Повышение производительности процесса сверления отверстий в деталях из коррозионностойких жаропрочных сталей спиральными сверлами

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, определена научная новизна, практическое значение и ценность полученных результатов, перечислены основные положения, выносимые на защиту, дана оценка степени достоверности проведенных исследований, представлена апробация полученных результатов.
Первая глава посвящена анализу состояния исследования по теме и постановкам задач, решение которых необходимо для достижения цели исследований. Приведен аналитический обзор теорий трения и изнашивания лезвийного режущего инструмента. Показаны различные взгляды на физическую сущность трения в процессе резания материалов.
Приведенный анализ известных математических моделей показал, что имеющиеся зависимости охватывают только часть проблемы повышения точности, выдержки формы отверстия и качества ее поверхности. Целесообразна разработка математических моделей, более широко охватывающих технологические системы сверления отверстий, с учетом особенностей подачи СОТС и их состава. Кроме того, вопросы обеспечения повышения производительности процесса сверления недостаточно изучены и требуют дальнейшей детальной проработки.
Большой вклад в исследование теорию и процесс резания внесли следующие учёные: Ю.Н. Внуков, В.Н. Латышев, А.С. Верещака, А.Д. Макаров, Л.В. Худобин, Ф. Якубов, А.Г. Наумов, А.Г. Суслов, Е.С. Киселев, В.В. Марков, А.Н. Резников и другие.
Однако данные работы не позволяют в полной мере учесть особенности физико-механических свойств обрабатываемых материалов. Несовершенство существующих методов расчета режимов обработки, нестабильность характеристик инструмента и их изменение в процессе резания при обработке с заранее запрограммированным режимом приводят к изменениям тепловой, силовой нагрузки на инструмент и к его нерациональному использованию. Влияние указанных недостатков возрастает при использовании инструмента, параметры которого ограничены условиями обработки (прочность, жесткость, износостойкость и т.д.). Особенно четко эти недостатки проявляются на операциях обработки отверстий спиральными сверлами.
Таким образом, для повышения производительности процесса сверления 9
Исследованиями динамических процессов,
происходящих в технологической системе при сверлении отверстий посвящены работы В.А. Кудинова, К.М. Костюкова, М.М.Тверского, Л.С.Мурашкина и
других ученых.
при обработке коррозионностойкой жаропрочной стали необходимо дальнейшее совершенствование процессов сверления с разработкой комплекса технических решений, обоснованных анализом и изучением особенностей взаимодействия формообразующих элементов спиральных сверл с материалом заготовки при введении в зону обработки масляных СОТС.
Во второй главе диссертации посвящено математическому моделированию процессов взаимодействия формообразующих элементов спиральных сверл с материалом заготовки с учетом упругих деформаций инструмента.
На основе системного подхода процесс сверления рассмотрен как динамическая система. При структурном анализе произведена декомпозиция системы процесса сверления по функциональным признакам на подсистемы станка, приспособления, инструмента, заготовки, СОТС, зоны контакта.
Определены входные и выходные переменные, а также параметры состояния каждой из подсистем. Установлено, что параметры технологической системы могут изменяться с течением времени предсказуемым и непредсказуемым образом под действием различных факторов.
Показано влияние деформаций рабочей части сверл на точность отверстий. При сверлении на поверхности зубьев со стороны обрабатываемого материала действуют силы сопротивления резанию. В результате поперечные сечения рабочей части сверла закручиваются относительно поперечного сечения хвостовика, расположенного в плоскости его защемления.
Для оценки точности отверстий, предположим, что на сверло, оказывают воздействия крутящий момент Mкр = Pzr и продольные сжимающие силы Px, в двух взаимно перпендикулярных плоскостях прямолинейный стержень изгибается поперечными силами Pyy и Pyz и изгибающими моментами Mz и My, построена расчетная схема (рисунок 1) на основании которой, из условия равновесия правой части в сечении с координатой x получена система дифференциальных уравнений изогнутой оси сверла в двух взаимно перпендикулярных плоскостях:

