Разработка комбинированных корпусов режущих инструментов из синтеграна с повышенными демпфирующими свойствами

Развитие человеческого общества неразрывно связано с развитием науки и техники, причем ключевую роль в этом играет машиностроение.

Современное автоматизированное производство характеризуется одновременным повышением точности обработки и интенсификацией режимов резания. Увеличиваются мощности и диапазоны регулирования приводов, действующие нагрузки и скорости перемещения подвижных органов станков. Эти обстоятельства приводят к существенному росту вибраций и тепловыделения, которые отрицательно воздействуют на точность обработки. Возрастающие колебания исполнительных органов станков передаются через приспособления, оснастку и инструмент, на заготовку, в результате чего качество обработки значительно снижается, как по точности, так и по шероховатости поверхности.

Во многих случаях требуемая точность не может быть достигнута из-за тепловых деформаций элементов системы СИД, которые возникают вследствие их нагрева от избыточной температуры, имеющей место в зоне резания. В результате в течение рабочей смены тепловые деформации отдельных частей станков неравномерны и ведут к появлению геометрических погрешностей обработки. Используемые в настоящее время методы компенсации температурных деформаций весьма дороги и не всегда эффективны.

Теоретические и практические исследования показывают, что наиболее существенное влияние на качество обработанных поверхностей оказывают именно колебания режущего инструмента, который в общей системе СИД является наиболее слабым звеном. Существуют такие операции механической обработки, при которых необходим большой вылет инструмента (проточка шеек коленвалов, проточка глубоких канавок, расточка отверстий и т. д.). В этих случаях резко снижается устойчивость резания, режущая кромка резца совершает высокочастотные колебания относительно обрабатываемой поверхности, что значительно увеличивает путь резания. При этом износ инструмента увеличивается на 15.25%, а качество обработки значительно снижается. При высокоточной обработке, даже при малом вылете и балыиой жесткости инструмента зачастую не удается получить заданное качество обработанной поверхности, поскольку вибрации станка через резцедержатель и инструмент передаются в зону резания. Кроме того, в процессе работы инструмент постепенно нагревается, что ведет к его линейному удлинению. В результате образуется систематическая погрешность обработки, которая при современных высоких требованиях к точности и качеству обработки является весьма существенной.

Полностью избежать вибраций при изготовлении инструмента традиционными методами невозможно. Проблема их снижения весьма сложна и требует больших материальных затрат. Применение же композиционных материалов при изготовлении отдельных деталей инструмента или целых узлов позволяет значительно демпфировать колебания и снижать деформации при малых материальных затратах.

В настоящее время с развитием станкостроения, космонавтики, авиации, ракетостроения, производства автомобилей повысились, а в ряде случаев изменились требования к отдельным деталям и узлам по их точности, удельному весу, прочности и другим физико-механическим характеристикам. Традиционно используемые в течение столетий стали и чугуны не всегда удовлетворяют современным требованиям. Это также усугубляется истощением природных запасов металлов, в результате чего проблема их экономии имеет государственное значение. Поэтому разработка новых конструкционных материалов является весьма перспективным направлением развития машиностроения.

Все большее значение эти материалы оказывают на станкостроение и инструментальную промышленность, где использование вспененных материалов, керамики, композиционных материалов, комбинированных металлов позволяет не только изменить габариты и массу элементов системы СИД, но и повысить их точность и эксплуатационные характеристики.

Композиционные материалы имеют неограниченные возможности. Их свойства зависят от составляющих их компонентов и могут быть заранее известны. Быстро и с малыми затратами могут быть изготовлены композиционные материалы, обладающие необходимыми свойствами (стойкие к агрессивным средам, с высокими демпфирующими способностями, малой плотностью, звуконепроницаемые, обладающие диэлектрическими свойствами и т. д.). С развитием химической промышленности диапазон характеристик композиционных материалов будет постоянно расширяться.

При использовании самих композиционных материалов, а также в совокупности с металлами открываются широкие возможности усовершенствования уже разработанных изделий и создания новых конструкций и технологий.

