Теоретичні основи прогнозування термопружних деформацій осьового інструмента і деталі і їх вплив на точність обробки отворів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

“ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ”

УДК 621.952

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ПРОГНОЗУВАННЯ

ТЕРМОПРУЖНИХ ДЕФОРМАЦІЙ ОСЬОВОГО ІНСТРУМЕНТУ І ДЕТАЛІ

І ЇХ ВПЛИВ НА ТОЧНІСТЬ ОБРОБКИ ОТВОРІВ

Спеціальність 05.03.01 - Процеси механічної обробки,

верстати і інструменти

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Татьянченко Олександр Григорович

Донецьк - 2006



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на механічному факультеті Державного вищого навчального закладу “Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант доктор технічних наук, професор Малишко Іван Олександрович, Державний вищий навчальний заклад “Донецький національний технічний університет”, м. Донецьк, кафедра “Металорізальні верстати та інструменти”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Равська Наталія Сергіївна, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ, завідувач кафедри “Інструментальне виробництво”,

доктор технічних наук, професор Клименко Сергій Анатолійович, Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, м. Київ, заступник директора з наукової роботи,

Провідна організація: Донбаська державна машинобудівна академія, кафедра “Металорізальні верстати і інструменти”, Міністерства освіти і науки України, м. Краматорськ.

Захист відбудеться 18 січня 2007 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д11.052.04 у Державному вищому навчальному закладі “Донецький національний технічний університет” за адресою: 83000, вул. Артема, 58, VI навчальний корпус, ауд. 202.

Із дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного вищого навчального закладу “Донецький національний технічний університет” за адресою: 83000, вул. Артема, 58, II навчальний корпус.

Автореферат розісланий “13” грудня 2006 року.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д11.052.04

к.т.н., доцент Т.Г. Івченко



АНОТАЦІЇ

Татьянченко О.Г. Теоретичні основи прогнозування термопружних деформацій осьового інструмента і деталі і їх вплив на точність обробки отворів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.01 - Процеси механічної обробки, верстати та інструменти. - ДВНЗ “Донецький національний технічний університет ”, Донецьк, 2006. термопружний лезовий отвір контактний

Дисертацію присвячено підвищенню точності обробки отворів осьовим лезовим інструментом за рахунок усунення похибок поздовжнього профілю отворів на підставі нових методів обробки із урахуванням особливостей контактних і термопружних процесів в зоні контакту інструмента і деталі.

Розроблено комплексну математичну модель утворення похибки поздовжнього перетину отвору, що вперше ураховує нелінійность термопружних деформацій деталі по глибині отвору, а також пружно-пластичні деформації деталі, на підставі якої встановлено, що основною причиною виникнення бочкоподібної форми на початку отвору є температурні деформації інструмента, а в середині та кінці отвору - температурні деформації деталі в зоні різання.

Уперше запропоновано способи прогнозування форми і розмірів поздовжнього профілю отворів і ефективні способи усунення похибки поздовжнього перетину отворів при чистовій обробці осьовим лезовим інструментом за рахунок використання прогресивних конструкцій інструмента і керування робочими процесами в зоні різання.

Ключові слова: осьовий інструмент, розвертка, зенкер, контактні деформації, пружно-пластичні деформації, тепловий баланс, нелінійність, температурні деформації, вторинний теплообмін, похибка поздовжнього перетину, бочкоподібність, прогнозування, усунення похибки.



Tatyanchenko A.G. Theoretical bases of prognostication of thermo elastic deformations of axial instrument and detail and their influence on accuracy of holes processing. - The Manuscript.

The dissertation on competition of the degree of doctor of engineering's sciences after specialty 05.03.01 - Processes of tooling, the machine tools and instruments. - SHEE “ Donetsk National Technical University ”, Donetsk, 2006.

The dissertation is devoted the increase of exactness of accuracy of holes processing for an account removal of errors of the longitudinal crossing of holes on the basis of new methods of processing treatment with the account of features a contact and thermo elastic processes in the zone of contact of tool and detail.

The complex mathematical model of formation of error of the longitudinal crossing of hole, first to take into account non-linearity of thermo elastic deformations of detail on the depth of hole and plastic deformations of detail, is developed. On the basis of what it is set, that principal reason of origin of nonlinear form at the beginning of hole are temperature deformations of instrument and in a middle and end of hole are temperature deformations of detail in the area of cutting.

The methods of prognostication of form and sizes of the longitudinal crossing of holes and effective methods of removal of its errors at clean processing are in the first time offered. It is based on the use of new constructions of axis tools and management of workings processes in the area of cutting.

Key-words: axis tool, contact deformations, plastic deformations, thermal balance, non-linearity, temperature deformations, second heat exchange, error of the longitudinal crossing, prognostication, removal of error.