 z dx2
где EJy, EJz – изгибная жесткость стержня сверла в поперечном сечении; Мкр – крутящий момент;
d2 y(x)
 d2z(x) dy(x)
dz(x)
кр dx x 0 z yy
dz(x) и dy(x) – коэффициент, учитывающий изгиб dx dx
силы; Px – продольная сжимающая сила; (y0  y(x)) , (z0  z(x)) – прогиб сверла; Mz(x) и My(x) – изгибающие моменты в двух взаимно перпендикулярных плоскостях в
сечении с координатой x соответственно; Pyy, Pyz, Px – составляющие силы резания.
Решение системы (1) и последующие расчеты позволили установить для обработки отверстий в деталях из стали 12Х18Н10Т, что погрешность, возникающая за счет деформации сверла, для отверстий диаметром 3-6 мм составляет 2,1 мкм/мм, Ø 6-10 мм – 1,7 мкм/мм, Ø 10-18 – 1,3 мкм/мм, Ø 18-30 – 0,9 мкм/мм.
По полученным формулам можно выполнять расчёты для вновь проектируемых и действующих технологических процессов.
M 
ydx2 крdxx0 yyz
EJ
EJ M  P(zz(x))MPx
(1)
стержня сверла под действием
P(yy(x))MPx
10

На стадии проектирования может быть выполнен расчёт ожидаемой погрешности смещения оси отверстия, которые связывают конструктивно- технологические параметры инструментальной наладки и условия обработки. Точностные расчёты для действующего техпроцесса могут быть выполнены при известных значениях ряда параметров и заданной величине допустимой погрешности. Поэтому
для компенсации этих погрешностей целесообразна разработка граничных циклов управления скоростью резания и величиной подачи, учитывающие изменение состояния технологической системы за счет износа режущих кромок сверла за период стойкости.
аб
Рисунок 1. Расчетная схема изогнутого сжато-закрученного сверла в плоскости XOY(a), в плоскости XOZ(б).
Предложена математическая модель силовой составляющей процесса сверления, учитывающая ее изменение во времени. Значительная
часть математических моделей получены эмпирическими методами и имеют ограниченную область применения. При рассмотрении энергосилового взаимодействия, элементы зоны стружкоообразования можно выразить в классической ньютоновской системе, и крутящий момент, действующее на сверло, определится через силу, расходуемую на «чистое» резание Rр и может быть выражена как:
Рисунок 2. План сил, действующих при сверлении.
С V τσ  1-tgγ  tgα  
2 Rd P2+P21d
Мкр  р = s N , (2) 22
где Ps – сила, действующая вдоль плоскости сдвига (рисунок 2), и определяемая наличием касательных напряжений τs; PN – сила, перпендикулярная плоскости сдвига, и обусловленная нормальным напряжением σ.
Учитывая обрабатываемый материал, геометрию режущего клина, кинематику процесса резания и коэффициент усадки стружки,
составляющие силы резания определяются следующими соотношениями:
 a  cosβ P=
K
(1+K2)+  h р ср  bτ, (3)
Т р ετ 
3 -2ααN  tgα  s
Z sinβ 1к  Ae Sкλи π 
11


