Помощь студентам в учебе
ПОВЫШЕНИЕ РЕЖУЩИХ СВОЙСТВ РЕЗЦОВ С СМП ЗА СЧЕТ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕНОМ В ЗОНЕ РЕЗАНИЯ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 8
1.1 Виды и критерии износа металлорежущего инструмента и способы его
оценки 8
1.2 Закономерности теплообмена при механической обработке металлов 15
1.2.1 Данные о влиянии температуры на процесс резания 15
1.2.2 Способы экспериментального измерения температуры резания ....18
1.3Совершенствование инструмента на основе теплофизического анализа 20
1.3.1 Совершенствование инструмента путем изменения его
геометрических параметров 20
1.3.2 Регулирование теплообмена изменением размеров контактных
поверхностей инструмента 21
1.3.3 Улучшение теплоотвода в заготовку при несвободном резании.. ..23
1.4 Схематизация формы тела и расположение источников тепловыделения.
Расчет итоговых плотностей теплового потока 25
1.5 Численные методы решения дифференциального уравнения
теплопроводности 34
1.6 Напряженно-деформированное состояние в зоне резания. Схемы
стружкообразования 37
1.7 Определение направления схода стружки при косоугольном резании 46
1.8 Цель, задачи и этапы исследования 47
Глава 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ РАСЧЕТА
ТЕМПЕРАТУРЫ 49
2.1 Определение направления схода стружки при несвободном косоугольном
резании инструментом с закругленным лезвием 50
2.2 Уточнение схемы стружкообразования для различных значений
переднего и заднего углов 56
2.3 Расчет напряжений в зоне пластической деформации 62
2.4 Расчет напряжений на контактных поверхностях 64
2.5 Пример расчета напряженного состояния в зонах стружкообразования
и контакта 66
2.6 Особенности расчета напряженного состояния при
несвободном резании 76
2.7 Выводы по главе 2 80
Глава 3 РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ НА РАБОЧИХ
ПОВЕРХНОСТЯХ РЕЗЦА 82
3.1 Расчет итоговых плотностей теплового потока 86
3.2 Расчет температуры на поверхностях резца методом конечных элементов
при свободном резании 85
3.3 Расчет температуры на поверхностях резца методом конечных элементов
при несвободном резании 86
3.4 Выводы по главе 3 97
Глава 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ
НА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЯХ 99
4.1 Выбор методов экспериментального исследования 99
4.1.1 Обрабатываемый материал 99
4.1.2 Режущий инструмент 100
4.1.3 Многогранные пластины 100
4.1.4 Экспериментальная установка 101
4.2 Измерение температуры резания 104
4.2.1 Измерение средней температуры резания естественной
термопарой 104
4.2.2 Определение температурных полей на поверхности
многогранной пластины 106
4.3 Определение направления схода стружки 107
4.4 Результаты определения температурных полей с помощью
термоиндикаторных красок 111
4.5 Выводы по главе 4 121
Глава 5 КОНСТРУИРОВАНИЕ СМП С УЧЕТОМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ 122
5.1 Конструирование СМП с уменьшенным диапазоном температуры вдоль
режущей кромки путем управления формой задней поверхности 122
5.2 Конструирование СМП с равномерным распределением температуры
вдоль режущей кромки путем создания дополнительных элементов на передней поверхности 127
5.3 Сравнение распределений температуры вдоль режущей кромки
предложенных пластин 129
5.5 Сравнительное экспериментальное исследование эксплуатационных
свойств предлагаемых СМП 135
5.6 Оценка эксплуатационных свойств предлагаемых СМП с помощью
коэффициента равномерности изнашивания 137
5.5 Выводы по главе 5 143
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 144
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 146
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Пример расчета НДС в зоне стружкообразования, выполненный в программе MathCAD 159
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Пример расчета итоговых плотностей теплового потока, выполненный в программе MathCAD 171
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Акты внедрения 176
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Патенты на полезные модели 178
Глава 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 8
1.1 Виды и критерии износа металлорежущего инструмента и способы его
оценки 8
1.2 Закономерности теплообмена при механической обработке металлов 15
1.2.1 Данные о влиянии температуры на процесс резания 15
1.2.2 Способы экспериментального измерения температуры резания ....18
1.3Совершенствование инструмента на основе теплофизического анализа 20
1.3.1 Совершенствование инструмента путем изменения его
геометрических параметров 20
1.3.2 Регулирование теплообмена изменением размеров контактных
поверхностей инструмента 21
1.3.3 Улучшение теплоотвода в заготовку при несвободном резании.. ..23
1.4 Схематизация формы тела и расположение источников тепловыделения.
