (рис. 2.6).

Рисунок 2.6 - Система сборных модульных резцов

Данная система состоит из нескольких подсистем сборных модульных резцов:

ТТО - для тяжелых токарных станков с обычным резцедержателем;

ТТП - для тяжелых токарных станков с пластинчатыми резцедержателями и станков с ЧПУ;

КТО - для крупных токарных станков с обычными резцедержателями с диаметрами обрабатываемой заготовки от 800 до 1000 мм.

В основе системы сборных резцов лежит блок Б2, который обеспечивает быструю замену рабочей части в зависимости от применяемой глубины резания (менять весь резец не удобно из-за большой его массы, а также не возможно заменить режущую пластину на резце из-за его высокой температуры и трудности доступа к месту обслуживания).

Блоки предназначены для обработки глубиной 10 - 40 мм. Набор специальных пластин с уступом имеют длины 25, 32, 40, 50 мм.

Быстросменные блоки устанавливаются в державки или Г-образные модули для станков с пластинчатыми суппортами.

В подсистеме ТТП разработаны три корпуса, в которых могут крепиться блоки Б1 и Б2 и резцы из подсистемы КТО.

В подсистему КТО входят резцы с высотой державки 40 - 50 мм и креплением как специальных режущих пластин с уступом, так и многогранных для контурной и чистовой обработки. Пластины для черновой обработки имеют увеличенную толщину, а следовательно и повышенную прочность.

Возможность быстрой замены блока позволяет выбрать длину режущей кромки соответствующую припуску на механическую обработки детали. Это позволяет сократить расход твердого сплава в 1,5 раза.



Рисунок 2.7 - Быстросменные блоки в системе сборных модульных резцов

Рисунок 2.8 - Сборный резей подсистемы ТТП

Рисунок 2.9 - Сборный прорезной резец подсистемы КТО

Таким образом, были спроектированы модернизированные сборные резцы на основе системы блочно-модульных резцов для тяжелых токарных станков с обычным и пластинчатым суппортом (см. граф. часть настоящей работы, спецификации см. прилож. А, Б, В). На тяжелых токарных станках обрабатывают заготовки большой массы и размеров, а припуск на обработку достигает 90 мм. Эффективность работы на этих станках в значительной мере зависит от качества применяемого инструмента. На ЗАО «НКМЗ» внедряются блочные резцы с механическим креплением перетачиваемых твердосплавных пластин [27].

Преимущества блочной конструкции резцов - в быстрой и удобной замене рабочей части (замена резцов затруднена из-за их большой массы), универсальности, экономии металла.

На унифицированную державку с помощью соединения типа «ласточкин хвост» устанавливают блок с твердосплавной режущей пластиной длиной 32, 40 и 50 мм (рис. 2.8).

Блок состоит из корпуса, режущей пластины, прихвата с крепежным винтом и опорной пластины, фиксируемой на корпусе разрезным штифтом (рис. 2.7). Для регулирования перемещения режущей пластины после переточек между прихватом и корпусом установлены регулировочные прокладки шариковые или с рифлениями.

В блоке применена режущая пластина для особо тяжелых условий резания (ТУ 48-19-373 - 83). По сравнению с известными она имеет несколько увеличенную толщину при уменьшенной ширине. Принятая схема крепления и базирования такова, что обеспечен прижим пластины к опорной и упорной поверхностям. Применение пластин с уступом, а также рациональная схема их крепления и базирования позволяют при глубине резания t=10…40 мм повысить подачу на 15…30% по сравнению с напайными пластинами. Применение блоков с пластинами длиной 32, 40, 50 мм взамен напайных резцов с режущей пластиной длиной 50 мм снижает расход твердого сплава.

Результаты сравнительных испытаний при обработке конструкционных сталей показывают, что блочные резцы с механическим креплением пластин имеют более высокую среднюю стойкость, допускают большее число переточек, а средняя суммарная стойкость более чем в 2 раза выше, чем у резцов с напайными пластинами. Блочные резцы отличаются большой стабильностью режущих свойств, коэффициент вариации их стойкости значительно меньше, чем у напайных резцов.

