Повышение эффективности эксплуатации сборного режущего инструмента путем обеспечения его прочностной надежности на стадии проектирования

Современное состояние экономического спада в стране, с одной стороны, остро ставит вопросы рационального использования ресурсов промышленного производства: в частности средств технического оснащения и, прежде всего его малоресурсных элементов режущего инструмента. С другой стороны перспективы развития металлообработки связаны с увеличивающимися объемами использования сборного режущего инструмента оснащенного сменными механически закрепляемыми пластинами: из твердых сплавов, в том числе безвольфрамовых, режущей керамикой, керметами и сверхтвердыми материалами. Эффективное использование сборного режущего инструмента в автоматизированных технологических системах требует повышения его производительности, надежности и экономичности. Отсутствие методов оптимизации конструкций такого инструмента на стадии проектирования и стремление к созданию высокопроизводительного режущего инструмента привели к созданию и параллельному существованию большого количества конструкций режущего инструмента одного назначения, отличающихся как способами механического крепления и базирования режущей пластины, так и многочисленными конструктивными отличиями в рамках каждого из способов. В этих условиях задача научно обоснованного расчета конструкций сборного инструмента, выбора оптимальной конструкции для конкретных условий обработки представляются весьма актуальными. Постановка такой задачи отвечает требованиям создания эффективного высокопроизводительного инструмента.

Исследования в этом направлении проводятся в РУДН, МГТУ «Станкин», МГТУ, филиале СПГМТУ в г. Северодвинске, ВНИИинструмент, отраслевой лабораторией Краматорского индустриального института и рядом других учебных и научных учреждений и промышленных предприятий. Настоящая диссертационная работа является составной частью общего комплекса исследований по проблемам надежности режущего инструмента и имеет целью повышение его эффективности путем обеспечения и повышения прочностной надежности на стадии проектирования.

Для реализации поставленной цели: выполнен анализ основных факторов, определяющих работоспособность сборного режущего инструментаразработаны методики расчета напряженно-деформированного состояния инструмента с учетом раскрытия стыка методом конечных элементов (МКЭ) и аналитическим методомобоснован выбор граничных условий при решении данной задачиоценено влияние формы распределения нагружающей силы на напряженное состояние режущей пластиныпроведены исследования влияния способов закрепления режущей пластины и отдельных конструктивных отличий узлов ее закрепленияпроведены сравнительные производственные испытания.

На основе результатов исследования разработана методика оценки напряженно-деформированного состояния сборного режущего инструмента и оптимизации его конструкций по критерию прочности. Разработаны практические рекомендации по конструированию сборного режущего инструмента. Спроектированы и защищены авторскими свидетельствами конструкции инструмента, принятых для внедрения и промышленной эксплуатации в АО «Томский инструмент» и АО «СЕВЕРСТАЛЬ». Отдельные вопросы методики расчета используются в учебном процессе филиала СПГМТУ в г. Северодвинске.

Отдельные разделы работы и вся работа в целом докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры и научных конференциях филиала СПГМТУ в г. Северодвинске, НТО имени А. Н. Крылова, республиканской конференции в г. Кирове.

Основные результаты исследования опубликованы в 8 печатных работах, 3 из которых являются патентами на изобретения.

На защиту выносятся: методика приближенного расчета напряженно-деформированного состояния сборного режущего инструмента аналитическим методом;

— методика расчета напряженно-деформированного состояния сборного режущего инструмента методом конечных элементов, при решении контактной задачи с учетом раскрытия стыка;

— результаты определения оптимальных граничных условий для решения задачи расчета напряженно-деформированного состояния инструмента различного назначения;

— результаты исследования, влияния распределения сил резания, на напряженное состояние инструмента;

— результаты сравнительных расчетов НДС различных способов и условий закрепления режущей пластины;

— результаты лабораторных опытов с резанием для различных конструкций резцов;

— практические рекомендации по проектированию сборного режущего инструмента;

— разработанные, на основе результатов исследования, и защищенные патентами, конструкции сборного инструмента, внедренные в промышленную эксплуатацию.