 a  sinβ μK С V τσ  1-tgγ  tgα  
P= (1+K2)+  hр ср  bτ. (4)
Y sinβ 3 1к  Ae Sкλи π 
Т р ετ  -2ααN  tgα  s
где PZ и PY – тангенциальная и радиальная силы резания соответственно; а – толщина среза (см. рисунок 2); β – угол между вектором скорости резания и равнодействующей силы резания R; β1 – угол между вектором скорости резания и плоскостью сдвига; K – коэффициент усадки стружки, примерно равное отношению нормальных к касательным напряжениям (σ/τs); Ch – безразмерная переменная, зависящая от материала контактирующих тел; Vр– скорость резания; τ – время работы инструмента; σср – средние нормальные напряжения; A, αк – экспериментально определяемые переменные; αт – коэффициент температуропроводности материала заготовки; Nр – мощность резания; λи – коэффициент теплопроводности материала; Sк – площадь теплового потока; b – длина режущих кромок сверла; α – задний угол; γ – передний угол.
Полученные зависимости (3) и (4) позволяют вести расчет сил резания в зависимости от диаметра сверла, величины подачи, обрабатываемого материала, учитывающие износ инструмента во времени.
Рассмотрев теплофизическую модель контактного взаимодействия при резании с подачей разработанной масляной СОТС, установлены закономерности изменения энтальпии присадки наноглинистого минерала (НГМП) от температуры СОТС и ее влияние на снижение температуры в зоне резания. Получены математические выражения, позволяющие осуществлять расчет температур в зоне контакта, за период стойкость инструмента зависимости для расчёта составляющих сил резания, учитывающее износ режущих кромок сверла.
acosβV K СV2τσ 1-tgγtgα bτ2 М f H T= р (1+K2)+  h р ср    к вл х

 sinβ 3 -2α αТNр ετ  tgα М С М С  1 к(5)
 Ae Sкλи π   х1exp.
где Mк – масса НГМП введенная в СОТС; ∆H – энтальпия дегидратации присадки; fвл – коэффициент влажности присадки; С – удельная теплоемкость СОТС.
а)
температуру резания:
а) сталь 12Х18Н10Т; б) сталь Х18Н10, 03Х18Н11;
1 – минеральное масло И-20А; 2 – минеральное масло И-20А с НГМП; 3 – подсолнечное масло; 4 – подсолнечное масло с НГМП.
б)
Рисунок 3. Влияние скорости резания и различных составов СОТС на
Полученное выражение (5) отражает влияние теплофизических и гидродинамических свойств смазки на процесс резания. Численное значение теоретической зависимости (5) для операции сверления в зависимости от скорости резания Vр при обработке коррозионностойких жаропрочных сталей различных марок и подаче различных видов СОТС, результаты которого представлены на рисунке 3. Проверка адекватности полученных зависимостей выполнялась путем сравнения теоретических зависимостей с экспериментальными данными.
Третья глава диссертации посвящена разработке параметрических зависимостей модели и экспериментальным исследованиям процесса сверления. Разработаны методики и конструкции экспериментальных стендов для
исследования
сверления,
изучать
поверхности
изменения геометрии режущих кромок инструмента за период стойкости сверла, оценивать и контролировать составляющие силы резания, и температуру в технологической системе.