Блочные резцы с МКП имеют более высокие эксплуатационные показатели из-за большей износостойкости и прочности, имеют улучшенную ремонтопригодность (смена блока требует не более 1 мин, а смена напайного ножа 3…5 мин). Время на переточку специальной режущей пластины сокращено в 2 раза за счет уменьшения объема снимаемого материала.

2.3 Методологии исследования жесткости сборных резцов для тяжелых станков

2.3.1 Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния агрегатно-модульных резцов

Для определения напряженно-деформированного состояния модульного резца, предназначенного для тяжелых токарных станков, предложена методика расчета, которая учитывает специфику и особенности работы инструмента агрегатно-модульной конструкции. При этом использовался метод конечных элементов (МКЭ) [10, 11, 12, 13, 21].

Основная идея МКЭ состоит в том, что любую непрерывную величину, такую как давление и перемещение, можно аппроксимировать дискретной моделью, которая строится на множестве кусочно-непрерывных функций.

В общем случае непрерывная величина заранее известна, и нужно определить значение этой величины в некоторых внутренних точках области. После этого можно перейти к общему случаю. При построении дискретной модели непрерывной величины поступали следующим образом:

1 В рассматриваемой области фиксировали конечное число узловых точек.

2 Значение непрерывной величины в каждой точке считали переменной, которая должна быть определена.

3 Область определения непрерывной величины разбивалась на конечное число областей, называемых элементами. Эти элементы имели общие узловые точки и в совокупности аппроксимировали форму области.

4 Непрерывная величина аппроксимируется на каждом элементе полиномом, который определяется с помощью узловых значений этой величины. Для каждого элемента определяется свой полином, но полиномы подбираются таким образом, чтобы сохранилась непрерывность величины вдоль границ элемента (его называют функцией элемента).

Решая задачу МКЭ, получаем систему алгебраических уравнений вместо дифференциальных.

Применительно к пространственным стержневым системам МКЭ представляет собой дальнейшее развитие метода перемещений при раскрытии статической неопределимости, где за неизвестные принимаются линейные и угловые перемещения. В случае пространственной системы незакрепленный узел имеет шесть неизвестных перемещений: три линейных смещения вдоль координатных осей и три угловых перемещения относительно осей, параллельных координатным осям.

Методика расчета режущей пластины на прочность в интегрированной среде COSMOS Works заключается в следующем [21, 22]:

1. Производится дискретизация объема, занимаемого деталью или сборкой на элементы, или, другими словами, строится сетка конечных элементов. Для объемного тела область разбивается (в рамках функциональности COSMOS Works) на тетраэдры с гранями, аппроксимируемыми линейными (линейная зависимость от координат) или параболическими функциями координат. Для поверхностных моделей - на плоские (линейная) или криволинейные (параболическая зависимость) треугольники.

2. Для пространственных конечных элементов степенями свободы являются перемещения в направлении осей локальной системы координат элемента. Для конечных элементов оболочек к трем перемещениям в каждом узле добавляются по три угла поворота нормали к срединной поверхности области, аппроксимируемой элементом, относительно тех же осей.

3. Определяются зависимости для преобразования перемещений и углов поворота в узлах к глобальной системе координат.

4. Вычисляются матрицы жесткости конечных элементов. В формулы для расчета компонентов матриц жесткости конечных элементов помимо координат узлов входят модули упругости и коэффициенты Пуассона материалов. То есть если анализируется сборка, то в зависимости от принадлежности элемента детали при расчете матриц жесткости элементов используются соответствующие характеристики жесткости материала.

5. Полученные матрицы жесткости, с использованием зависимостей для перехода от локальных систем координат элемента в глобальные, преобразуются в глобальную систему координат.

6. Матрицы жесткости, представленные в глобальных координатах, объединяются в глобальную матрицу жесткости .

7. Назначенные граничные условия, статические и кинематические, приводятся к нагрузкам и перемещениям в узлах, выраженным в глобальной системе координат, и включаются в столбец усилий [F].

8. Полученная линейная система уравнений вида решается относительно столбца перемещений. Это наиболее трудоемкий этап расчета. Для решения используются итерационные или прямые методы. Матрица жесткости, как правило, хранится в компактной форме, структура которой определяется до этапа ее заполнения матрицами жесткости элементов.