Татьянченко А.Г. Теоретические основы прогнозирования термоупругих деформаций осевого инструмента и детали и их влияние на точность обработки отверстий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.01 - Процессы механической обработки, станки и инструменты. - Государственное высшее учебное заведение “Донецкий национальный технический университет”

Диссертация посвящена повышению точности обработки отверстий осевым лезвийным инструментом за счет устранения погрешностей продольного профиля отверстия на основе новых методов обработки, учитывающих особенности протекания рабочих процессов в зоне резания. Для обоснования этих методов разработаны теоретические основы прогнозирования термоупругих деформаций инструмента и детали в зоне резания при обработке отверстий, как основного фактора, оказывающего влияние на искажение продольного профиля отверстия.

Одним из важных факторов, определяющих работоспособность и надежность работы машины, является точность обработки базовых отверстий. Поскольку в настоящее время возможности повышения точности обработки за счет оборудования практически исчерпаны, для дальнейшего повышения точности обработки отверстий осевым инструментом необходимо использовать новые нетрадиционные подходы. В работе эта задача решается за счет управления нелинейными рабочими процессами при обработке отверстий. Основным направлением повышения точности отверстия в работе является устранение погрешностей его продольного профиля, который имеет характерный бочкообразный вид. В качестве основной причины образования такой формы отверстия впервые рассматриваются температурные деформации детали в зоне резания.

При исследовании погрешности продольного профиля отверстий учитывались все основные компоненты деформации в зоне резания и их функциональные связи с входными технологическими и геометрическими параметрами. Помимо температурных деформаций детали в работе рассмотрены температурные деформации инструмента, контактные деформации инструмента и детали и радиальное смещение оси инструмента от действия неуравновешенной радиальной силы резания.

При исследовании особенностей контактных процессов по задней поверхности инструмента были учтены упругие деформации инструмента, упругопластические деформации детали и движение инструмента. Исследовано влияние кривизны обрабатываемой поверхности на угол сдвига. На основе разработанной модели контактного взаимодействия задней поверхности осевого инструмента и поверхности отверстия было установлено, что упругие деформации инструмента и детали способствуют усадке, а пластические деформации детали не влияют на точность отверстия.

Впервые предложена модель формирования теплового баланса в зоне резания при обработке отверстий, учитывающая вторичный теплообмен между инструментом и деталью и основанная на перераспределении тепловых потоков между двумя разнонагретыми поверхностями. Установлены особенности стабилизации теплового баланса по глубине отверстия и доминирующее влияние теплоемкости детали.

Впервые в практике теплофизических расчетов исследованы особенности распространения тепла и развития температурных деформаций в детали при обработке отверстий с учетом геометрии детали и краевых нелинейных эффектов в начале и конце отверстия. На основе модели распространения тепла в цилиндрической втулке установлена нелинейная зависимость изменения температуры и температурных деформаций детали в зоне резания по глубине отверстия. Показано, что нелинейные температурные деформации детали являются основной причиной образования бочкообразной формы продольного профиля отверстия. Температурные деформации детали в середине отверстия способствует его разбиванию, а в начале и конце отверстия в зависимости от режимов резания могут способствовать как разбиванию, так и усадке.

Разработана комплексная математическая модель образования погрешности продольного профиля отверстия, на основании которой установлено, что его бочкообразная форма является следствием температурных деформаций инструмента и детали в зоне резания. Основной причиной бочкообразности в начале отверстия являются температурные деформации инструмента, в конце отверстия - температурные деформации детали. Причинами разбивания отверстия являются температурные деформации инструмента и детали и увод оси инструмента.

Предложены новые технические и технологические решения, позволяющие уменьшить погрешность продольного профиля отверстия за счет управления рабочими процессами в зоне резания. На основе этих решений запатентованы новые способы обработки отверстий повышенной точности. Разработан комплексный технологический регламент по выбору рациональных технических и технологических решений при обработке таких отверстий.

Полученные научные результаты образуют теоретическую и методическую основу для разработки прогрессивных методов обработки отверстий и конструкций осевого инструмента, позволяющих устранять негативной влияние тепловых процессов в зоне резания. Полученные научные и практические результаты могут быть использованы при решении аналогичных задач для других видов лезвийной обработки.