ВЫВОДЫ.

1. Анализ литературных источников показал, что прочностная надежность сборного режущего инструмента является одним из важных технологических показателей эффективности обработки резанием. Увеличение обьема использования сборного режущего инструмента (СИ), обуславливает необходимость оптимизации параметров СИ сцелью повышения прочностной надежности как на стадии проектирования, так и при выборе СИ для конкретных технологических операций. Анализ источников показал необходимость учета, контактного характера взаимодействия элементов СИ. Создание расчетной модели НДС сборного режущего инструмента, с учетом его основных конструктивногеометрических параметров является актуальным.

2. Обоснована и разработана структурная конечно-элементная модель СИ учитывающая возможность раскрытия стыков между его элементами при статическом нагружении. Выбраны и обоснованы критерии прочностной надежности.

3. С помощью МКЭ проведен анализ влияния условий закрепления базирующего элемента (державка, корпус и т. д.) на НДС режущего элемента (пластины). На основании этого анализа выработаны практические рекомендации по моделированию НДС СИ, позволяющие существенно уменьшить, необходимый для оптимизации конструкции объем вычислений, без потери точности.

4. Обоснована и разработана математическая модель НДС режущего элемента при статическом нагружении, позволяющая учитывать влияние основных конструктивно-геометрических параметров. Достоинствами модели является: простота, по сравнению с известнымивозможность качественной оценки влияния параметров инструмента на его прочность. Разработана методика, позволяющая интегрально определять распределение реакций на опорных и упорных поверхностях режущего элемента.

5. На основе математической модели разработан комплекс программ для расчетного анализа НДС сборного режущего инструмента оснащенного, как стандартными, так и специальными режущими пластинами.

6. С помощью МКЭ осуществлена оценка точности математической модели, для различных вариантов нагружения, размеров и форм режущего элемента. Максимальная погрешность в определении опасных растягивающих напряжений на передней поверхности не превосходила 13%.

7. Анализ математической модели позволил сделать выводы о степени влияния различных параметров СИ на его прочность. Установлено, что степень влияния конструктивных параметров зависит от геометрии режущего клина и от распределения и соотношения составляющих силу резания. Степень влияния всех параметров СИ на прочность режущего элемента зависит от отношений Ъх/1,13, 1 — толщина и длина режущего элемента, 13 — расстояние до точки приложения сил закрепления), с увеличением этих отношений степень влияния снижается. Влияние всех конструктивно-геометрических параметров на прочность в основном опосредуется через величину и распределение реакции по опорной поверхности режущего элемента.

8. Уточнена степень влияния толщины Их режущего элемента на опасные с точки зрения прочности напряжения по передней поверхности. С увеличением ^ напряжения изменяются (уменьшаются) в степени более высокой, чем Ъ{2 получающейся из существующих моделей. Имеется предельная толщина элемента Ио, при превышении которой, снижение опасных напряжений становится незначительным. В общем случае, величина Ь0 зависит от остальных параметров инструмента и параметров нагружения, приблизительно ее можно оценить, как — Ь0"(1,1−1,3)-13: гДе 1 $ -расстояние от режущей кромки до точки приложения сил закрепления.

9. Установлен характер зависимости опасных напряжений на передней поверхности от расположения упорной базы режущей пластины.

10. Установлено, что тангенциально расположенные режущие пластины всегда имеют большую прочность по сравнению с радиальными тех же габаритов, причем опасные напряжения на передней поверхности тангенциальных пластин уменьшаются с приближением реакции упорной базы к передней поверхности и с уменьшением длины передней поверхности. При этом возрастают напряжения на задней поверхности и уменьшается общая прочность.

11. Все выводы из анализа подтверждены расчетами конечно-элементных моделей. Сравнение результатов с экспериментальными данными полученными лично автором и другими исследователями свидетельствуют о качественной достоверности полученных выводов.

