Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Процессы механической обработки, станки и инструменты

Диссертационная работа:

Тахман Симон Иосифович. Развитие теории изнашивания твердосплавных инструментов на основе термомеханики поведения их поверхностей при резании пластичных материалов : диссертация ... доктора технических наук : 05.03.01 / Тахман Симон Иосифович; [Место защиты: ГОУВПО "Российский университет дружбы народов"].- Москва, 2009.- 275 с.: ил.

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Принятые обозначения 2

ВВЕДЕНИЕ 6

1. АНАЛИЗ ВОПРОСОВ ИЗНАШИВАНИЯ ЛЕЗВИЙНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ, РАСЧЕТА ИХ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И НАЗНАЧЕНИЯ РЕЖИМОВ ИХ РАБОТЫ 14

1.1. Процессы изнашивания режущего клина и характеристики его износостойкости 18

1.2. Существующие подходы к оптимизации режимов резания 61

1.3. Цель и задачи исследования 77

2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЛЕЗВИЙНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ 80

2.1. Структурный анализ вопроса достоверности расчетных режимов 83

2.2. Границы и информационное содержание области разрешенных режимов для конкретного технологического перехода 88

2.3 Разработка общих уравнений для расчета критериев оптимальности процесса лезвийной обработки 100

Выводы по главе 2 112

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ КОНТАКТНЫХ ПРОЦЕССОВ НА ФАСКЕ ИЗНОСА 114

3.1. Закономерности силового взаимодействия обрабатываемого материала с фаской износа 114

3.2. Теплофизика процессов изнашивания задних поверхностей лезвийных инструментов при точении и фрезеровании 120

3.3. Расчетные модели твердых сплавов и их усталостного разрушения в процессе изнашивания 1 3.3.1. Физическая модель структуры твердого сплава и её проверка на достоверность 138

3.3.2. Расчетные модели состояния поверхностного слоя фаски износа и усталостного разрушения твердых сплавов на любой стадии изнашивания 154

Выводы по главе 3 174

4. РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ 177

4.1. Физическое обоснование выбора расчетной характеристики износостойкости лезвийного инструмента и её использование для оценки других показателей износостойкости 177

4.2. Влияние температуры контакта на прочностные свойства твердых сплавов

185

4.3. Термомеханические расчетные модели интенсивности изнашивания твердосплавного режущего клина по двум вариантам разрушения контактного слоя 188

4.4. Прогноз характеристик износостойкости твердосплавного инструмента в заданных условиях обработки 196

Выводы по главе 4 201

5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОЛОГИИ РАСЧЕТА ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ ТВЕРДОСПЛАВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ В ЗАДАННЫХ УСЛОВИЯХ ОБРАБОТКИ 204

5.1. Особенности расчета показателей износостойкости контактных поверхностей режущего клина при фрезеровании 204

5.2. Уточнение расчетных моделей ряда выходящих на ограничители показателей процесса резания по его выходным характеристикам 212

5.2.1. Показатели, связанные с учетом силовой нагрузки 212

5.2.2. Показатели, связанные с деформацией стружки и контактными температурами 244

5.2.3. Показатели, связанные с ограничительными функциями критериев оптимальности режимов 256

5.3. Выбор рациональных режимных параметров по результатам оптимизационных расчетов в ОРР 260

5.3.1. Особенности реализации системы оптимизационных расчетов примере экранного представления применительно к твердосплавному резцу на примере экранного пре

полученных информационных материалов 262

5.3.2. Оценка достоверности результатов расчета рационального режима токарной обработки 269

Выводы по главе 5 271

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 275

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ 279

ПРИЛОЖЕНИЯ 293

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Формулы для расчета высоты шероховатости 294

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Вывод формулы для расчета усадки стружки 298

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Закономерности изнашивания твердосплавного инструмента 300

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Программа назначения рациональных режимов работы твердосплавных резцов и фрез 301

а) Блок-схема расчетного алгоритма

б) Окно ввода исходной информации

в) Фрагмент расчетного блока программы

г) Примеры экранного представления результатов расчета

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Перечень х/д НИР, в которых отрабатывались методики, включенные в диссертацию 309

ПРИЛОЖЕНИЯ 6-9 Акты производственного внедрения разработок 312

ПРИЛОЖЕНИЯ 10-12. Акты внедрения материалов диссертации в учебный процесс 316

СОДЕРЖАНИЕ  

Введение к работе:

Актуальность темы. Прогресс техники и технологий постоянно ставит перед наукой о резании в качестве основной проблему повышения эффективности процессов обработки в машиностроении, связанную с повышением износостойкости режущего инструмента. На повышение этого ресурса направлены исследования по разработке новых инструментальных материалов, рациональному использованию известных инструментальных материалов, оптимизации геометрических параметров лезвийных инструментов и режимов эксплуатации режущего клина. В том же направлении проводятся работы по созданию на рабочих поверхностях режущего клина износостойких покрытий или их предварительному упрочнению. Результаты работ по каждому из них поясняют определенную сущность протекающих процессов или фиксируют на уровне гипотез состояние объектов после происшедших процессов. Поэтому до сих пор невозможно точно прогнозировать результаты изменения износостойкости режущего клина ни по одному из перечисленных направлений, хотя все они требуют расчета, прогноза или регулирования износостойкости инструмента.