Исследовано взаимодействие
Рисунок 4. Зависимость тангенциальной силы резания PZ при сверлении стали 12Х18Н10Т в
условиях подачи различных СОТС: Режимы резания: V = 11 м/мин; S = 0,076 мм/об. Расход СОТС 0,5 л/мин. Режущий инструмент Р6М5. 1 – «сухое резание»; 2 – минеральное масло И-20А; 3 – минеральное масло И-20А с НГМП;
4 – подсолнечное масло;
5 – подсолнечное масло с НГМП.
сверления (рисунок
процессов позволяющие обработанные с учетом
силовое процесса 4) с подачей СОТС при обработке заготовки из стали 12Х18Н10Т спиральными сверлами диаметром 22 мм с течением времени, с целью проверки адекватности полученных в
главах 2 и 3 аналитических зависимостей и стойкости режущего инструмента. Для опрееделения температуры в зоне резания были проведены эксперименты по замеру температуры в идентичных условиях при каждом виде подаваемой СОТС, результаты которых представлены на рисунке 5.
Как видно из рисунка 5, температура при «сухом» резании по мере заглубления сверла нарастает и достигает максимальных значений. Аналогичное явление наблюдается и при подаче масла И-20А с НГМП. При подаче же экспериментальной СОТС (подсолнечного масла с НГМП) температура плавно возрастает и стабилизируется по мере заглубления сверла в заготовку.
Значения, полученные в результате расчета предельного износа спиральных сверл от режимов обработки приведены на рисунке 6. Значения предельного износа инструмента независимо от подачи увеличиваются с ростом скорости. Увеличение подачи приводит к снижению значений предельного износа. При подачах от 0,125 до 0,35 мм/об зависимость носит линейный характер, при подаче 0,076 мм/об она близка к линейной.
Рисунок 5. Зависимость температуры режущих кромок сверла от времени при подаче различных СОТС:
Режимы резания: V = 11 м/мин;
S = 0,076 мм/об.
Расход СОТС 0,5 л/мин. Режущий инструмент Р6М5.
1 – «сухое резание»;
2 – минеральное масло И-20А; 3 – минеральное масло И-20А с НГМП;
4 – подсолнечное масло;
5 – подсолнечное масло с НГМП.
а) б)
Рисунок 6. Зависимости предельного износа спиральных сверл диаметром 22 мм от режимов обработки стали 12Х18Н10Т: а) подача СОТС по каналам сверла; б) подача СОТС поливом.
При этих подачах предельный износ инструмента не зависит от способа подвода СОТС в зону резания. При подаче 0,044 мм/об, зависимость предельного износа приобретает нелинейный характер от скорости резания и значения предельного износа увеличиваются при подаче охлаждения по внутренним каналам сверла.
На рисунке 7 представлены зависимости развития среднего износа задней поверхности и износа у уголков от суммарной глубины просверленных отверстий при различных скоростях резания.
Из полученных зависимостей видно, что износ по задней поверхности у уголков значительно превосходит средний износ. Кроме того, значение этого износа, соответствующее началу катастрофического износа в 3 – 4 раза превосходит нормативные данные. Это говорит о том, что смена инструмента при достижении нормативных критериев притупления приводит к неполному использованию срока службы сверла (на 50 % и более).
14