12. На основании анализа математической и конечно-элементных моделей разработаны рекомендации к проектированию и использованию сборного режущего инструмента. На основании рекомендаций разработаны две конструкции сборных резцов общего назначения с тангенциально и радиально расположенными режущими пластинами. Внедрение резцов в эксплуатацию на ОАО «СЕВЕРСТАЛЬ» обеспечило подтвержденный экономический эффект, за счет повышения производительности и стойкости, а также за счет снижения себестоимости изготовления.

13. Методики оценки прочностной надежности и оптимизации параметров СИ, включающие в себя разработанные автором модели, приняты к использованию АО «Томский инструмент». На основании результатов работы разработаны методические пособия, используемые в учебном процессе СевмашВТУЗа (филиал СПбГМТУ).

14. Предложенные модели могут быть рекомендованы к использованию для оценки прочностной надежности существующих конструкций СИ в конкретных технологических операциях, и при оптимизации параметров СИ на стадии проектирования.

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИЮ СБОРНОГО ИНСТРУМЕНТА.

4.1. Практические рекомендации к проектированию сборного режущего инструмента.

Рекомендации к проектированию и эксплуатации сборного режущего инструмента, согласно подходу принятому в данной работе, следуют из анализа зависимостей прочностной надежности представленного в п. 3.1. По существу, сам анализ зависимостей НДС режущего инструмента от его параметров, выполненный в п. 3.1, может служить общими рекомендациями к проектированию новых и использованию существующих конструкций сборного инструмента. Как уже отмечалось, конкретные количественные рекомендации по обеспечению и повышению прочностной надежности режущего инструмента могут быть даны только для определенных технологических параметров обработки. Однако, представлялось целесообразным выработать некоторые качественные рекомендации, вытекающие из проведенного анализа.

1. Для радиально расположенных режущих элементов (пластин) (см. рис.4.1а) уменьшение опасных напряжений по передней поверхности связано с приближением равнодействующей реакции К по опорной поверхности к подвершинной части.

Такое приближение может быть достигнуто за счет отношения 13/ 11х и 33 счет уменьшения величины вертикальной составляющей Р3 сил закрепления. Однако, надо учитывать, что расстояние 13 часто определяется из условий отвода стружки. С другой стороны, с приближением И к подвершинной части, увеличиваются.

Рис. 4.1. Параметры, влияющие на прочность: а — радиально расположенныхб — тангенциально расположенных режущих пластин. максимальные контактные давления по опорной поверхности. Таким образом, смещение реакции К может быть ограничено из условия прочности на смятие материала державки (опорной пластины):

К г т.

— Г^км] (4−1) угь где: стк — максимальное контактное давление, в предположении о равномерном распределении реакции по опорной поверхности- [асм] -допускаемое напряжение на смятие материала державкиЬдлина режущей кромкивеличины К и уг определяются соответственно по формулам 2.32 и 2.34. Кроме вышеперечисленного нужно учитывать, что смещение К может влиять на динамическое качество сборного инструмента.

Смещение равнодействующей реакции N по упорной поверхности в сторону передней поверхности (уменьшение ш), увеличивает внецентренное сжатие режущего элемента, снижает растягивающие напряжения по передней поверхности. Таким образом, уменьшение величины — т, может быть рекомендовано для любых конструкций сборного инструмента, с целью увеличения его прочностной надежности. Смещение N к передней поверхности можно обеспечить за счет увеличения поднутрения угла паза. Однако, для гарантированного положения реакции N. лучше упорную поверхность выполнять слегка выпуклой (рис. 4.1а), обеспечивая точечный начальный контакт.

Смещение и увеличение горизонтальной составляющей сил закрепления — <23, в сторону опорной поверхности (увеличение ш), приближает реакцию — К к подвершинной части и уменьшает опасные напряжения. Представляется целесообразным, для пластин с отверстием, конструктивно обеспечивать возможность регулирования соотношение сил закрепления: Р3,.

Увеличению прочностной надежности режущего элемента, особенно при его малой толщине — способствует увеличение жесткости подвершинной части базирующего элемента (державки, корпуса и т. д.). Жесткость этой части можно повысить увеличивая угол бд базирующего элемента (рис. 4.1а), насколько позволяют условия обработки.