Расчет итоговых плотностей теплового потока 25
1.5 Численные методы решения дифференциального уравнения
теплопроводности 34
1.6 Напряженно-деформированное состояние в зоне резания. Схемы
стружкообразования 37
1.7 Определение направления схода стружки при косоугольном резании 46
1.8 Цель, задачи и этапы исследования 47
Глава 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ РАСЧЕТА
ТЕМПЕРАТУРЫ 49
2.1 Определение направления схода стружки при несвободном косоугольном
резании инструментом с закругленным лезвием 50
2.2 Уточнение схемы стружкообразования для различных значений
переднего и заднего углов 56
2.3 Расчет напряжений в зоне пластической деформации 62
2.4 Расчет напряжений на контактных поверхностях 64
2.5 Пример расчета напряженного состояния в зонах стружкообразования
и контакта 66
2.6 Особенности расчета напряженного состояния при
несвободном резании 76
2.7 Выводы по главе 2 80
Глава 3 РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ НА РАБОЧИХ
ПОВЕРХНОСТЯХ РЕЗЦА 82
3.1 Расчет итоговых плотностей теплового потока 86
3.2 Расчет температуры на поверхностях резца методом конечных элементов
при свободном резании 85
3.3 Расчет температуры на поверхностях резца методом конечных элементов
при несвободном резании 86
3.4 Выводы по главе 3 97
Глава 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ
НА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЯХ 99
4.1 Выбор методов экспериментального исследования 99
4.1.1 Обрабатываемый материал 99
4.1.2 Режущий инструмент 100
4.1.3 Многогранные пластины 100
4.1.4 Экспериментальная установка 101
4.2 Измерение температуры резания 104
4.2.1 Измерение средней температуры резания естественной
термопарой 104
4.2.2 Определение температурных полей на поверхности
многогранной пластины 106
4.3 Определение направления схода стружки 107
4.4 Результаты определения температурных полей с помощью
термоиндикаторных красок 111
4.5 Выводы по главе 4 121
Глава 5 КОНСТРУИРОВАНИЕ СМП С УЧЕТОМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ 122
5.1 Конструирование СМП с уменьшенным диапазоном температуры вдоль
режущей кромки путем управления формой задней поверхности 122
5.2 Конструирование СМП с равномерным распределением температуры
вдоль режущей кромки путем создания дополнительных элементов на передней поверхности 127
5.3 Сравнение распределений температуры вдоль режущей кромки
предложенных пластин 129
5.5 Сравнительное экспериментальное исследование эксплуатационных
свойств предлагаемых СМП 135
5.6 Оценка эксплуатационных свойств предлагаемых СМП с помощью
коэффициента равномерности изнашивания 137
5.5 Выводы по главе 5 143
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 144
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 146
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Пример расчета НДС в зоне стружкообразования, выполненный в программе MathCAD 159
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Пример расчета итоговых плотностей теплового потока, выполненный в программе MathCAD 171
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Акты внедрения 176
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Патенты на полезные модели 178
Современное машиностроительное производство развивается по пути интенсификации производственных процессов и повышения режимов резания. Поэтому металлорежущие инструменты работают в жестких условиях нагружения при высоких температурах, когда изнашивание режущих лезвий происходит наиболее интенсивно, что напрямую отражается на производительности труда и экономичности.
Экспериментальными исследованиями отечественных и зарубежных авторов установлено, что при наиболее распространенном несвободном резании в процессе работы режущей пластины изнашивание по задней поверхности происходит неравномерно, а если учесть, что стойкость определяется на основе измерения максимального линейного износа h-;max, то здесь имеется значительный резерв в повышении сроков службы инструментов. Идеология данной работы состоит в том, чтобы добиться равномерного износа по всей задней поверхности лезвия сменных многогранных пластин (СМП), и, тем самым, повысить стойкость сборных инструментов.
Целью работы является обеспечение равномерности изнашивания задних поверхностей резцов со сменными многогранными пластинами путем управления геометрией и тепловыми потоками в лезвии.
