Підвищення ефективності експлуатації свердел під час обробки композиційних матеріалів

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний університет «Львівська політехніка»

Кафедра «Технології машинобудування»

Реферат

Дисципліна: Наукові дослідження

”ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЕКСПЛУАТАЦІЇ СВЕРДЕЛ ПІД ЧАС ОБРОБКИ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ”

Львів - 2008р.

Зміст

Вступ.

1 Огляд літературних джерел. Аналіз геометричних параметрів ріжучої частини спіральних свердел з перехідними ріжучими крайками

2 Результати аналізу геометричних параметрів ріжучої частини спірального свердла із підрізаючими ріжучими крайками

3 Опис експериментальних досліджень процесів формоутворення задніх поверхонь свердел різних конструкцій

4 Результати експериментального дослідження зусиль різання і шорсткості обробленої поверхні під час свердління свердлами з підрізаючими ріжучими крайками

Висновки

Література

Вступ

Розвиток машинобудування на порозі третього тисячоліття ставить нові складніші питання до технології механічної обробки і, у тому числі, до інструментів, від характеристик яких залежить надійність та економічність роботи інструмента за умов високих швидкостей, навантажень, температур, хімічної взаємодії з оброблюваним матеріалом, а також високих вимог до геометрії обробки та якості оброблених поверхонь.

Постійно зростаюча потреба різних галузей промисловості в освоєнні нової техніки, яка має високі експлуатаційні характеристики, зумовила широке застосування різних полімерних і метало-полімерних композиційних матеріалів, особливо в аерокосмічній галузі машинобудування.

Серед різних полімерних композиційних матеріалів, таких як скло-, органо- і вуглепластики, склопластики знайшли найбільш широке застосування. Вони мають питому міцність у 5...6 разів більшу за алюміній. Гібридні матеріали на основі скляних волокон з добавками вуглецевих і борних волокон дають змогу значно підвищити твердість, модуль пружності та втомлювальну міцність. Тому ці матеріали тепер широко використовуються в сучасних конструкціях літаків і дають змогу досягти зниження маси планера на 20...25%, а космічних апаратів - до 40%.

Процеси механічної обробки композиційних матеріалів значно відрізняються від процесів обробки традиційних матеріалів. Тому композити відносять до групи важкооброблюваних матеріалів. Широке впровадження цих матеріалів стримується низькою оброблюваністю різанням, невисокою стійкістю інструмента і труднощами одержання якісної поверхні.

Найбільш розповсюдженою і трудомісткою операцією при механічній обробці конструкційних матеріалів, яка складає близько 50%, є операція свердління. При її виконанні необхідно забезпечити точність отвору в межах 11...12 квалітету і необхідні параметри шорсткості обробленої поверхні, виключивши відколи та спучування на вході і виході свердла з отвору.

Суттєво підвищити якість обробки можна за рахунок використання свердел спеціальної конструкції з підрізаючими ріжучими крайками. Однак, відомі конструкції спіральних свердел з підрізаючими ріжучими крайками застосовують в практиці обмежено. Це, значною мірою, пояснюється тим, що не було розроблено ефективних технологічних способів заточування таких інструментів, які дозволили б у широких межах змінювати величини геометричних параметрів ріжучої частини свердла.

Існуючі свердла для обробки композиційних матеріалів за своєю конструкцією і технологічністю не завжди задовольняють користувачів як за продуктивністю, так і за якістю обробки. Тому задача створення ефективних і простих за конструкцією інструментів, які задовольняли б як за стійкістю, так і за якістю обробки КМ при свердлінні, актуальна.

1 Огляд літературних джерел. Аналіз геометричних параметрів ріжучої частини спіральних свердел з перехідними ріжучими крайками

Аналіз літературних даних показав, що композиційні матеріали все більш поширюються в машинобудуванні. Однією з трудомістких і частіше застосовуваних операцій у машинобудуванні є свердління. Розглянуто вимоги, висунуті до операції свердління і конструкції використовуваних спіральних свердел. На основі проведеного аналізу визначено та обґрунтовано шляхи поліпшення конструктивних параметрів спіральних свердел і їх експлуатації під час обробки композиційних матеріалів, що дозволило сформувати мету і завдання дослідження.

Вектор нормалі до задньої площини , що примикає до центральної ріжучої крайки, дорівнює:

,

де - вектор, що йде по центральній ріжучій крайці;

- вектор, що йде по лінії перетинання задніх площин із площиною, перпендикулярною до осі свердла.