Для увеличения прочности малогабаритного сборного инструмента, например расточного, при невысокой жесткости державки (малой высоте державки Нд) целесообразно всемерно увеличивать отношения:^Л, Ъ^ 13. Увеличение отношения толщины пластины к расстоянию до сил закрепления — 13 например может быть достигнуто за счет крепления через накладной стружколом. Также перспективным представляется разработка и применение режущих элементов специальной формы с увеличенным отношением ЬД.

Модуль упругости опорных пластин, в большинстве случаев, мало влияет на напряжения в режущем элементе. Большее влияние наличие опорной пластины при режущих элементах малой толщины и при меньших отношениях — 13. Кроме того, влияние жесткости опорной пластины несколько увеличивается, если модуль упругости режущей пластины, (например из минераллокерамики), становится меньше модуля упругости опорной пластины (например твердосплавной). В целом же, опорные пластины целесообразно применять для обеспечения прочности подвершинной части державки, особенно при повышенных температурах.

2. Тангенциально расположенные (рис. 4.16) режущие элементы (пластины), во всех случаях имеют более высокую прочность, чем радиально расположенные тех же габаритов.

Опасные напряжения на передней поверхности тангенциальных пластин уменьшаются при смещении равнодействующей реакции N по упорной поверхности в сторону передней грани. Увеличение значения самой реакции N. при этом, так же уменьшает опасные напряжения. Необходимое смещение может быть достигнуто расположением упорной базы непосредственно за передней поверхностью, например за счет обнижения упорной поверхности (рис. 4.1.6). Одновременно с этим, необходимо обеспечить поджим режущей пластины к упорной базе за передней поверхностью. Поджим может быть обеспечен за счет направления и расположения сил закрепления пластины: Р3,(23- Например, увеличение составляющей увеличивает значение реакции N. однако при этом уменьшается общая прочность пластины, особенно при наличии отверстия. В этом случае, более целесообразным представляется, увеличение и смещение составляющей в сторону упорной поверхности.

Опасные растягивающие напряжения на передней поверхности тангенциальных пластин, практически не зависят от распределения реакции по опорной поверхности. Однако, смещение равнодействующей К реакции по опорной поверхности к подвершинной части повышает величину N и устойчивость пластины против опрокидывания в сторону детали.

С уменьшением длины передней поверхности (и толщины Ь1т пластины) опасные напряжения на передней поверхности уменьшаются. Однако, при этом растут сжимающие напряжения на задней и растягивающие на упорной поверхности. Поэтому толщина тангенциальных пластин (как правило используемых в тяжелых условиях резания), должна выбираться из условия общей прочности по задней и упорной поверхностям. Длина тангенциальных пластин 1 т не оказывает заметного влияния на прочность.

3. Более предпочтительно, с точки зрения прочности, формирование геометрии режущего клина за счет стружколомающих канавок. Режущие элементы со стружколомающими канавками имеют более высокую общую прочность, чем элементы с плоской передней поверхностью.

4.2. Использование и внедрение результатов исследования.

Результаты анализа предложенных моделей были использованы для разработки и внедрения новых, более эффективных конструкций сборного режущего инструмента.

Была разработана конструкция резца общего назначения с тангенциально расположенной сменной многогранной пластиной (СМП), представленная на рис. 4.2. Техническая характеристика инструмента: высота вершины, мм.25 сечение державки, мм.25×32 длина резца, мм.140 главный угол в плане, град.95 передний угол, град.-8 задний угол, град.8 режущая пластина:.(015,9×4,76)031113 81М11А по.

ГОСТ 19 042–80 материал режущей пластины. твердый сплав КНТ16.

Резец состоит из державки 1, режущей пластины 2, винта 3 (рис. 4.2а). Закрепление режущей пластины осуществляется силовым.

