ДонНТУ   Портал магістрів

Лихманюк Катерина Олегівна

Факультет інженерної механіки та машинобудування

Кафедра технології машинобудування

Спеціальність Інформаційні технології в машинобудуванні

Підвищення ефективності обробки тонким точінням інструментами з надтвердих матеріалів

Науковий керівник: к. т. н., доцент Івченко Тетяна Георгіївна

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Мета і завдання дослідження
• 2. Практичне значення і наукова новизна отриманих результатів
• 3. Основний зміст і результати роботи
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

Підвищення ефективності механічної обробки деталей машин – найважливіше завдання машинобудування. Відома висока ефективність використання сучасних надтвердих інструментальних матеріалів (ВТМ) на фінішних операціях, у тому числі на операції тонкого точіння.

Найбільш поширені в даний час ВТМ на основі надтвердих модифікацій нітриду бору, які трохи поступаючись по твердості алмазу, характеризуються високою термостійкістю, яка досягає 1500 °С, високим опором термічним ударам і циклічних навантажень, а також слабким хімічним взаємодією з залізом.

Найбільша ефективність застосування тонкого точіння можлива при правильному, оптимальному виборі режимів різання, схем обробки, геометрії і конструкції інструментів. Особливістю використання інструментів з ВТМ є обробка на високих швидкостях різання, що призводить до суттєвого зростання температур в зоні різання і вимагає розробки заходів щодо її зниження.

Одним із шляхів вирішення цієї проблеми є використання мастильно-охолоджувальних технологічних середовищ (МОТС), що дозволяє знизити знос ріжучого інструменту, підвищити якість оброблюваної поверхні і продуктивність обробки.

При обробці тонким точінням інструментами з ВТМ особливу увагу слід приділити способам подачі МОТС в зону різання. Найбільш поширеним на сьогоднішній день є полив вільно падаючої струменем рідини. Такою системою подачі обладнані як нові верстати, так і ті, які перебувають на виробництві не один десяток років. Друге місце серед способів подачі займає подача МОТС напірної струменем. З-за великої швидкості і обʼєму рідини, яка проходить через зону різання, він дає найбільший ефект охолодження. Однак, вищезгадані способи не використовуються при обробці тонким точінням інструментами з ВТМ. На цих операціях використовується спосіб подачі рідини розпиленням, який дає більший ефект охолодження ніж полив вільно падаючої струменем, але поступається подачі напірної струменем.

Потенційні можливості й умови ефективного застосування інструменту з ВТМ для обробки деталей машин ще не достатньо досліджені, тому подальше розкриття цієї теми є досить актуальним.

1. Мета і завдання дослідження

Мета роботи: підвищити продуктивність обробки тонким точінням з використанням сучасних інструментальних матеріалів за рахунок обґрунтування оптимальних режимів різання та застосування мастильно-охолоджуючих технологічних середовищ.

Основні завдання досліджень:

1. Досліджувати номенклатуру сучасних інструментальних матеріалів і конструкції інструментів, оснащених пластинами з ельбору, вивчити особливості процесу обробки різанням інструментами, оснащеними ВТМ.
2. Проаналізувати особливості використання МОТС при токарної обробки деталей машин та обґрунтувати доцільність їх застосування при тонкому точінні.
3. Досліджувати тепловий стан зони різання при обробці тонким точінням з використанням МОТС та розробити теоретичні моделі визначення температури різання в залежності від режимів різання з урахуванням дії МОТС.
4. Дослідити закономірності формування поверхневого шару при обробці тонким точінням і розробити теоретичні моделі визначення параметрів шорсткості в залежності від режимів різання з урахуванням дії МОТС.
5. Розробити методику аналітичного визначення оптимальних режимів різання при тонкому точінні з використанням МОТС за критерієм максимальної продуктивності.
6. Визначити оптимальні за критерієм максимальної продуктивності режими різання і розробити рекомендації по їх вибору для разнличных умов тонкого точіння з використанням МОТС.

Обʼєкт дослідження – процес обробки деталей машин тонким точінням з використанням МОТС.

Предмет дослідження – технологічні показники обробки тонким точінням з використанням МОТС – температура різання, параметри шорсткості обробленої поверхні, продуктивність обробки.

Основні положення магістерської роботи:

Автор захищає комплексний підхід до забезпечення високопродуктивної обробки деталей машин тонким точінням інструментами з ВТМ з використанням МОТС.

2. Практичне значення і наукова новизна одержаних результатів

Наукова новизна одержаних результатів полягає:

• у розробці теоретичних моделей визначення температури різання і шорсткості обробленої поверхні в залежності від режимів різання при обробці тонким точінням з використанням МОТС;
• встановлення аналітичних залежностей оптимальних режимів різання від умов обробки тонким точінням з використанням МОТС за критерієм максимальної продуктивності.