Ключевые слова: осевой инструмент, развертка, зенкер, контактные деформации, упруго-пластические деформации, тепловой баланс, нелинейность, температурные деформации, вторичный теплообмен, погрешность продольного профиля, бочкообразность, прогнозирование, устранение погрешности.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У багатьох сучасних машинах і апаратах отвори складають до 70% оброблюваних поверхонь. Від точності обробки отворів в значній мірі залежить працездатність і надійність роботи всього механізму. Найбільш актуально проблема забезпечення надійності стоїть при обробці основних поверхонь в деталях гідро - і пневмоапаратури сучасного гірничошахтного устаткування, літальних апаратів і інших машин, пов'язаних з небезпекою для людської життєдіяльності. Тому вимоги до точності обробки таких отворів постійно зростають. Проте можливості підвищення точності, пов'язані з устаткуванням, практично вичерпані. В той же час значним резервом є температурні деформації, на частку яких за деякими оцінками доводиться більше 50% сумарної похибки обробки. При цьому з підвищенням точності обробки частка цих деформацій збільшується.

Аналіз похибок отворів показує, що вона складається з похибки поперечного і поздовжнього перетину. В даний час завдяки дослідженням ряду авторів похибка поперечного перетину практично усунена і складає при чистовій обробці 2-3 мкм. Проте проблема усунення похибок поздовжнього профілю отвору, який має характерний бочкоподібний вигляд, до теперішнього часу залишається невирішеною. При чистовій обробці отворів розвертуванням і зенкеруванням похибка поздовжнього профілю досягає 10-20 мкм і більше.

Вивчення стану питання і літературних джерел показало, що основною причиною виникнення бочкоподібної форми поздовжнього профілю отвору вважаються нелінійні температурні деформації інструменту. Всі сучасні способи рішення цієї проблеми - використання МОТС, зниження режимів різання і інші є малоефективними. Тому в даний час для підвищення точності поздовжнього профілю отвору необхідно використовувати нові нетрадиційні підходи. Наприклад, шляхом керування робочими процесами при обробці отворів. Це можливо лише на основі дослідження фізичних процесів розвитку термопружних і пружних деформацій осьового інструменту і деталі і визначення ступеня впливу на них різних чинників.

Тому дослідження робочих процесів в зоні різання при обробці отворів і розробка на цій основі практичних методів підвищення точності отворів за рахунок зменшення похибок його поздовжнього профілю є важливою науковою і практичною проблемою у області механічної обробки різанням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилася відповідно до плану науково-дослідної роботи Донецького національного технічного університету по пріоритетному напряму розвитку науки і техніки “Екологічно чиста енергетика і ресурсозбережуючі технології”, і в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт “Розробка методів визначення впливу температур на пружні переміщення осьових інструментів при багатопараметричній силовій дії” (№ ГР 0198U002308), “Розвиток теорії керування точністю обробки отворів осьовим інструментом з урахуванням впливу температур” (№ ГР 0101U001189).

Метою роботи є підвищення точності отвору при його обробці осьовим інструментом за рахунок зменшення похибки поздовжнього профілю на основі комплексної математичної моделі формування поздовжнього профілю отвору, що враховує термопружні деформації інструменту і деталі в зоні різання.

Об'єктом досліджень є температурні і контактні деформації інструменту і деталі в зоні різання при обробці отворів осьовим інструментом.

Предметом досліджень є функціональні зв'язки між температурними і контактними деформаціями осьового інструменту і деталі і робочими процесами при обробці отворів осьовим інструментом.

Методи досліджень. Методологічною основою роботи є загальний системний підхід до вивчення і опису об'єкту досліджень з урахуванням взаємозв'язку і взаємного впливу явищ, супроводжуючих процеси чистової обробки отворів. Досягнення поставленої мети забезпечене раціональним поєднанням теоретичних і експериментальних методів досліджень. При розробці і аналізі математичних моделей робочих процесів використовувалися методи теорії різання, теорії пружності і пластичності, теплофізики, термопружності, будівельної механіки і опору матеріалів, а також методи чисельного моделювання. Адекватність математичних моделей реальним системам встановлювалася на основі порівняння результатів натурних і обчислювальних експериментів і шляхом їх порівняльного аналізу.

Для досягнення поставленої мети в роботі поставлені наступні основні задачі наукового дослідження:

1. Провести аналіз робочих процесів при чистовій обробці отворів осьовим інструментом, встановити можливі причини утворення похибки поздовжнього профілю отвору і визначити перспективні шляхи її усунення.

2. Розробити математичну модель контактної взаємодії по задній поверхні осьового інструменту з урахуванням пластичних деформацій деталі і пружних деформацій інструменту і встановити функціональні залежності контактних деформацій від параметрів робочих процесів.

3. Удосконалити математичну модель формування теплового балансу в зоні різання з урахуванням вторинних теплових потоків при несталому теплообміні і розробити методи прогнозування температури в зоні різання при чистовій обробці отворів осьовим інструментом.

4. Провести експериментальні дослідження залежності модуля пружності інструментальних і конструкційних матеріалів від температури, розробити математичну модель і дослідити вплив температури в зоні різання на поперечні переміщення інструменту.