Вектор нормалі до задньої площини , що примикає до перехідної ріжучої крайки, дорівнюватиме:

,

де - вектор, що йде по перехідній ріжучій крайці.

Кут між площинами і дорівнює куту між нормалями і :

,

де _II - інструментальний задній кут, вимірюваний у площині, перпендикулярній до осі свердла.

Знаючи положення задніх площин, проаналізовані нові способи їх одночасного заточування. Було аналітично визначено кути установки універсально-заточувальної голівки під час заточування свердла. Методику визначення положення свердла відносно шліфувального круга було прийнято таку:

- поворотом голівки навколо осі В вектор встановлюємо паралельно до напрямку зворотно-поступальних рухів столу універсально-заточувального верстата;

- поворотом навколо осі Б встановлюємо вектор нормалі паралельно до осі шліфувального круга.

Кути установки універсально-заточувальної голівки дорівнюють:

_Б = (90 - ₀); _В = - (90 - _II);

де tg₀ = tg₀ cos_II.

Кут повороту _А приймається таким, що дорівнює нулю.

Методику визначення кутів установки голівки під час заточування за схемою:

- поворотом навколо осі В вектор встановлюємо паралельно напрямку зворотно-поступальних рухів столу верстата;

- поворотом навколо осі Б встановлюємо вектор нормалі у вертикальне положення.

Кути установки універсально-заточувальної голівки дорівнюватимуть:

_Б = ₀, _В = - (90°-_II).

2 Результати аналізу геометричних параметрів ріжучої частини спірального свердла із підрізаючими ріжучими крайками

Вектор нормалі до задньої площини підрізаючої ріжучої крайки дорівнює:

,

де - вектор, що йде по підрізаючій ріжучій крайці;

- вектор, що йде по задній поверхні в нормальному до підрізаючої ріжучої крайки перерізі.

Вектор нормалі до задньої площини дорівнює:

,

де - вектор, що йде по центральній ріжучій крайці;

- вектор, що йде по задній поверхні у нормальному до центральної ріжучої крайки перерізі.

Кут між площинами і дорівнює куту між нормалями і

.

Після відповідних перетворень будемо мати:

.

В окремому випадку кут між площинами і може дорівнювати 90.

Тоді ,

де - інструментальний задній кут на підрізаючій ріжучій крайці у нормальному до неї перерізі;

- інструментальний задній кут на центральній ріжучій крайці у нормальному до неї перерізі.

За приведеною формулою можна визначити геометричні параметри ріжучої частини свердла, тобто кути , , і , за яких кут між площинами і дорівнюватиме 90.

Вектор , що йде по лінії перетинання площин і , дорівнюватиме: .

Знаючи положення задніх площин, проаналізовано нові способи їх одночасного заточування.

Було аналітично визначено кути установки універсально-заточувальної голівки за розглянутими способами заточування свердел.

Методику визначення положення свердла відносно шліфувального круга за схемою, зображеною на, було прийнято таку:

використовуючи повороти встановленого в універсально-заточувальній голівці спірального свердла навколо осей В і Б, встановлюємо заточувальну площину у горизонтальне положення, а нормаль до неї - у вертикальне.

- поворотом навколо осі А вектор , розташований у горизонтально встановленій площині , приводиться в положення, паралельне подовжній подачі столу універсально-заточувального верстата. За такої установки робиться заточування обох задніх площин і шліфувальним кругом, профіль якого визначається кутом .

Розрахунок кутів установки універсально-заточувальної голівки виконують за формулами:

 , .

,

де ;

;

.

У розглянутому випадку, кут нахилу поперечної крайки дорівнюватиме: , де .

Для того, щоб одержати незалежну величину кута , роблять заточування потиличної площини за такими кутами установки універсально-заточувальної голівки:

,

де ,

,

= 0.

Методику визначення кутів установки універсально-заточувальної голівки під час заточування за схемою, було прийнято таку:

- використовуючи повороти закріпленого в універсально-заточувальній голівці свердла навколо осей В і Б, встановлюємо заточувальну площину у положення, перпендикулярне до площини столу універсально-заточувального верстата, а вектор - у горизонтальне положення, паралельне до площини столу верстата;

- поворотом навколо осі А на кут _А вектор встановлюємо в положення, паралельне до подовжньої подачі столу верстата.