Практичне значення отриманих результатів полягає:

• у створенні обгрунтованих рекомендацій по вибору оптимальних режимів різання для різних умов обробки тонким точінням інструментами з ВТМ з використанням СОТС.
• у розробці технологічного процесу обробки деталей гідроапаратури з обґрунтуванням доцільності застосування СОТС.

3. Основний зміст і результати роботи

Основні закономірності протікання процесу різання при тонкому точінні загартованих сталей (НRС 60–62), які описують залежності стійкості ріжучого інструменту Т, температури різання Θ і шорсткості обробленої поверхні Ra від швидкості різання V, подачі S і глибини різання t виражаються наступним чином [1]:

де K_M – коефіцієнт, що враховує властивості оброблюваних матеріалів (K_M = l для сталі Р6М5, K_M = l,1 для сталі Р18, K_M = 0,4 для сталі 40Х).

При оптимізації режимів різання за критерієм максимальної продуктивності цільова функція виражається наступним чином: n × S → max. Основні обмеження при тонкому точінні – з можливостей ріжучого інструменту, по температурі різання, шорсткості обробленої поверхні та кінематичні. В результаті лінеаризації цільової функції і обмежень математична модель процесу різання виражається системою лінійних нерівностей (X1 = ln n; X2 = ln S):

де D – діаметр обробки, C_V, K_V, x_v, y_v, m – коефіцієнти і показники, що характеризують ступінь впливу глибини t, подачі S, стійкості T на швидкість різання V; З , x_t, y_t, n_t – коефіцієнт і показники, що характеризують ступінь впливу глибини t, подачі S швидкості V і на температуру різання: x _r, y_r, n _r – коефіцієнт і показники, характеризують ступінь впливу глибини t, подачі S, радіуса при вершині інструменту r на шорсткість обробленої поверхні R, n_min, n_max, S_min, S_max – гранично допустимі діапазони частот обертання і подач на верстаті.

В результаті рішення системи лінійних нерівностей (2) встановлені оптимальні подача S_о1 і швидкість різання V_о1:

де Θ – граничне значення температури різання, що свідчить про необхідність врахування температурного обмеження:

де оптимальні подача S_о1і швидкість різання V_о1:

Для забезпечення мінімальної собівартості в якості критерію оптимальності приймається змінна частина собівартості обробки, залежить від режимів різання:

де А – собівартість станкоминуты; А_і – вартість одного періоду стійкості інструменту T; t_o– основний час обробки; t_c – час зміни інструмента.

При визначенні оптимальних значень швидкості різання і подачі з заданою глибиною різання t в умовах однопрохідної обробки з урахуванням температурних обмежень цільова функція виражається наступним чином [6]:

Обмеження по шорсткості при оптимізації режимів тонкого точіння з використанням МГП представляється у вигляді:

Оптимальні подача S₂ і швидкість різання V₂ визначаються в результаті рішення системи лінійних рівнянь:

В результаті рішення системи лінійних рівнянь (8) встановлені оптимальні подача S₂ і швидкість різання V₂:

У внаслідок порівняльного аналізу залежностей оптимальних подач і швидкостей різання від умов обробки, які визначаються за різними критеріями – максимальної продуктивності (3) і мінімальної собівартості (11) встановлено:

• оптимальна подача не залежить від вибору критерію оптимальності і визначається обмеженням по шорсткості (це справедливо в тому випадку, коли швидкість різання несуттєво впливає на шорсткість і не враховується в цьому обмеженні);
• оптимальна швидкість різання не залежить від вибору критерію оптимальності в тому випадку, коли вона визначається з урахуванням температурного обмеження в умовах, перевищення фактичної температури різання допустимого рівня;
• оптимальна за критерієм максимальної продуктивності швидкість різання, визначається з урахуванням обмеження по ріжучих властивостей інструменту при температурах різання, нижче допустимого рівня, перевищує швидкість різання, оптимальну за критерієм мінімальної собівартості.

Коефіцієнт перевищення:



Розрахунки оптимальних режимів різання, що забезпечують максимальну продуктивність і мінімальну собівартість тонкого точіння загартованих сталей при зазначених раніше параметри процесу різання (1) виконано для таких умов:
різці з ельбору – головний кут в плані φ = 35°, допоміжний кут в плані φ₁ = 15°, передній кут γ = -10°, задній кут α = 15°, радіус при вершині σ = 0,8 мм; глибина різання t = 0,5 мм; шорсткість поверхні R_a = 1,25 мкм; вартість станкохвилини А = 5 коп/хв; вартість 1 періоду стійкості інструменту._і = 500 коп/період; час зміни інструменту t_c = 5 хв).

Оптимальні режими різання з урахуванням температурних обмежень: S₀ = 0,1 мм/об; V₀ = 64,4 м/хв. Оптимальні швидкості різання без урахування температурних обмежень за критерієм максимальної продуктивності – V_о1 = 88, 2 м/хв; за критерієм мінімальної собівартості –
V₂ = 81,6 м/хв. Температури різання для цих швидкостей складають відповідно Θ₁ = 852 °С, Θ₂ = 839 °С.