5. Розробити математичну модель термопружних деформацій осьового інструменту і деталі при обробці отворів і встановити функціональні залежності величини радіальних деформацій інструменту і деталі в зоні різання від параметрів робочих процесів.

6. Створити комплексну математичну модель формування поздовжнього профілю отвору при чистовій обробці осьовим інструментом і розробити на її основі методи прогнозування похибки поздовжнього профілю отвору.

7. Провести експериментальні дослідження впливу робочих процесів на точність поздовжнього профілю отвору.

8. Обґрунтувати і реалізувати на практиці способи підвищення точності поздовжнього профілю отвору.

9. Розробити практичні рекомендації по підвищенню точності поздовжнього профілю отвору, включаючи рекомендації щодо прогнозування похибки поздовжнього профілю, проектування осьового інструменту і вибору раціональних режимів і схем обробки.

10. Розробити алгоритми і пакети прикладних програм для реалізації розроблених математичних моделей і методів дослідження точності поздовжнього профілю отвору.

Наукова новизна одержаних результатів:

Розроблені теоретичні основи підвищення точності отвору при чистовій обробці осьовим інструментом за рахунок прогнозування і усунення негативного впливу температурних деформацій інструменту і деталі в зоні різання на поздовжній профіль отвору. На основі запропонованих наукових положень:

1. Розроблена і підтверджена результатами експериментальних досліджень комплексна математична модель утворення похибки поздовжнього профілю отвору, що вперше враховує не лінійність термопружних деформацій деталі, пружні деформації і зміщення осі інструменту, а також пружно-пластичні деформації деталі, на основі якої розроблені ефективні способи прогнозування і усунення похибок форми і розмірів поздовжнього профілю отворів.

2. Розроблена модель контактної взаємодії задньої поверхні осьового інструменту і поверхні отвору, що вперше враховує пружні деформації інструменту, пружно-пластичні деформації деталі і рух інструменту, на основі якої встановлено і підтверджено результатами чисельного аналізу, що пружні деформації інструменту і деталі сприяють усадці, а пластичні деформації деталі не впливають на точність отвору.

3. Одержала подальший розвиток модель поперечних зміщень одномірного і комбінованого осьового інструменту, що вперше враховує вплив температури на модуль пружності інструментального матеріалу, на основі якої встановлено, що за наявності неврівноваженої радіальної складової сили різання підвищення температури інструменту викликає збільшення розбивання отвору.

4. На основі моделі термопружних деформацій деталі в зоні різання при обробці отворів вперше аналітично встановлений і підтверджений результатами чисельного аналізу нелінійний характер зміни цих деформацій по глибині отвору і встановлено, що нагрів деталі в зоні різання є основною причиною утворення бочкоподібної форми подовжнього профілю отвору

5. Одержала подальший розвиток модель формування теплового балансу в зоні різання осьовим інструментом, що вперше враховує вторинний теплообмін між інструментом і деталлю, яка дозволяє прогнозувати температуру в зоні контакту при несталому теплообміні і, як наслідок, заздалегідь оцінювати величину термопружних деформацій інструменту і деталі.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується коректним використовуванням сучасних методів теплофізики, теорії пружності і теорії різання, урахуванням специфіки процесу обробки отворів лезовим осьовим інструментом, результатами повномасштабного чисельного моделювання, результатами експериментальних досліджень, а також результатами промислових випробувань і впроваджень.

Наукове значення роботи.

Вперше розроблені теоретичні основи прогнозування температурних і контактних деформацій осьового інструменту і деталі в зоні різання при чистовій обробці отворів з урахуванням нелінійних краєвих ефектів і геометрії деталі і змодельований вторинний теплообмін між інструментом і деталлю в зоні різання. Результати теоретичних досліджень можуть бути використані при визначенні температурних і контактних деформацій при інших видах лезової обробки.

Практичне значення одержаних результатів.

Запропоновані нові технічні і технологічні рішення, що дозволяють зменшити похибку поздовжнього профілю отвору:

- при зенкеруванні за рахунок регулювання величини наросту при плавній зміні режимів різання на початку і в кінці отвору (Патент України №68851А),

- при розвертуванні одноступінчастою розверткою за рахунок керування температурними деформаціями інструменту і деталі при плавній зміні швидкості різання (Патент України №68832А),

- при розвертуванні двоступінчастою розверткою за рахунок забезпечення раціональних умов роботи другого ступеня: зниження тепловиділення, зменшення теплового впливу першого ступеня, диференційованого заточування і забезпечення умов зворотного зрізу (Патенти України № 59745А і №37588А).

Реалізація цих способів при чистовій обробці отворів дозволила зменшити розбивання до 3,6 разів, а бочкоподібність - до 3,9 разів. За рахунок використовування зворотної схеми різання шорсткість обробленої поверхні зменшилася до 1,8 рази, а за рахунок диференційованого заточування підвищилася стійкість інструменту.