В теоретических исследованиях применены методы теории теплопроводности, МКЭ, компьютерное моделирование с использованием современного программного обеспечения и средств вычислительной техники. Экспериментальные исследования выполнялись по схеме однофакторного эксперимента в лабораторных условиях и включали в себя изучение топографии износа, температурных полей на задних поверхностях СМП с помощью термоиндикаторных красок, средней температуры резания и площадок контакта, составляющих силы резания и площадки контакта на передней поверхности при наружном продольном точении, а также стойкостные исследования. Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается экспериментальными данными и производственными испытаниями.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Разработанная уточненная схема образования стружки при несвободном косоугольном резании позволила рассчитать напряженно- деформированное состояние как на границах, так и внутри пластической зоны, а также оценить контактные напряжения на трущихся поверхностях лезвия.
2. Теоретически и экспериментально установлено, что при несвободном косоугольном резании угол схода стружки по передней поверхности определяется формой условной поверхности сдвига.
3. Установлено, что при уменьшении заднего угла на радиусной части лезвия происходит перераспределение тепловых потоков и снижение напряжений в режущем клине, что благоприятно сказывается на равномерности изнашивания задних поверхностей режущей пластины.
4. Разработан способ повышения стойкости металлорежущего инструмента путем выравнивания износа задних поверхностей вдоль режущей кромки за счет регулирования тепловыми потоками в лезвии.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Разработаны рекомендации по обеспечению равномерности износа задних поверхностей резцов с СМП путем изменения форм рабочих поверхностей и регулирования теплообменом в лезвии.
2. Создана методика конструирования новых форм СМП, обеспечивающих равный износ задних поверхностей вдоль режущей кромки.
3. Спроектирован ряд СМП с уменьшенным диапазоном колебания температур вдоль режущей кромки.
Результаты работы внедрены на ООО «Юрга-гидравлика», ООО «ЮТА». На разработанную форму сменной многогранной режущей пластины получен патент на полезную модель.
Диссертация состоит из пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. В первой главе приведен аналитический обзор материалов, публикаций в периодической печати, патентных материалов, рассмотрены способы измерения температуры и пути управления тепловыми потоками и способы повышения стойкости инструмента. Изложены существующие методики определения геометрии и расчета криволинейного лезвия и расчет направления схода стружки при несвободном резании. Также рассмотрены известные схемы стружкообразования с развитыми зонами пластических деформаций и методы расчета напряжений на их основе.
Во второй главе изложены способы определения исходных данных для расчета температуры, включающий в себя: определение направления схода стружки при несвободном косоугольном резании с закругленной вершиной, расчетах внутренних напряжений в зоне стружкообразования, расчет контактных напряжений на передней и задней поверхностях лезвия, расчет плотностей тепловых потоков на контактных участках.
В третьей главе приведены расчеты плотностей теплового потока и температуры для случая несвободного резания методом конечных элементов с различными инструментальными и обрабатываемыми материалами.
Четвертая глава содержит результаты экспериментов по определению направления схода стружки, измерению тепловых полей на поверхностях СМП с помощью термоиндикаторных красок.
Пятая глава посвящена конструированию новых форм сменных многогранных режущих пластин с уменьшенным диапазоном колебания температуры вдоль режущей кромки и анализу температурного режима сконструированных пластин. Здесь также приводятся результаты сравнительных экспериментальных исследований СМП со стандартной и предложенной формами задних поверхностей.
Всего страниц - 179 , рисунков - 96 , таблиц - 9.
Экспериментальными исследованиями отечественных и зарубежных авторов установлено, что при наиболее распространенном несвободном резании в процессе работы режущей пластины изнашивание по задней поверхности происходит неравномерно, а если учесть, что стойкость определяется на основе измерения максимального линейного износа h-;max, то здесь имеется значительный резерв в повышении сроков службы инструментов. Идеология данной работы состоит в том, чтобы добиться равномерного износа по всей задней поверхности лезвия сменных многогранных пластин (СМП), и, тем самым, повысить стойкость сборных инструментов.
Целью работы является обеспечение равномерности изнашивания задних поверхностей резцов со сменными многогранными пластинами путем управления геометрией и тепловыми потоками в лезвии.
В теоретических исследованиях применены методы теории теплопроводности, МКЭ, компьютерное моделирование с использованием современного программного обеспечения и средств вычислительной техники. Экспериментальные исследования выполнялись по схеме однофакторного эксперимента в лабораторных условиях и включали в себя изучение топографии износа, температурных полей на задних поверхностях СМП с помощью термоиндикаторных красок, средней температуры резания и площадок контакта, составляющих силы резания и площадки контакта на передней поверхности при наружном продольном точении, а также стойкостные исследования. Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается экспериментальными данными и производственными испытаниями.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Разработанная уточненная схема образования стружки при несвободном косоугольном резании позволила рассчитать напряженно- деформированное состояние как на границах, так и внутри пластической зоны, а также оценить контактные напряжения на трущихся поверхностях лезвия.