Проблема расчета показателей износостойкости делится на две - уточнение закономерностей процесса изнашивания с формированием необходимых расчетных моделей и определения момента окончания изнашивания режущего клина с учетом всей совокупности ограничителей, влияющих на саму возможность осуществления процесса резания. Каждая из этих проблем требует своих подходов и своего инструментария. Достигаемые при постоянных режимах обработки показатели износостойкости формируются в каждом виде обработки сложным характером зависимости нарастания износа инструмента (формой кинетической кривой изнашивания) и принятым из практики значением допускаемого износа (критерием износа). Наука о резании до сих пор не имеет расчетных моделей для прогноза ни характера нарастания износа, ни критерия износа для конкретных условий обработки. Поэтому в ней используются только интегральные показатели износостойкости, такие как период стойкости - суммированное время резания до достижения критерия износа, или на этом периоде путь резания, площадь обработанной поверхности детали, объём удаленного припуска или количество обработанных деталей.

Для решения научной проблемы повышения износостойкости контактных поверхностей режущего клина требуется повысить достоверность физического и математического моделирования процессов контактного взаимодействия инструмента с обрабатываемым материалом, что может быть достигнуто на основе дифференциальных показателей износостойкости, закономерно связанных с истинным рабочим состоянием контакта на любой стадии изнашивания инструмента. И так как процессы изнашивания протекают при повышенных температурах, то к их описанию надо подходить термомеханически, с учетом влияния температуры на свойства инструментального материала.

Для решения научной проблемы выбора критерия износа поверхностей режущего клина требуется учесть связи между существующими ограничителями возможности осуществления процесса резания, параметрами геометрии инструмента и режима резания, и изменяющимся в процессе резания уровнем износа поверхностей инструмента. Для этого к критерию износа необходимо подходить как к одному из показателей износостойкости.

Таким образом, раскрытие специфических механизмов изнашивания режущего клина и общих закономерностей их функционирования в постоянных и переменных условиях резания с целью создания на их основе расчетных моделей для прогноза показателей износостойкости в заданных условиях обработки является проблемой, актуальной для науки о резании материалов и имеющей большое значение для практики механической обработки.

Исходя из сказанного, сформулирована цель работы.

Цель работы: Повысить эффективность назначения режимов лезвийной обработки конструкционных сталей твердосплавным инструментом на основе учета термодинамических закономерностей их изнашивания.

Основанием для выполнения работы послужил тематический план НИР КГУ, финансируемый из средств федерального бюджета по единому заказ-наряду Министерства науки и образования РФ, г/б темы №07, №110. Отдельные разделы работы включались в научно-технические программы - государственную «Разработка общемашиностроительных нормативов режимов резания и создание единой системы рациональной эксплуатации режущих инструментов» и отраслевую «Авиационная технология».

Методы исследования. Теоретические исследования проводились на базе основных положений теории резания, физики твердого тела, термомеханики процессов резания, объединившей механику пластических деформаций и теплофизику резания, теории разрушения материалов, математического и физического моделирования с использованием методов вычислительной математики. Для разработки математических моделей использовались результаты исследований условий контактного взаимодействия режущего клина с обрабатываемым материалом, проведенных автором и другими исследователями.

Экспериментальные исследования проводились по известным и разработанным автором методикам в лабораторных и производственных условиях. Широко использовались возможности вычислительной техники для расчетов, а также стандартные и специальные измерительные устройства и приборы.

Научная новизна работы состоит в:

оценке интенсивностей изнашивания твердосплавного инструмента при работе с постоянной и переменной толщиной среза в зависимости от размеров зерен твердой фазы, содержания связки в сплаве, температуры контактных поверхностей и соответствующих ей показателей прочности материалов связки и заготовки;

установлении общей зависимости от контактной температуры изменений прочностных показателей кобальта и никеля (работающих материалов связок стандартных твердых сплавов), определяющих деформируемость и сопротивляемость усталостным разрушениям сплава в его рабочем состоянии;

структурных моделях для расчета интенсивностей изнашивания твердосплавных инструментов, соответствующих двум вариантам усталостного разрушения поверхностного слоя сплава в разных диапазонах контактных температур: высокотемпературного - по твердым зернам с послойным удалением с них частиц износа, и низкотемпературного - по связке с отделением целых зерен или их крупных остатков;

оценке средних температур фаски на задних поверхностях инструмента по мере роста её износа с учетом степени нагрева материала заготовки перед фаской и наличия участка снижения контактной температуры на самой фаске.