Розроблені алгоритми і пакети прикладних програм для реалізації розроблених чисельних і аналітичних моделей для прогнозування похибок форми і розмірів поздовжнього профілю отворів.

Розроблений комплексний технологічний регламент по вибору раціональних технічних і технологічних рішень при обробці отворів підвищеної точності, що містить “Рекомендації по проектуванню осьового інструменту для обробки отворів підвищеної точності”, “Рекомендації по вибору режимів і схем різання при обробці отворів підвищеної точності осьовим інструментом” і “Рекомендації по прогнозуванню форми і розмірів поздовжнього профілю отвору при обробці осьовим інструментом”.

Особистий внесок здобувача. Теоретичні і експериментальні дослідження, що увійшли до дисертації, виконані автором самостійно. Постановка задач і обговорення результатів виконані спільно з науковим консультантом.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення дисертації розглядалися на науково-технічних конференціях за профілем спеціальності: “Фізичні і комп'ютерні технології в народному господарстві” (Харків, 2001), “Вібрації в техніці і технологіях” (Євпаторія-Вінниця, 1998), “Машинобудування і техносфера на рубежі XXI століття” (Севастополь, 2000, 2001, 2003, 2004, 2005), “Прогресивна техніка та технологія машинобудування” (Севастополь, 1995), “Сучасні проблеми машинобудування і технічний прогрес” (Севастополь, 1996, 1997), “Проблеми створення нових машин та технологій” (Кременчук, 2001), “Прогресивна техніка і технологія” (Київ-Севастополь, 2001), “Теорія і практика межінституційного партнерства” (Донецьк, 2001), “Новые технологии, методы обработки и упрочнения деталей энергетических установок” (Запорожье-Алушта, 2004), “Фізичні і комп'ютерні технології” (Харків, 2004), “Важке машинобудування. Процеси металообробки, верстати, інструменти” (Краматорськ, 2005) і на засіданнях кафедри металорізальних верстатів і інструментів ДонНТУ.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 30 роботах, з яких 28 в фахових виданнях, затверджених ВАК України, 6 патентів України на винаходи, 14 публікацій без співавторів, 2 тези доповідей на конференціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, семи розділів, висновків, переліку використаних джерел з 273 найменувань і додатків. Загальний обсяг дисертації складає 427 сторінок, включаючи 262 рисунків, 97 таблиць, і додаток на 113 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, визначена наукова новизна, теоретична і практична значущість одержаних результатів досліджень, рівень реалізації і упровадження наукових розробок.

У першому розділі - “Точність лезової обробки отворів осьовим інструментом і задачі дослідження” проведений аналіз точності отворів при лезовій обробці і проведена попередня оцінка впливу на неї різних параметрів.

Аналіз роботи сучасних машин і устаткування показує, що їх працездатність і надійність в значній мірі залежить від точності обробки базових отворів. Особливо актуальна ця проблема для базових поверхонь деталей гідро- і пневмоапаратури гірничошахтного устаткування і інших машин, пов'язаних з небезпекою для людської життєдіяльності і тому вимагаючих підвищеної надійності. Так, для деталей розподільної гідросистеми вугільних комбайнів похибка обробки основних отворів не повинна перевищувати 5-10 мкм. Перевищення цієї величини знижує надійність роботи всієї системи.

Важливою складовою похибки отвору і значним резервом підвищення його точності при чистовій обробці осьовим інструментом є спотворення форми і розмірів поздовжнього профілю, який має характерну бочкоподібну форму. Проте, як показав аналіз робіт П.Р. Родіна, А.Н. Резникова, Н.С. Равської, С.А. Клименка, А.І. Грабченка, А.В. Усова, Ю.П. Холмогорцева і робіт інших авторів, проблема усунення похибок поздовжнього профілю отвору до теперішнього часу залишається невирішеною.

Основною причиною утворення бочкоподібної форми поздовжнього профілю отвору вважаються температурні деформації інструменту. Проте при аналізі робочих процесів при обробці отворів автором було встановлено, що на точність поздовжнього профілю отвору також можуть робити вплив температурні деформації деталі, які до теперішнього часу вважалися лінійними, контактні деформації інструменту і деталі і радіальне зміщення осі інструменту від дії неврівноваженої радіальної сили різання. Оскільки всі відмічені складові деформації виявляються в зоні різання одночасно, сумарна похибка поздовжнього профілю отвору в роботі визначалася у вигляді суми похибок від температурних деформацій деталі ₁(x) і інструменту ₂(x), пружних деформацій деталі ₃(x) і інструменту ₄(x) і від зміщення осі інструменту від неврівноваженої радіальної сили різання ₅(x).

