Повышение производительности процесса сверления отверстий в деталях из стали 12Х18Н10Т спиральными сверлами из быстрорежущих сталей

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,
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.
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 при обработке стали 12Х18Н10Т 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.
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.
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.
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 (рис. 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
d2 y(x)
 d2z(x) dy(x) (1)
dz(x)
кр dx x 0 z yy
M 
ydx2 крdxx0 yyz
EJ
EJ M  P(zz(x))MPx
P(yy(x))MPx
где Mz(x) и My(x) – изгибающие моменты в двух взаимно перпендикулярных плоскостях в сечении с координатой x соответственно; Pyy, Pyz, Px – составляющие силы резания.
Предложена математическая модель силовой составляющей процесса сверления, учитывающая ее изменение во времени. Значительная часть математических моделей получены эмпирическими методами и имеют
ограниченную область применения. взаимодействия, элементы зоны стружкоообразования можно выразить в классической ньютоновской системе, и сила, расходуемая на «чистое» резание Rр может быть выражена как:
R= P2+P2 , (2) рsN
где Ps – сила, действующая вдоль плоскости сдвига (рисунок 2), и определяемая наличием касательных напряжений τs; PN – сила, перпендику- лярная плоскости сдвига, и обусловлен- ная нормальным напряжением σ.
При рассмотрении энергосилового
Рисунок 2. План сил, действующих при сверлении.
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.
аб
Рисунок 1. Расчетная схема изогнутого сжато-закрученного сверла в плоскости XOY(a), в плоскости XOZ(б).
По полученным формулам можно выполнять расчёты для
вновь проектируемых и
действующих процессов. проектирования
технологических На стадии может быть расчёт ожидаемой смещения оси которые связывают
выполнен
погрешности
отверстия, 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.
11

Учитывая обрабатываемый материал, геометрию режущего клина, кинематику процесса резания и коэффициент усадки стружки, составляющие силы резания определяются следующими соотношениями:
 a  cosβ P=
K С V τσ  1-tgγ  tgα  
(1+K2)+  h р ср  bτ, (3)
Т р ετ 
3 -2ααN  tgα  s
Z sinβ 1к  Ae Sкλи π 
 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 b – длина режущих кромок сверла; σср – средние нормальные напряжения; Ch – безразмерная переменная, зависящая от материала контактирующих тел; Vр – скорость резания; τ – время работы инструмента; A, αк – экспериментально определяемые переменные; λи – коэффициент теплопроводности материала; αт – коэффициент температуропроводности материала заготовки; Nр – мощность резания.
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 дегид- ратации присадки; fвл – коэффи- циент влажности присадки; С – удельная теплоемкость СОТС.
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
Рисунок 3. Влияние скорости резания и различных составов СОТС
на температуру резания.
12

нержавеющей стали 12Х18Н10Т 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 процессов сверления, позволяющие изучать обработанные поверхности с учетом изменения геометрии режущих кромок инструмента за период стойкости сверла, оценивать и контролировать составляющие силы резания, и температуру в технологической системе.
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
Исследовано взаимодействие
сверления (рисунок
Как видно из рисунка 5, температура при «сухом» резании по мере заглубления сверла нарастает и достигает максимальных значений. Аналогичное явление наблю- дается 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.
Рисунок 5. Зависимость температуры режущих кромок сверла от времени при подаче различных СОТС.
Рисунок 4. Зависимость тангенциальной силы резания PZ при сверлении стали 12Х18Н10Т в условиях подачи различных СОТС.
были проведены эксперименты по замеру
температуры в зоне резания
температуры в идентичных условиях при каждом виде подаваемой СОТС, результаты которых представлены на рисунке 5.
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 6. Зависимости предельного износа спиральных сверл диаметром 22 мм от режимов обработки стали 12Х18Н10Т.
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 рисунках 7 представлены зависимости развития среднего износа задней поверхности и износа у уголков от суммарной глубины просверленных отверстий при различных скоростях резания.
а) б)
в) г)
Рисунок 7. Зависимость среднего износа по задней поверхности сверла и износа у уголков от суммарной глубины отверстий при сверлении:
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.
14

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).
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.
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,
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.
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
No партии
Округлость сечения – ∆, мкм
max min Дисперсия σ2 мкм2
Погрешность диаметра –∆d. мкм
max min Дисперсия σ2 мкм2
существующей и предлагаемой технологиям.
По заводской технологии
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
По предлагаемой технологии
26,67 16,13
max min
Дисперсия max min σ2 мкм2
Дисперсия σ2 мкм2
1 20 9 2 14 5 3 19 8
j 17,67 7,33
3,36 45 29 7,11 2,25 42 21 12,25 3,36 43 21 13,44 2,99 43,33 23,67 10,935
1,75 1,17 1,13 1,47
i j
1,35 1,41
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.
Результаты диссертационного исследования внедрены в производство на завод АО «Пневматика» (г. Симферополь), ФГБУН «НИИСХ Крыма» (г. Симферополь), а также в учебный процесс ГБОУВО РК «Крымский инженерно-педагогический университет имени Февзи Якубова.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Разработана динамическая математическая модель сверления отверстий спиральными сверлами, учитывающая поперечные смещения сжато- закрученного сверла и их производные в двух главных центральных плоскостях при продольно-поперечном изгибе. Проведенные расчеты показывают, что деформация сверла оказывает значительное влияние на точность обработанного отверстия. Для компенсации этого эффекта разработана модель, учитывающая изменение состояния технологической системы с течением времени, что позволило прогнозировать формирование таких показателей качества поверхностей детали как точность размера и шероховатость.
2. Получены аналитические зависимости для расчёта составляющих сил 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.
Получены математические выражения, позволяющие осуществлять расчет температур в зоне контакта, за период стойкости инструмента, а также зависимости для расчёта составляющих сил резания, учитывающее износ режущих кромок сверла
4. Эффективность механической обработки на операциях сверления повышается за счет применения разработанных способов управления процессом, которые устанавливают связь между величиной предельного износа инструмента с режимами обработки, позволяют повысить точность и качество обрабатываемых деталей, а также увеличивают период стойкости режущего инструмента.
5. Получена аналитическая зависимость определения периода стойкости режущего инструмента с учетом предложенных циклов обработки, величины подачи и скорость резания до достижения сверлом предельной величины износа.
6. Производственные испытания показывают, что при обработке изделий по предложенной методике на операциях сверления по сравнению с традиционными методами показывает более высокое качество поверхностей. При сверлении отверстий дисперсия по округлости сечения уменьшается в 1,75
3. Проведенная качественная и количественная оценка математической модели процесса сверления свидетельствуют об её адекватности реальному процессу. Отклонения экспериментальных значений от расчетных составили не более 10%, что позволяет использовать модели для управления показателями процесса сверления в рассмотренных диапазонах варьирования режимов резания.
раза, а по погрешности диаметра поверхности в 1,47 раза. Одновременно повышается производительность операции сверления в среднем на 20%.