Для успешной реализации потенциальных возможностей, которые заложены в композиционных материалах необходим подъем в промышленности и информированность инженеров, проектирующих новые изделия, о свойствах этих материалов.

Композиционные материалы привлекают к себе внимание конструкторов во всем мире комплексом уникальных свойств:

— высокими демпфирующими способностями;

— малой плотностью;

— высокой шумопоглощающей способностью;

— возможностью изготавливать из него изделия при нормальной (150 С) температуре путем отливки базовой детали без применения сборочных операций;

— стойкостью к агрессивным средам;

— высокими временной и тепловой стабильностями;

— диэлектрическими свойствами и др.

Анализ литературных данных и экспонатов международных выставок по металлообработке и станкостроению показывает, что композиционные материалы целенаправленно внедряются в промышленность во многих странах. Наибольших успехов в этом добились Германия, Франция, Япония, Швейцария, США. С 1983 года в нашей стране также ведутся серьезные исследования в этом направлении: разрабатываются новые составы на основе отечественных материалов, проектируются литейные формы, изготавливаются опытные и серийные образцы инструмента, деталей и узлов станков, сантехнические изделия, предметы декоративного и мемориального назначения, бильярдные столы, акустические колонки и др. Ведутся работы по исследованию возможности лезвийной и абразивной обработки изделий из композиционного материала.

Настоящая работа построена на основе теоретических и практических исследований, проводимых автором с 1983 года в ЭНИМСе и на кафедре «Технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов» Российского Университета дружбы народов.

Целью работы является разработка комбинированных корпусов и технологии изготовления режущих инструментов с повышенными демпфирующими свойствами из композиционного материала в сочетании с металлом.

Исследования в этом направлении в течение ряда лет проводятся Российским Университетом дружбы народов, ЭНИМСом, Московским трубным заводом, Липецким заводом шлифовальных станков, Научнопроизводственной фирмой «БАСАН» и другими институтами и проектными организациями. Настоящая работа является составной частью общего комплекса исследований и направлена на повышение эффективности использования композиционных материалов в различных областях промышленности за счет оптимизации конструкций изделий на стадиях проектирования и изготовления, а также на расширение области использования композиционных материалов в качестве заменителей металлов и натуральных минералов.

Для реализации поставленной цели произведен анализ факторов, влияющих на физико-механические характериатики композиционных материалов, разработаны принципы проектирования технологий и оснастки, разработаны конструкции инструмента, корпусных и функциональных изделий с использованием композиционных материалов, разработаны модели и методики их расчета и оптимизации, проведены лабораторные и производственные испытания отдельных инструментов, сборочных единиц и деталей, предложены направления, в которых при использовании новых материалов ожидается наибольший эффект.

На основе результатов исследования разработаны конструкции режущего инструмента, деталей машин и станков, предметов народного потребления, испытательные стенды, предложены составы и технологии изготовления композиционных материалов, защищенные авторскими свидетельствами и патентами, используемые ЭНИМСом, Российским Университетом дружбы народов, Московским трубным заводом, Липецким заводом шлифовальных станков, малым предприятием «Автобокс», НПФ «БАСАН» и другими организациями.

Суммарный годовой экономический эффект от внедрения результатов работы составил несколько десятков миллионов рублей.

Методики расчета и конструирования изделий с использованием композиционного материала используются в учебном процессе РУДН и других ВУЗов.

Отдельные разделы работы и вся работа вцелом докладывались на УИ Международном Конгрессе по полимерным бетонам, г. Москва, 1992 г.- на 3-ей Всесоюзной конференции «Композиционные материалы в народном хозяйстве», г. Ташкент, 1986 г.- на XXII, ХХУ, ХХУН, ХХУШ, XXIX, XXX, XXXI и XXXII НТК инженерного факультета РУДН, на заседаниях кафедры «Технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов» РУДН, а также НТК других организаций.

Основные результаты исследования опубликованы в 105 печатных работах.