Аналіз робіт А.Н. Резникова, А.В. Баранова, В.А. Остафьєва, М.П. Мазура, П.А. Юдковського, А.А. Віноградова, І.О. Малишка, С.С. Силіна і інших робіт у області теплофізики обробки отворів, робіт І.Ф. Ольшанського, Ю.П. Холмогорцева, В.А. Стрельцова і інших досліджень поперечних зміщень осьового інструменту, робіт Л.А. Галіна, А.І. Ісаєва, М.Ф. Полетіки, В.М. Александрова і інших робіт по дослідженню контактних деформацій в машинобудуванні дозволив встановити основні напрями проведення досліджень особливостей формування і перспективні шляхи усунення похибок поздовжнього профілю отвору.

Більшість теплофізичних досліджень при обробці отворів осьовим інструментом присвячена визначенню температур в зоні різання при сталому теплообміні. Вторинний теплообмін, вплив геометрії інструменту і деталі на теплофізичні процеси, кількісні дослідження температурних деформацій інструменту і деталі і методи їх визначення з урахуванням краєвих ефектів на початку і кінці отвору в спеціальній літературі не розглядалися.

Досліджень впливу підвищення температури і пов'язаного з ним зниження модуля пружності матеріалу на поперечні зсуви осі інструменту від дії неврівноваженої радіальної сили різання в спеціальній літературі не відмічено.

Контактні процеси по задній поверхні інструменту в спеціальній літературі розглядаються лише з позицій визначення нормального тиску на основі схеми контакту жорсткого штампу з пружним напівпростором без урахування податливості інструменту і пластичних деформацій деталі.

Встановлено, що важливим параметром, що робить вплив на характер контактної взаємодії інструменту і деталі і формування теплового балансу, є кут зсуву Ц, який при обробці отворів залежить від кривини оброблюваної поверхні і температури в зоні різання. Відомі залежності для визначення Ц вплив цих чинників не враховують.

З урахуванням проведеного аналізу сучасного стану питання були поставлена мета роботи - підвищення точності отвору при його обробці осьовим інструментом за рахунок зменшення похибки поздовжнього профілю на основі комплексної математичної моделі формування поздовжнього профілю отвору, що враховує термопружні деформації інструменту і деталі в зоні різання і визначені основні задачі дослідження, приведені в загальній характеристиці роботи.

У другому розділі - “Загальні положення, об'єкт і основні методи дослідження” викладені основні методичні аспекти роботи.

Виходячи з проведеного аналізу і поставленої мети для досягнення кінцевого результату була вибрана стратегія проведення досліджень. На першому етапі на основі відомих незалежних параметрів інструменту і деталі визначалися функціональні зв'язки для об'єктивних вторинних (залежних) чинників, що роблять вплив на характер протікання процесів в зоні різання при обробці отворів. На другому етапі досліджувалися особливості розвитку і функціональні залежності для відмічених складових деформації в зоні різання при обробці отворів. На третьому етапі на основі одержаних функціональних залежностей була розроблена структура похибки поздовжнього профілю отвору за різних умов обробки і вироблені методи її прогнозування і усунення.

Точність обробки в роботі досліджувалася на основі конструкції деталі типу товстостінної і тонкостінної циліндричної втулки, виготовлених із сталей 45 і 40Х, характерних для деталей гідро- і пневмоапаратури гірничошахтного устаткування, а також суцільного осьового і комбінованого інструмента (розвертки і зенкери) різних конструкцій з швидкорізальної сталі Р6М5.

Поставлені задачі в роботі розв'язувалися з використанням різних аналітичних, чисельних і експериментальних методів проведення досліджень. Моделювання контактних процесів здійснювалося на основі інтегрального рівняння плоскої контактної задачі. При дослідженні температурних полів використовувався метод функцій Гріна і диференціальне рівняння теплопровідності. При дослідженні термопружних деформацій використовувалися методи теорії пружності. Моделювання термопружних деформацій тонкостінної втулки здійснювалося на основі методів розрахунку тонкостінних циліндричних оболонок. Моделювання процесу конвективного теплообміну здійснювалося методами теорії подібності. При моделюванні поперечних зміщень використовувалися методи визначення переміщень опору матеріалів.

Для оцінки адекватності аналітичних моделей використовувалося чисельне моделювання технологічних процесів і напружено-деформованого стану. У ряді випадків, коли застосування аналітичних методів виявлялося неможливим зважаючи на складність опису граничних умов, чисельне моделювання використовувалося також для отримання початкових даних при формуванні аналітичних моделей. При моделюванні теплофізичних процесів, одним з параметрів яких був поточний час, використовувалися спеціальні прийоми програмування.