Розрахунок кутів установки універсально-заточувальної голівки виконують за формулами:

,

,

При заточуванні потиличної площини ₃ центральної ріжучої крайки універсально-заточувальна голівка за тих же кутів і повертається на інший кут . Взагалі, під час заточування площини ₃, змінюються два кути повороту універсально-заточувальної голівки.

3 Опис експериментальних досліджень процесів формоутворення задніх поверхонь свердел різних конструкцій

Результати спробних заточувань свердел з перехідними ріжучими крайками і свердел із підрізаючими ріжучими крайками на універсально-заточувальному верстаті за допомогою універсально-заточувальної голівки підтвердили справедливість розроблених методик визначення кутів установки універсально-заточувальної голівки, профілю шліфувальних кругів, відповідних до виведених аналітичних залежностей, для нових розроблених способів заточування спіральних свердел, призначених для свердління композиційних матеріалів. Новизну способів підтверджено патентами України.

Приведено результати силових випробувань експериментальних свердел, які показали, що в результаті створення позитивного допоміжного заднього кута на допоміжній ріжучій крайці, знижуються як зусилля подачі, так і крутильний момент.

Введення в конструкцію свердла однієї відособленої направляючої стрічки спричинює збільшення як зусилля подачі, так і крутильного моменту.

Порівняно зі стандартним свердлом, зусилля подачі свердла з однією відособленою направляючою стрічкою в середньому знижується на 12%, а крутильний момент - на 25%. Введення в конструкцію свердла другої направляючої стрічки на кожному зубі приводить відповідно до зростання як осьової сили, так і крутильного моменту.

Однак, у цьому випадку зусилля різання свердлами з двома відособленими направляючими стрічками і нагострозаточеній допоміжній ріжучій крайці менше, ніж зусилля різання стандартним свердлом. Введення додатково в конструкцію свердла подвійного заточування приводить до зниження зусилля подачі і зростання крутильного моменту як у стандартних свердел, так і свердел з відособленими направляючими крайками. Випробування показали, що конструкція робочої частини спірального свердла при обробці композиційних матеріалів суттєво впливає на шорсткість поверхні.

Експерименти показали, що у свердел з нагострозаточеними допоміжними ріжучими крайками величина середньоарифметичного відхилення профілю R_a різко зростає порівняно з обробкою стандартним свердлом.

Введення в конструкцію свердла однієї відособленої направляючої стрічки при нагострозаточених допоміжних ріжучих крайках приводить до суттєвого зниження шорсткості обробленої поверхні. Однак, у цьому разі шорсткість обробленої поверхні під час свердління свердлом з однією відособленою направляючою стрічкою і нагострозаточеною допоміжною ріжучою крайкою незначно перевищує шорсткість обробленого отвору під час свердління стандартним свердлом.

Введення в конструкцію свердла з нагострозаточуваними допоміжними ріжучими крайками другої відособленої направляючої стрічки на кожному зубі свердла поліпшує напрямок свердла і приводить до зниження шорсткості обробленої поверхні. Обробка свердлом із двома направляючими стрічками на кожному зубі приводить до помітного зниження шорсткості обробленої поверхні порівняно з обробкою стандартним свердлом.

Введення в конструкцію свердла перехідних крайок (подвійне заточування) знижує шорсткість обробленої поверхні, як у стандартних свердлів, так і свердел з відособленими направляючими стрічками. При цьому шорсткість обробленої поверхні нижче під час застосування свердел з відособленими направляючими стрічками порівняно з обробкою стандартним свердлом.

Проведені стійкістні випробування свердел діаметром 26 мм із відособленими направляючими стрічками і нагострозаточеними допоміжними ріжучими крайками показали, що їх стійкість у 2,48 рази вища за стійкість стандартних свердел при однакових величинах геометричних параметрів ріжучої частини (2 = 100, = 20, = 55) і режимах різання (n = 750 об/хв, S = 0,28 мм/об).

Результати визначення зусиль різання, шорсткості обробленої поверхні та стійкістних випробувань підтвердили висунуту робочу гіпотезу про підвищення роботоздатності спіральних свердел під час обробки композиційних матеріалів за рахунок застосування відособлених направляючих стрічок і нагострозаточених допоміжних ріжучих крайок.