Рис. 4.2 Резец общего назначения, с тангенциальным креплением режущей пластины: а — общий вид и конструкция узла крепленияб — схема действия сил закрепления. замыканием на опорную поверхность и боковые поверхности гнезда посредством винта, имеющего цилиндрическую головку, расположенную с эксцентриситетом относительно оси винта. Положительный эффект от использования резца заключается: в повышении производительности (увеличении сечения срезаемого слоя) — увеличении периода стойкости инструментаиспользовании недорогого безвольфрамового инструментального материала. Эффект обеспечивается повышением прочностной надежности инструмента (см. п.3.1) за счет:

— тангенциального расположения режущей пластины;

— схемы закрепления режущей пластины (рис. 4.2б), обеспечивающей надежный прижим ко всем базирующим поверхностям;

— обеспечения закрепления за счет силы при небольших значениях силы Р3;

— гарантированного поджима режущей пластины к упорной поверхности за передней поверхностью;

— простотой конструкции узла крепления.

Резец был внедрен в эксплуатацию на ОАО «СЕВЕРСТАЛЬ» (Череповецкий металлургический комбинат). Использование резца позволило обеспечить повышение производительности в 2,3 раза и стойкости в 2,7 раз по сравнению с ранее использовавшимися резцами с радиальным расположением СМП. На использованную конструкцию узла закрепления режущих пластин получен патент на изобретение.

Была, также, разработана конструкция резца с комбинированным креплением радиально расположенной сменной многогранной пластиной (СМП), представленная на рис. 4.3. Техническая характеристика инструмента: высота вершины, мм.32 сечение державки, мм.25×32 длина резца, мм. главный угол в плане, град передний угол, град. задний угол, град. режущая пластина.

140 .95 .4 материал режущей пластины.

15,9×4,76)051114 CNUA по ГОСТ 19 042–80 .твердый сплав ВК8.

Резец состоит из державки 1, режущей пластины 2, прихвата 3, крепящего его дифференциального винта 4, рычага 5, надетого на винт 6, штифта 7, предотвращающего поворот прихвата. Закрепление режущей пластины осуществляется силовым замыканием на опорную поверхность посредством прихвата, и боковые поверхности гнезда посредством винта, изгибаемого рычагом при поджатии режущей пластины к опорной поверхности. В конструкции резца предусмотрена возможность регулировки горизонтальной составляющей, силы закрепления режущей пластины. Регулировка силы осуществляется изменением предварительного зазора 5, за счет осевого перемещения винта 6. Положительный эффект от использования резца заключается в повышении качества обработки труднообрабатываемых материалов, увеличении надежности и стойкости инструмента. Эффект обеспечивается повышением стабильности положения режущей пластины и увеличения ее прочностной надежности за счет:

— использования схемы закрепления (рис. 4.3б), обеспечивающей стабильность положения режущей пластины;

— повышения прочностных характеристик, за счет обеспечения требуемого соотношения составляющих, Р3 сил закрепленияа так же за счет смещения реакции опорной базы К к подвершинной части пластины моментом, создаваемым силами N, СМрис.4.3б). 8 б.

Рис. 4.3 Резец общего назначения, с комбинированным креплением режущей пластины: а — общий вид и конструкция узла крепленияб — схема действия сил закрепления.

Опытная эксплуатация данного резца на ОАО «СЕВЕРСТАЛЬ» показала, что применение данной конструкции резца позволяет повысить стойкость и прочность инструмента, по сравнению с известными. На использованную конструкцию узла закрепления режущих пластин получен патент на изобретение.

В АО «Томский инструментальный завод» принята к использованию методика расчета и программное обеспечение выбора способа крепления СМП, и оптимизации геометрических характеристик сборного инструмента по его НДС. Методика включает в себя математическую модель, и разработанные на основе настоящего исследования, рекомендации по расчетам НДС сборного режущего инструмента с помощью МКЭ.

Результаты исследований использованы при написании учебного пособия «Расчет напряженно-деформированного состояния сборного режущего инструмента». Данное пособие используется в учебном процессе СевмашВТУЗа (филиал СПбГМТУ), при проведении практических занятий и лабораторных работ.

Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами, приведенными в приложении 2.