а) б)
в) г)
Рисунок 7. Зависимость среднего износа по задней поверхности сверла и износа у уголков от суммарной глубины отверстий при сверлении:
1 – износ у уголков; 2 – средний износ по задней поверхности;
а) V = 11 м/мин и S = 0,076 мм/об.; б) V = 21 м/мин и S = 0,076 мм/об.;
в) V = 31 м/мин и S = 0,076 мм/об.; г) V = 41 м/мин и S = 0,076 мм/об.
На рисунке 8 представлены результаты износа спиральных сверл в зависимости от подачи различных видов СОТС при обработке стали 12Х18Н10Т. За критерий износа была принята величина hз = 0,35 мм.
Режимы резания: V = 11 м/мин; S = 0,076 мм/об. Расход СОТС 0,5 л/мин. Режущий инструмент Р6М5. 1 – Сухое резание; 2 – Подсолнечное масло; 3 – И-20А; 4 – И-20А + НГМП;
5 – Подсолнечное масло + НГМП
Рисунок 8. Влияние различных составов СОТС на износ задней поверхности
и стойкость сверла из быстрорежущей стали Р6М5 при обработке стали 12Х18Н10Т. 15

Зависимости предельного износа инструмента от скорости резания, полученные экспериментально, носят одинаковый характер с теоретическими зависимостями. Сравнение экспериментально полученных и расчетных значений предельного износа инструмента показало хорошее их совпадение.
Оптимизация циклов управления величиной осевой подачи и скорости резания проведена с учетом основных технических ограничений функции оптимизации, связанным с техническими требованиями на деталь (точность, шероховатость), конструктивными параметрами станка (диапазоны параметров режимов резания, податливость ТС), характеристикой сверла (износ режущих кромок). Для обеспечения стабильности требуемых параметров качества обрабатываемой поверхности отверстий при сверлении партии деталей, необходимо разработать оптимальный цикл управления операцией сверления, учитывающий изменение состояния технологической системы за счет износа режущих кромок сверла за период стойкости.
Таким образом, управляя процессом резания путем изменения величины подачи и скорости резания, можно сместить величину предельного износа инструмента в сторону увеличения. Это в свою очередь позволит увеличить стойкость режущего инструмента.
Для экспериментальной проверки методики оптимизации циклов величиной подачи и скорости резания, сравнивались качества поверхностей обработанных отверстий по существующей и предлагаемой технологиям при сверлении партии деталей из 30 штук с целью учета нестабильных условий сверления, имеющих место при обработке партии деталей.
Проверка адекватности предложенной методики граничных циклов управления осевой подачи и скорости резания выполнялась путем сравнения существующей и предлагаемой технологиям (таблица 1).
Таблица 1 Сравнительные результаты качества поверхностей обработанных отверстий по
Таким образом, выполненный статистический анализ показал достаточную точность разработанных моделей расчета сил резания, температуры и износа с учетом переменных факторов при обработке партии деталей. Экспериментальная проверка подтвердила адекватность разработанных моделей.
Четвертая глава посвящена расчету граничных циклов управления операцией сверления.
существующей и предлагаемой технологиям.
По заводской технологии
No партии
Округлость сечения – ∆, мкм
max min Дисперсия σ2 мкм2
Погрешность диаметра –∆d. мкм
max min Дисперсия σ2 мкм2
1 25 10 6,25 52 30 13,44 2 23 9 5,44 49 22 20,25 3 24 12 4,0 51 28 14,69
i
24 10,33 5,23 50,68 26,67 16,13 16

По предлагаемой технологии
max min Дисперсия max min Дисперсия σ2 мкм2 σ2 мкм2
1 20 9 3,36 45 29 7,11 2 14 5 2,25 42 21 12,25 3 19 8 3,36 43 21 13,44 j 17,67 7,33 2,99 43,33 23,67 10,935
i j
Результаты проведенных экспериментальных исследований подтвердили эффективность разработанных циклов, а также возможность использования разработанной методики проектирования циклов управления осевой подачей и скоростью резания на операциях сверления.
Все детали, просверленные по оптимальному циклу управления на станках с ЧПУ, по шероховатости поверхности, допуску на изготовление, отклонениями от округлости соответствовали требованиям технологической документации, при обработке партии заготовок с учетом реального изменения переменных технологических факторов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. В работе обосновано теоретическое решение задачи, имеющее важное значение для машиностроения, а именно разработана методология повышения эффективности обработки отверстий спиральными сверлами, включающая производительность, экономичность, точность и качество обрабатываемых поверхностей на основании реализации теории и технологии управления операцией сверления.
2. На основании положений теории резания и теории износа режущего инструмента разработана математическая модель сверления отверстий спиральными сверлами, учитывающая поперечные смещения сжато- закрученного сверла и их производные в двух главных центральных плоскостях при продольно-поперечном изгибе и получены аналитические зависимости, позволяющие вычислять составляющие силы резания, учитывающие износ режущих кромок сверла. Установлены закономерности изменения энтальпии присадки наноглинистого минерала от температуры СОТС и ее влияние на снижение температуры в зоне резания.
3. Решен комплекс задач, связанных с повышением точности и качества обработки отверстий на операциях сверления, получены расчетные зависимости, позволяющие прогнозировать погрешность обработки отверстия для заданных циклов управления скоростью резания и величиной подачи с учетом не стационарности технологического процесса.
4.Разработаны алгоритм и методика расчета граничных циклов управления осевой подачей и скоростью резания на операциях сверления, позволяющие повысить производительность при заданном качестве поверхностей обработанных деталей.
1,35 1,41 1,75 1,17 1,13 1,47
17

5. Разработаны практические рекомендации по повышению производительности, обеспечению точности и качества поверхностей обрабатываемых отверстий на операциях сверления. В процессе реализации предложенной методики на операциях сверления, направленной на решение рассматриваемых задач, достигнут эффект существенного повышения производительности (в среднем на 20% относительно существующего технологического процесса) с обеспечением заданной точности и качества поверхности отверстия, что подтверждается результатами промышленного внедрения на следующих предприятиях: завод АО «Пневматика» (г.Симферополь), ФГБУН «НИИСХ Крыма» (г. Симферополь), а также в учебный процесс ГБОУВО РК «Крымский инженерно-педагогический университет имени Февзи Якубова.