4 Результати експериментального дослідження зусиль різання і шорсткості обробленої поверхні під час свердління свердлами з підрізаючими ріжучими крайками

Для одержання інформаційної матриці силових випробувань було реалізовано план дослідів, де подача S варіювалася на трьох рівнях, кут при вершині підрізаючих ріжучих крайок - на чотирьох рівнях, величина перевищення вершини свердла над периферійною точкою підрізаючих ріжучих крайок - на трьох рівнях. Для побудови математичних моделей силових характеристик використовувався модифікований спрощений алгоритм методу групового обліку аргументів (МГОА). Пошук моделей здійснювався в просторі , . Класом функцій для побудови моделей обраний клас степеневих поліномів. У результаті обробки експериментальних даних отримані моделі у вигляді степеневих поліномів:

Результати перевірки за критерієм Фішера підтвердили гіпотезу про адекватність моделей досліджуваному процесу.

Аналіз математичних моделей показав, що збільшення подачі S приводить до збільшення осьової сили і крутильного моменту, а збільшення кута при вершині - до зменшення зусиль свердління Р_ос і Мкр. Величина у дослідженому діапазоні не робить суттєвого впливу на силові характеристики процесу свердління .

Експериментально було визначено залежність середньоарифметичного відхилення профілю R_а при свердлінні свердлами з підрізаючими ріжучими крайками і отримано математичну модель:

Аналіз математичної моделі показав, що величина шорсткості R_а зменшується при зменшенні кута і подачі S, а також при збільшенні величини . За результатами досліджень свердел з підрізаючими ріжучими крайками рекомендовані такі величини його конструктивних параметрів = 45…60, = 1,0…1,5 мм.

ВИСНОВКИ

Запропоновано нові способи заточування свердел з перехідними ріжучими крайками і свердел з підрізаючими ріжучими крайками, які забезпечують одночасну обробку задніх поверхонь центральної і периферійної ріжучих крайок. На нові способи заточування отримано позитивні рішення Держкомітету України.

Розроблено методику і виведено аналітичні залежності для розрахунку параметрів установки свердла на 5-ти координатному обладнанні і визначення профілю шліфувальних кругів при одночасному заточуванні двох суміжних задніх площин свердла з заданими геометричними параметрами їх ріжучої частини.

Встановлено вплив конструктивних параметрів свердел з відособленими направляючими стрічками на зусилля різання. Доведено, що наявність позитивного заднього кута на допоміжній ріжучій крайці, приводить до зниження як зусилля подачі, так і крутильного моменту. Введення в конструкцію свердла другої направляючої стрічки приводить до зростання зусиль різання.

Визначено, що застосування свердел з нагострозаточеними допоміжними ріжучими крайками без направляючих стрічок приводить до підвищення шорсткості, а введення в конструкцію направляючих стрічок приводить до суттєвого зниження шорсткості обробленої поверхні.

Встановлено, що зношення свердел з відособленими направляючими стрічками відбувається менш інтенсивно, чим зношення стандартних свердел. Стійкість свердел з відособленими направляючими стрічками і нагострозаточеними допоміжними ріжучими крайками вища за стійкість стандартних свердел у 2,48 рази.

Література

Мамлюк О.В. Формоутворення задніх площин свердел із подвійним заточуванням. Весник, Машиностроение, - Київ: НТУУ “КПІ”, 2000. Вип. 39.
- с 296-300.

Д.т.н. Лупкин Б.В., инж. Мамлюк О.В. Использование ручного механизированного инструмента при обработке КМ. Авиационно-космическая техника и технология. Труды Государственного аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”, вып. 18. - Харьков, 2000. - с. 116-119.

Д.т.н. Лупкин Б.В., инж. Мамлюк О.В. Особенности обработки композиционных материалов. Труды Государственного аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”, вып. 17. - Харьков, 2000. - с. 157-161.

Костюк Г.И., Мамлюк О.В., Шпаковский И.В. Тепловое и напряженное состояние инструмента с покрытием и упрочненным слоем при плазменно-механической обработке металлических композиционных материалов. Труды Государственного аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”, вып. 17. - Харьков, 2000. - с. 180-186.

Мамлюк О.В. Геометрия задних поверхностей сверл с прямолинейными подрезающими режущими кромками. Научно-технический журнал “Технологические системы”, №1(7), 2001 г.

Мамлюк О.В. Сверление композиционных материалов. Вестник, Машиностроение. - Киев: НТУУ “КПИ”, вып. 41, 2001 г., с. 195.

Инж. Мамлюк О.В. Влияние геометрических параметров сверла на процесс сверления стеклопластиков. Труды Государственного аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”, вып. 25. - Харьков, 2001. - с. 361-367.