При проведенні експериментальних досліджень на верстатах 1341 і 6С12Ц температура в зоні різання вимірювалася методом природної і штучної термопари, а похибка профілю поздовжнього перетину - на спеціальній установці індикаторним нутроміром. Виміри поперечних зміщень осі інструменту і дослідження температурної залежності модуля пружності здійснювались на спеціальній установці, що працює за схемою згинання.

У третьому розділі - “Контактна взаємодія осьового інструменту і деталі по задній поверхні і її вплив на точність поздовжнього профілю отвору” досліджені особливості контактної взаємодії по задній поверхні інструменту при обробці отворів; досліджений характер розподілу контактного тиску p в зоні контакту по задній поверхні інструменту; визначена структура і величина контактних деформацій інструменту і деталі по задній поверхні, виявлені функціональні залежності величини контактних деформацій від параметрів режимів різання і розроблені методи прогнозування контактних деформацій інструменту і деталі при обробці отворів.

При визначенні кута зсуву при обробці отворів, що впливає на умови контактної взаємодії по задній поверхні інструменту, в роботі був врахований вплив кривини обробленої поверхні і температури в зоні різання. Вплив кривини оброблюваної поверхні враховувалася на основі геометричного співвідношення між товщиною зрізу і товщиною стружки з урахуванням напряму швидкості різання у поточний момент.

Чисельні дослідження показали, що урахування кривини поверхні при обробці отворів малого діаметру сприяє зниженню розрахункового значення кута зсуву до 30%.

Для урахування впливу температури використовувалися відомі залежності величини дотичних напруг по передній поверхні від температури И. З урахуванням особливостей теплових процесів при обробці отворів були одержані аналітичні залежності для визначення температурних коефіцієнтів

K=tgФ()/tgФ

при обробці сталі 45 у вигляді

Вплив температури на кут зсуву при чистовій обробці отворів не перевищує 1%. Найбільш істотний цей вплив температури (до 5% при ) при температурах до 220, характерних для чорнового розвертування і зенкерування.

З урахуванням коефіцієнтів впливу температури і кривини автором був одержаний вираз для визначення кута зсуву при обробці отворівде - швидкість різання, - подача на зуб, - глибина різання, - радіус округлення ріжучої кромки, - задній кут, - головний кут в плані, - допоміжний кут в плані, - питома теплоємність, і - коефіцієнти теплопровідності матеріалу деталі і інструменту,

кут загострення

кут при вершині в плані, - товщина шару, що зрізається, - ширина шару, що зрізається. Адекватність рівняння (7) була підтверджена експериментальними вимірами товщини стружки при різних режимах обробки отворів. Розходження результатів теоретичних і експериментальних досліджень при розвертуванні не перевищувало 1,5%, при зенкеруванні - 6,5%.

Одержаний вираз (7) для кута зсуву був використаний при дослідженні контактних процесів по задній поверхні інструменту при визначенні товщини шару поверхні деталі, що підминається

.

При дослідженні контактних деформацій по задній поверхні на першому етапі була проведена оцінка справедливості традиційних допущень при проведенні подібних досліджень і зроблена попередня оцінка ступеня впливу Н на контактну деформацію інструменту і деталі. Для цього на основі різних аналітичних моделей був оцінений вплив чинників контактних процесів, що звичайно не враховуються при дослідженні, - податливості інструменту, динаміки процесу різання, сили тертя і шорсткості поверхні деталі.

Вплив податливості досліджувався на основі моделі контакту жорсткого і пружного плоского клину з пружною напівплощиною. Вплив сили тертя оцінювався на основі моделі руху прямокутного штампу по пружній поверхні. Вплив шорсткості враховувався контактною податливістю поверхні деталі.

Найістотнішим виявився вплив податливості інструменту. Чисельні дослідження показали, що за рахунок податливості інструменту контактний тиск зменшується більш ніж в два рази. Дослідження впливу сил тертя, динаміки різання і шорсткості показало можливість відповідних допущень.

В результаті проведених аналітичних досліджень було встановлено, що навіть для нового інструменту при мінімальних значеннях радіусу округлення ріжучої кромки с у зоні контакту по задній поверхні інструменту відбувається не тільки пружна, але і пластична деформація поверхні деталі. Це дозволило переглянути ступінь впливу величини Н на точність обробки і вимагало проведення дослідження пружнопластичних деформацій деталі.

Оскільки досліджувати подібні деформації в аналітичній формі неможливо, для визначення частки пластичних деформацій в загальних контактних деформаціях по задній поверхні були використані методи чисельного моделювання. Всі процеси моделювалися в реальних масштабах простору і часу і з урахуванням нелінійності фізичних властивостей матеріалів. З урахуванням крихти контактних поверхонь, було проведено мікро і макро моделювання контактних процесів.