9. Для каждого конечного элемента, имея перемещения (углы поворота) в узлах и аппроксимирующие функции, рассчитываются деформации. Если элементы линейные - деформации в пределах элементов постоянные, если элементы параболические - деформации изменяются линейно. На основе деформаций вычисляются напряжения в элементах. При необходимости (функция программы) напряжения в узлах смежных элементов усредняются (это также весьма ответственный этап, по-разному решаемый в различных программах) с последующим пересчетом напряжений в пределах каждого элемента.

10. На основе компонентов напряженно-деформированного состояния и параметров прочности материала (материалов) производится вычисление эквивалентных напряжений по какому-либо критерию прочности.

Рассмотрим прямой метод построения уравнений, связывающих эти факторы в пределах конечного элемента, в предположении линейной постановки.

1. Поле перемещений А в пределах элемента (для пространственной задачи) посредством интерполяционных функций (в так называемых изопараметрических конечных элементах, используемых, в частности, в COSMOS Works), собранных в матрицу , выражается через узловые перемещения . Смысл интерполяционных функций состоит в том, чтобы, зная величины, например, перемещений в узлах, получить их значения в любой точке элемента в зависимости от координат. В матричном виде соотношения имеют вид:

Для пространственной задачи, , где k - число узлов конечного элемента.

2. Поле деформаций выражается через степени свободы посредством дифференцирования поля перемещений (а, фактически, интерполяционных функций) согласно соотношениям, собранным в матрицу и связывающим деформации с перемещениями:

 (2.3)

3. С учетом уравнений состояния, в основе которых лежит закон Гука и коэффициенты которых образуют матрицу , устанавливается связь сначала между полем напряжений и полем деформаций:

, (2.4)

а затем и между напряжениями и степенями свободы в узлах:

(2.5)

4. Формулируются выражения для сил , действующих в вершинах элемента, в зависимости от поля напряжений а, для чего используется матрица преобразования напряжений в узловые силы :

(2.6)

5. Связываются выражения для узловых сил и перемещений в узлах:

, (2.7)

где - матрица жесткости конечного элемента.

6. Для придания матрице свойства симметрии добиваемся замены матрицы преобразования жесткости матрицей, транспонированной к матрице преобразования перемещений в деформации . Тогда:

(2.8)

Перечисленные зависимости позволяют, зная перемещения в узлах, получить величины сил, а также решить обратную задачу: по силам найти перемещения, затем деформации и напряжения в пределах конечного элемента.

Прямая формулировка, как правило, используется для получения матриц жесткости конечных элементов стержней, балок и пластин, а также для описания процесса теплопроводности.

Аналитический расчет интегралов в выражении для матрицы жесткости невозможен даже для треугольников с криволинейными сторонами. Поэтому прибегают к численному интегрированию. Оно заключается в замене интеграла суммой произведений подынтегральных выражений, вычисленных в точках Гаусса или в некоторой другой системе точек на соответствующие весовые коэффициенты. Этот процесс сопровождается расчетом величины определителя якобиана. Отрицательная величина является следствием вырожденности данного конечного элемента. Как правило, информация о данном обстоятельстве помещается в диагностические сообщения программ.

Прогнозирование работоспособности режущего инструмента выполняется на основе экспериментальных и аналитических методов изучения напряженно-деформированного состояния режущих инструментов.

Экспериментальные методы изучения напряженно-деформированного состояния можно разбить на три группы:

- изучение прочности инструмента в процессе резания;

- моделирование процесса нагружения и изучения свойств материалов режущих пластин.

Применение предложенных методов базируется на большом количестве данных определенных предварительно в производственных условиях. Кроме того, данные методы не позволяют определить напряженно-деформированное состояние режущей части инструмента.

Как показывает анализ разрушений режущей пластины, существенную роль играет напряженно-деформированное состояние материала твердого сплава. Для твердого сплава может применяться критерий прочности по максимальным нормальным напряжениям или критерий Мора для полухрупких материалов,

, , (2.9)

достоверность которого составляет 70…90% при различных нагрузках. Для твердого сплава, работающего в условиях резания при значительных температурах, более достоверным является критерий прочности Писаренко - Лебедева для структурных неоднородных сред, уточненный В.А. Остафьевым [23].