2. Теоретически и экспериментально установлено, что при несвободном косоугольном резании угол схода стружки по передней поверхности определяется формой условной поверхности сдвига.
3. Установлено, что при уменьшении заднего угла на радиусной части лезвия происходит перераспределение тепловых потоков и снижение напряжений в режущем клине, что благоприятно сказывается на равномерности изнашивания задних поверхностей режущей пластины.
4. Разработан способ повышения стойкости металлорежущего инструмента путем выравнивания износа задних поверхностей вдоль режущей кромки за счет регулирования тепловыми потоками в лезвии.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Разработаны рекомендации по обеспечению равномерности износа задних поверхностей резцов с СМП путем изменения форм рабочих поверхностей и регулирования теплообменом в лезвии.
2. Создана методика конструирования новых форм СМП, обеспечивающих равный износ задних поверхностей вдоль режущей кромки.
3. Спроектирован ряд СМП с уменьшенным диапазоном колебания температур вдоль режущей кромки.
Результаты работы внедрены на ООО «Юрга-гидравлика», ООО «ЮТА». На разработанную форму сменной многогранной режущей пластины получен патент на полезную модель.
Диссертация состоит из пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. В первой главе приведен аналитический обзор материалов, публикаций в периодической печати, патентных материалов, рассмотрены способы измерения температуры и пути управления тепловыми потоками и способы повышения стойкости инструмента. Изложены существующие методики определения геометрии и расчета криволинейного лезвия и расчет направления схода стружки при несвободном резании. Также рассмотрены известные схемы стружкообразования с развитыми зонами пластических деформаций и методы расчета напряжений на их основе.
Во второй главе изложены способы определения исходных данных для расчета температуры, включающий в себя: определение направления схода стружки при несвободном косоугольном резании с закругленной вершиной, расчетах внутренних напряжений в зоне стружкообразования, расчет контактных напряжений на передней и задней поверхностях лезвия, расчет плотностей тепловых потоков на контактных участках.
В третьей главе приведены расчеты плотностей теплового потока и температуры для случая несвободного резания методом конечных элементов с различными инструментальными и обрабатываемыми материалами.
Четвертая глава содержит результаты экспериментов по определению направления схода стружки, измерению тепловых полей на поверхностях СМП с помощью термоиндикаторных красок.
Пятая глава посвящена конструированию новых форм сменных многогранных режущих пластин с уменьшенным диапазоном колебания температуры вдоль режущей кромки и анализу температурного режима сконструированных пластин. Здесь также приводятся результаты сравнительных экспериментальных исследований СМП со стандартной и предложенной формами задних поверхностей.
Всего страниц - 179 , рисунков - 96 , таблиц - 9.
По результатам, полученным в представленной работе, можно сделать следующие выводы:
1. Определяющим фактором переменного износа задней поверхности при несвободном резании является неравномерное распределение температуры на площадках контакта режущего инструмента со стружкой и с обрабатываемой заготовкой, которая меняет интенсивность изнашивания при нагреве. Одним из путей повышения стойкости инструмента является обеспечение равномерности изнашивания задних поверхностей за счет рациональной формы режущего клина, изменяющей величины и направления тепловых потоков.
2. Разработана следующая методика расчета температуры при несвободном резании: а) определение направления схода стружки; б) расчет и построение зон пластических деформаций в каждом сечении, параллельно сходу стружки; в) определение компонент напряжений вдоль граничных линий зон стружкообразования; г) расчет в каждом сечении контактных напряжений; д) расчет итоговых плотностей тепловых потоков; е) расчет температурных полей на поверхностях СМП методом конечных элементов.
3. Картины изотерм, полученных как из экспериментальных исследований, так и с помощью числового расчета показали, что температура вдоль режущей кромки прилегающих задних поверхностей имеет переменное значение. Причем, теплофизические характеристики на вид кривой распределения температуры влияния не оказывают. Больший нагрев задней поверхности вследствие близкого расположения источника нагрева на передней поверхности и отсутствия стока теплоты в заготовку наблюдается на вспомогательной режущей кромке.