Облік температурних обмежень призводить до зниження оптимальних режимів різання, а, отже, до зниження продуктивності і підвищення собівартості обробки. Ефективним способом зниження температур різання і зняття температурних обмежень є використання мастильно-охолоджувальних середовищ (МОТС), які при тонкому точінні загартованих сталей різцями з надтвердих інструментальних матеріалів доцільно подавати в зону різання в розпиленому стані.

Кількісна оцінка підвищення ефективності обробки при тонкому точінні при знятті температурних обмежень може бути виконана на підставі коефіцієнтів підвищення продуктивності К_Р і зниження собівартості К₀:




Рис. 2 – Залежність коефіцієнтів зниження собівартості і вищеня продуктивності від шорсткості R_a

Графіки коефіцієнтів зниження собівартості К_c і підвищення продуктивності К_Р в залежності від шорсткості обробленої поверхні R_a, представлені на рис. 1, дозволяють кількісно оцінити підвищення ефективність тонкого точіння при знятті температурних обмежень.

При зниженні вимог до шорсткості обробленої поверхні (збільшення параметра R_a) коефіцієнт зниження собівартості К_c зменшується, коефіцієнт підвищення продуктивності К_Р – зростає, що свідчить про необхідність зниження температури і доцільності використання МОТС. В області малих значень параметра R_a (менше 0,5 мкм) коефіцієнти підвищення продуктивності К_Р і зниження собівартості К близькі до 1 (К_Р = 1 < 1), що свідчить про недоцільність зниження температури.

Графіки залежності оптимальних значень подачі S₀ і швидкості різання V₀ від шорсткості обробленої поверхні R_a (рис. 2) дозволяють регламентувати оптимальні режими тонкого точіння для різних умов обробки.



Рис. 3 – Вплив параметра шорсткості R_a на оптимальні подачі S_о для різних радіусів при вершині r – а); на оптимальні за різними критеріями швидкості різання V_о – б)

Графіки оптимальних швидкостей різання V₀, не враховують температурні обмеження представлені для різних критеріїв: максимальної продуктивності – 1, мінімальної собівартості – 2.

Облік температурних обмежень знижує оптимальні швидкості різання – 3, тим сильніше, чим більше параметр R_a.

Висновки

З використанням методів лінійного і геометричного програмування здійснена оптимізація режимів тонкого точіння загартованих сталей за критеріями максимальної продуктивності і мінімальної собівартості з урахуванням температурних обмежень. Виконано порівняльний аналіз оптимальних подач і швидкостей різання, визначених за різними критеріями оптимальності. Обгрунтовано можливість підвищення продуктивності тонкого точіння в 1,4 рази, зниження собівартості в 1,3 рази за рахунок зняття температурних обмежень

Розроблена методика може бути використана для будь-яких видів обробки.

Перелік посилань

1. Режущие инструменты, оснащенные сверхтвердыми и керамическими материалами, и их применение: [Справочник] / В. П. Жедь,
   Г. В. Боровский, Я. А. Музыкант, Г. М. Ипполитов. – М.: Машиностроение, 1987. – 320 с.
2. Оптимизация и управление процессом резания: / О. С. Кроль, Г. Л. Хмеловский. – К.: УМК ВО, 1991. – 140 с.
3. Івченко Т. Г. Двохкритеріальна оптимізація режимів різання під час обробки чавунів інструментами з надтвердих матеріалів / Т. Г. Івченко, Є. В. Полякова // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: – Донецк: ДонНТУ, 2011. Вып. 41. – С. 152–158.
4. Ивченко Т. Г., Оптимизация режимов резания при чистовом и тонком точении методом геометрического программирования / Т. Г. Івченко, Е. Е. Шальская // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: – Донецк: ДонНТУ, 2010. Вып. 39. – С. 91–97.
5. Івченко Т. Г. Оптимізація параметрів процесу різання з обліком температурних обмежень / Т. Г. Івченко // Научный вестник ДГМА. – Краматорск: ДГМА, 2012. – № 1 (9 Е). – С. 72–77.
6. Івченко Т. Г. Учет температурных ограничений при оптимизации режимов резания методом геометрического программирования / Т. Г. Івченко // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: – Донецк: ДонНТУ, 2014. Вып. 1 (47). – С. 144–148.
7. Ивченко Т. Г., Лыхманюк Е. О., Повышение эффективности тонкого точения закаленных сталей за счет оптимизации режимов резания // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: – Донецк: ДонНТУ, 2014. Вып. 4 (50) – С. 107–112.
8. Наукова електронна бібліотека періодичних видань НАН України [Электронный ресурс]: контроль качества смазочно-охлаждающих технологических средств. Режим доступа: http://dspace.nbuv.gov.ua