На защиту выносятся:

— технология изготовления деталей, корпусов инструментов и сборочных единиц с использованием композиционного материала;

— математическая модель и методика теплового расчета изделий из композиционных материалов;

— математическая модель и методика точностных расчетов изделий сложной формы полученных путем отливки базовой детали;

— математическая модель и методика прочностного расчета инструмента, имеющего комбинированный корпус, выполненный с использованием композиционного материала;

— методика исследований комбинированных моделей корпусов режущего инструмента методами фотоупругости;

— результаты лабораторных и цеховых испытаний режущего инструмента;

— результаты лабораторных исследований возможности обработки синтегранов лезвийным и абразивным инструментом;

— разработанные конструкции режущего инструмента, деталей и изделий с использованием композиционных материалов.

Выводы и основные результаты работы.

Данная работа является комплексным исследованием, содержащим новую концепцию проектирования режущего инструмента и оснастки с использованием композиционных материалов, а также технологические основы процессов изготовления деталей станков, инструментов, оснастки, приспособлений и других изделий машиностроения.

1. Разработанные составы синтегранов, имеют высокие физико-механические характеристики, что позволяет использовать их в качестве конструкционного материала для изготовления ответственных деталей машиностроения (корпусов и других элементов конструкции инструментов, корпусных изделий, поверочных плит и др). Применение синтеграна в конструкциях корпусов инструментов приводит к уменьшению коэффициента динамичности и увеличению логарифмического декремента колебаний.

2.Установлено, что разработанные комбинированные конструкции державок инструментов, содержащие металлический каркас, заполненный синтеграном, позволяют располагать армирующие элементы в соответствии с величиной и направлением действующих сил и напряжений. По своим прочностным характеристикам разработанные конструкции в большинстве случаев не уступают стандартным, а по эксплуатационным превосходят их. Появилась возможность широкого выбора форм и сечений изделий, наилучшим образом воспринимающих действующую нагрузку. При этом общая масса изделия из синтеграна не превышает массы аналогичной металлической конструкции при одинаковой динамической жесткости.

3. Разработаный алгоритм тепловых расчетов изделий из сиитеграна, позволяет прогнозировать тепловые состояния однои многослойных комбинированных стенок конструкций, принудительно охлаждаемых синтеграновых стенок, корпусов режущих инструментов и замкнутых корпусов редукторов привода вращения осевого режущего инструмента.

Расчеты и эксперименты показывают, что при замене металла на синтегран для сохранения температурного состояния изделия площадь его поверхности должна быть увеличена на 15.20%, а также возможно использование принудительного охлаждения путем обдува или применения трубопроводов с охлаждающей жидкостью и др.

4. Установлено, что синтегран обладает высокой тепловой и временной стабильностью, что позволяет за счет соответствующей ориентации отдельных закладных элементов конструкции в процессе отливки базовой детали обеспечивать требуемую точность изделия без последующей механической обработки.

Это позволяет полностью автоматизировать процесс изготовления изделий, в том числе и сборки.

5. Разработан алгоритм расчета геометрических характеристик поперечного сечения комбинированного корпуса консольно закрепленного инструмента. Выполнены расчеты прогиба комбинированных корпусов режущих инструментов в зависимости от его вылета методом объемных конечных элементов, что позволяет по заданным условиям резания выбирать нужные конструкции корпусов, наилучшим образом работающие в конкретных условиях, а также определять соотношения размеров металлического каркаса и синтеграна.

Предлагаемая математическая модель слоистого корпуса резца с различным количеством слоев и содержанием синтеграна в виде многозвенной стержневой системы позволяет определить податливость консольно закрепленного инструмента при вылете меньшем высоты корпуса, когда балочная теория сопромата не может быть использована.

6. На основе исследований динамических и эксплуатационных характеристик резцов с державками из синтеграна установлено, что применение синтеграна в конструкциях корпусов резцов приводит к увеличению логарифмического декремента колебаний и уменьшению коэффициента динамичности. Так, стандартные резцы при вылете 50 мм имеют логарифмический декремент колебаний в 3,11 раза меньший, чем резцы с конструктивными элементами из синтеграна. Наибольший эффект демпфирования за счет применения синтеграна наблюдается при больших вылетах резцов. Борштанги со вставками из синтеграна имеют меньшие значения собственных частот колебаний по сравнению со стальными и имеют зоны лучшего демпфирования колебаний, что позволяет при чистовой обработке получать более высокое качество обработанной поверхности, чем при точении стандартными борштангами.