Практическая значимость работы заключается в:

снижении необходимости отладки режимов токарных и фрезерных технологических переходов при оценке допускаемого износа инструмента на каждом сочетании режимных параметров станка;

возможности на любом уровне допускаемого износа определять режим обработки для достижения желаемого периода стойкости твердосплавных инструментов при работе по конструкционным сталям;

возможности прогноза условий работы твердосплавного инструмента, обеспечивающих максимально возможную для заданных марок сплава и стали длину пути резания за период стойкости.

Основные положения, выносимые на защиту.

  1. Расчетная модель механизма контактного взаимодействия и усталостного разрушения обрабатываемым материалом поверхностного монослоя различных твердых сплавов и соответствующая ей аналитическая модель расчета толщины частиц износа, удаляемых с твердых зерен в возникших условиях контакта;

  2. Единые для различных марок сплавов и любых поверхностей режущего клина

структурные модели для расчета интенсивностей изнашивания при двух вариантах усталостного разрушения твердых сплавов - по карбидным зернам с послойным отделением частиц износа и по связке с отделением целых зерен.

  1. Теплофизическая модель влияния гомологической температуры изнашиваемой поверхности режущего инструмента на формирующие действительные уровни сопротивляемости усталостным разрушениям этой поверхности в её рабочем состоянии прочностные свойства кобальта и никеля - работающих материалов в связках стандартных твердых сплавов.

  2. Общая для точения и фрезерования методика прогноза интегральных показателей износостойкости твердосплавного инструмента известной марки при обработке конструкционных сталей в заданных условиях и с известным критерием износа.

  3. Расчет оптимального режима технологического перехода для заданного твердосплавного инструмента с учетом изменения уровней деформации стружки и величин допускаемого износа при различных сочетаниях режимных параметров на используемом станке.

Реализация результатов работы: Методика расчета подач с учетом износа концевых фрез на периоде стойкости для программирования контурной обработки на станках с ЧПУ прошла промышленные испытания на Ташкентском авиационном заводе и по их результатам введена в отраслевые РТМ Минавиапрома СССР. Аналогичная методика для всех типов фрез вошла в силовую часть «Общемашиностроительных нормативов режимов резания при фрезеровании на станках с ЧПУ». Отдельные разработки использовались в пакетах прикладных программ по расчету режимов резания и нормированию работ на токарных и фрезерных станках, переданных для использования УМПО "Уфимское моторостроительное объединение" и ПО «Ижорский завод». Разработки по прогнозу стойкости твердосплавных инструментов и оптимизации режимов переданы для производственных испытаний на курганские машиностроительные предприятия ОАО «Курганмашзавод» и ОАО АК «Корвет».

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс и используются в курсах лекций и в учебных пособиях по дисциплинам «Резание материалов» и «Эксплуатация режущего инструмента».

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на региональных, российских и международных научно-технических конференциях в городах: Кургане (1990), Киеве (1992), Уфе (1994), Томске (1997), Рыбинске (1994, 1999), Тюмени (2000), Санкт-Петербурге (2002). Всего по материалам диссертации сделано свыше 30 докладов и сообщений на симпозиумах, конференциях и семинарах.

В полном объёме диссертация заслушана и одобрена на объединённых научных семинарах кафедр «Металлорежущие станки и инструменты» и «Технология машиностроения» Курганского госуниверситета, «Высокоэффективные технологии обработки», «Технология машиностроения» и «Инструментальная техника и технологии формообразования» ГОУ МГТУ «СТАНКИН»; на научных семинарах Трибологического центра при Ивановском госуниверситете, кафедр «Оборудование и инструмент компьютеризированного производства» Южно-Уральского госуниверситета, «Технология машиностроения, станки и инструмент» Томского политехнического университета, «Инструментальная техника и технологии» ГОУ МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также на заседании Головного совета «Машиностроение» Министерства образования РФ (Снежинск, 2001).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 57 научных работах, в том числе в монографии и учебном пособии в 2 частях, 16 статьях в центральных журналах, 19 статьях в сборниках научных трудов, 15 работах в сборниках трудов конференций различных уровней, 3 авторских свидетельствах и патенте. Во ВНТИЦ зарегистрировано четыре отчёта о госбюджетных НИР, выполненных по теме диссертации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных 158-ми наименований источников, 2-х приложений, изложена на 238 с, содержит 216 формул, 78 рисунков, 23 таблицы.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net