4. Предложено управлять тепловыми потоками путём изменения геометрических параметров режущего клина в сечениях по направлению схода стружки. Разработаны формы СМП: 1 - с одинаковым исходным контуром, размещенным вдоль режущей кромки; 2 - с повернутым нижним основанием относительно верхнего; 3 - с одинаковым исходным контуром и канавкой на передней поверхности переменного радиуса; 4 - с повернутым нижним основанием относительно верхнего и с плоской канавкой, выполненной в направлении схода стружки. Эти формы позволяют снизить как среднюю температуру на поверхностях, так и диапазон ее колебания вдоль режущей кромки.
5. Сравнительные экспериментальные исследования эксплуатационных свойств сменных многогранных пластин с разработанной формой №2 и стандартной пластиной показали, что стойкость пластины с предлагаемой формой задней поверхности выше, чем пластин со стандартной формой.
6. В качестве критерия оценки показателя работоспособности СМП предложен коэффициент равномерности изнашивания задних поверхностей. Стойкостные испытания показали, что у проектной режущей пластины он имеет большие значения на протяжении всего пути резания.
7. Основные результаты работы внедрены на ООО «Юрга-гидравлика» и ООО «ЮТА». На этих предприятиях была применена СМП с повернутым нижним основанием относительно верхнего, которая использовалась при обработке штоков гидроцилиндров шахтных крепей. Подтверждено повышение стойкости по сравнению с ранее применяемыми пластинами до 10%.
8. На одну из разработанных форм пластин получен патент РФ на полезную модель №52752.
1. Определяющим фактором переменного износа задней поверхности при несвободном резании является неравномерное распределение температуры на площадках контакта режущего инструмента со стружкой и с обрабатываемой заготовкой, которая меняет интенсивность изнашивания при нагреве. Одним из путей повышения стойкости инструмента является обеспечение равномерности изнашивания задних поверхностей за счет рациональной формы режущего клина, изменяющей величины и направления тепловых потоков.
2. Разработана следующая методика расчета температуры при несвободном резании: а) определение направления схода стружки; б) расчет и построение зон пластических деформаций в каждом сечении, параллельно сходу стружки; в) определение компонент напряжений вдоль граничных линий зон стружкообразования; г) расчет в каждом сечении контактных напряжений; д) расчет итоговых плотностей тепловых потоков; е) расчет температурных полей на поверхностях СМП методом конечных элементов.
3. Картины изотерм, полученных как из экспериментальных исследований, так и с помощью числового расчета показали, что температура вдоль режущей кромки прилегающих задних поверхностей имеет переменное значение. Причем, теплофизические характеристики на вид кривой распределения температуры влияния не оказывают. Больший нагрев задней поверхности вследствие близкого расположения источника нагрева на передней поверхности и отсутствия стока теплоты в заготовку наблюдается на вспомогательной режущей кромке.
4. Предложено управлять тепловыми потоками путём изменения геометрических параметров режущего клина в сечениях по направлению схода стружки. Разработаны формы СМП: 1 - с одинаковым исходным контуром, размещенным вдоль режущей кромки; 2 - с повернутым нижним основанием относительно верхнего; 3 - с одинаковым исходным контуром и канавкой на передней поверхности переменного радиуса; 4 - с повернутым нижним основанием относительно верхнего и с плоской канавкой, выполненной в направлении схода стружки. Эти формы позволяют снизить как среднюю температуру на поверхностях, так и диапазон ее колебания вдоль режущей кромки.
5. Сравнительные экспериментальные исследования эксплуатационных свойств сменных многогранных пластин с разработанной формой №2 и стандартной пластиной показали, что стойкость пластины с предлагаемой формой задней поверхности выше, чем пластин со стандартной формой.
6. В качестве критерия оценки показателя работоспособности СМП предложен коэффициент равномерности изнашивания задних поверхностей. Стойкостные испытания показали, что у проектной режущей пластины он имеет большие значения на протяжении всего пути резания.
7. Основные результаты работы внедрены на ООО «Юрга-гидравлика» и ООО «ЮТА». На этих предприятиях была применена СМП с повернутым нижним основанием относительно верхнего, которая использовалась при обработке штоков гидроцилиндров шахтных крепей. Подтверждено повышение стойкости по сравнению с ранее применяемыми пластинами до 10%.
8. На одну из разработанных форм пластин получен патент РФ на полезную модель №52752.