7. На основе исследований возможности механической обработки синтеграна с наполнителем из габро-диабаза и содержанием связующего 7. 10% лезвийным и абразивным инструментом установлено, что при обработке лезвийным инструментом износ резцов увеличивается всего на 15.20% по сравнению с обработкой металла (сталь 45), и, поэтому лезвийный инструмент может быть использован при необходимости черновой обработки.

При обработке абразивным инструментом достигаются высокое качество и точность обрабатываемой поверхности.

8. Установлено, что положительные конструктивные и технологические возможности инструмента, выполненного с использованием композиционного материала, позволяют расширить эксплуатационные характеристики: за счет конструкции корпуса снижать вибрации при резании, создавать предварительно напряженное состояние корпуса, обеспечивать охлаждение как самой режущей пластины, так и державки, выполнять державки и корпуса с механизмами демпфирования, устанавливать в корпусах режущего инструмента датчики, в том числе и на нейтральной линии и др., позволяющие в конечном счете повышать качество обработки. Появилась возможность придания комбинированным изделиям диэлектрических свойств.

9. Разработана математическая модель прогнозирования динамических характеристик комбинированных изделий по физическим моделям, имеющим статическое нагружение, с использованием методов фотомеханики. Методика позволяет за счет подбора фотоупругих материалов и комбинирования размеров элементов моделей имитировать различные конструкционные материалы. Физические модели позволяют копировать сложные комбинированные конструкции инструментов и оснастки с жестким соединением металла и синтеграна (с обратной связью) и установленных с возможностью скольжения одних поверхностей относительно других (без обратной связи). Исследование моделей подтверждает высокие демпфирующие характеристики комбинированных изделий, выполненных с использованием синтеграна.

10. В результате проведенных исследований установлены возможность и целесообразность использования синтеграна в конструкциях режущих инструментов и оснастки в комбинации с закладными деталями и металлическими каркасами. Разработаны патентно способные технологии и конструкции инструментов, оснастки и других изделий машиностроения, выполненных с использованием синтеграна и аналогичных композиционных материалов. Проведены лабораторные и цеховые испытания различных конструкций литейных форм, приспособлений и оснастки для изготовления изделий из синтеграна, который показал себя высокотехнологичным материалом. Возможна полная автоматизация изготовления изделий из него, в том числе и сборки, которая может осуществляться путем отливки базовой детали. Разработаны технологический процесс, необходимое оборудование и оснастка для изготовления различных изделий машиностроения, частично или полностью выполненных из синтеграна. Накоплен более чем десятилетний опыт серийного производства элементов режущих инструментов, станков, приспособлений и предметов народного потребления из синтеграна. Разработанные методики расчета и проектирования, а также конкретные конструкции инструментов с комбинированными корпусами используются Липецким заводом шлифовальных станков, Московским трубным заводом, ЭНИМСом, а также другими государственными и коммерческими организациями. Материалы работы используются в учебном процессе в Российском Университете дружбы народов и в других ВУЗах при подготовке специалистов по направлению «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» .

11. Использование синтеграна в конструкциях режущих инструментов при его изготовлении позволяет снизить расход металла до 70%, улучшить демпфирующие способности инструмента, при этом повышается точность обработки на один квалитет и повышается стойкость инструмента на 15.20%. Достигается снижение трудоемкости механической обработки на 35−40%, сборки на 50% и сокращение производственного цикла на 50%. Уменьшаются температурные деформации инструмента. Экономический расчет эффективности изготовления инструментов и оснастки с использованием синтеграна по сравнению с аналогичными цельнометаллическими конструкциями показал большие возможности экономии металла (до 80%), снижения себестоимости (до 15%), а также достижения качественного эффекта за счет снижения вибрации и шума при работе, повышения точности и качества обработки, повышения стойкости режущих пластин, сокращения цикла изготовления изделий и др.

Эти результаты являются основанием для проведения дальнейших испытаний соответствующих конструкций в промышленных условиях.