Мікромоделювання здійснювалося на основі моделі контакту фрагментів інструменту і деталі з диференційованим розбиттям в зоні контакту. Розміри скінчених елементів вибиралися зіставними по величині з пружними деформаціями. Моделювалися процес вдавлювання інструменту в деталь і процес його руху по поверхні деталі.

Порівняння результатів дослідження пружного і пружньопластичного контакту показало, що переважаючу частку в Н складають пластичні деформації деталі, які з урахуванням схеми різання не роблять впливу на точність обробки. Частка пружних деформацій, що відновлюються після припинення контакту і роблять вплив на точність отвору, не перевищує в робочому діапазоні режимів різання 10% від Н, що при радіусі округлення ріжучої кромки 20 мкм не перевищує 1 мкм. Приблизно такі ж значення мають контактні деформації інструменту.

Проведені дослідження контактного тиску по задній поверхні показали, що в розрахункових моделях з прямолінійною формою площинки зносу на діаграмі контактного тиску є характерні сплески на початку і кінці площинки. У цих точках відповідно до енергетичної теорії зносу відбуватиметься інтенсивне зношування інструменту. На основі аналізу процесу зносу автором була запропонована розрахункова модель площинки зносу по задній поверхні інструменту у вигляді сполучення трьох циркульних кривих.

Чисельні дослідження контактних процесів інструменту з такою моделлю площинки зносу показали, що в цьому випадку розподіл контактного тиску є більш рівномірним, що відповідає рівномірному зносу задньої поверхні.

Макродослідження контактних процесів по задній поверхні проводилися на основі реальних конструкцій інструменту і деталі. Результати, одержані при цьому, практично не відрізнялися від результатів мікромоделювання, що свідчить про те, що основна частка пружних деформацій інструменту і деталі доводиться на зону навколо контакту. В цілому аналіз контактних процесів по задній поверхні показав, що як контактні деформації деталі, так і контактні деформації інструменту сприяють усадці отвору після зняття контакту.

Результати, одержані при чисельному аналізі, не завжди можуть бути використані в практичних розрахунках. Тому для прогнозування контактних деформацій автором були розроблені аналітичні залежності для визначення пружних контактних деформацій деталі ₃ і інструменту ₄ по задній поверхні які були одержані на основі гіпотези Хилла про обмеженість контактного тиску і відомих рішень про вдавлювання круглого штампу радіусом R₀ в напівплощину і про стиснення клину силою .

У четвертому розділі - “Температурний стан інструменту і деталі при обробці отворів осьовим інструментом” була розроблена математична модель розповсюдження тепла в циліндричній втулці і досліджено вплив різних параметрів моделі на точність визначення робочої температури в зоні різання; досліджений вплив параметрів режимів різання і розмірів деталі на температуру в зоні різання при обробці отворів; розроблена математична модель формування теплового балансу і визначення температури в зоні різання при обробці отворів в умовах несталого теплообміну; досліджений характер зміни і розроблені методи прогнозування температури в зоні різання по глибині отвору при обробці осьовим інструментом.

При формуванні теплового балансу при обробці отворів враховувалося тепловиділення в умовній площині зсуву, від тертя по передній, задній поверхні і стрічці, що калібрує, первинний розподіл тепла між інструментом, стружкою і деталлю, вторинний теплообмін між інструментом і деталлю і конвективний теплообмін з навколишнім середовищем.

При визначенні первинних теплових потоків по передній і задній поверхні враховувалася геометрія інструменту і особливості його роботи. Вперше в практиці теплофізичних розрахунків були враховані первинні теплові потоки по стрічці, що калібрує. При цьому характер тепловиділення був прийнятий аналогічним тепловиділенню по задній поверхні. Сумарне тепловиділення в інструмент Q_и і деталь Q_д визначалося залежностями де п_з, п_п і п_р - коефіцієнти розподілу теплових потоків.

При дослідженні структури первинних теплових потоків було встановлено, що при чистовій лезовій обробці отворів в інструмент поступає від 11 до 28% від сумарного тепловиділення Q, в деталь - від 67 до 80% і стружку від 4 до 16% від Q. При обробці отворів найбільшу частку первинного тепловиділення складає теплота, що виділилася за рахунок тертя по стрічках, що калібрують, яка досягає при розвертуванні більше 60% від Q.

При дослідженні температурного стану інструменту і деталі на першому етапі розглядався вплив тільки первинних теплових потоків. При визначенні температурного стану деталі були враховані і усунені основні допущення, що використалися раніше при подібних розрахунках - заміна об'ємної задачі плоскою і зневага краєвими ефектами при розповсюдженні тепла в замкнутому контурі. Дослідження проводилися на основі деталі типу циліндричної втулки по внутрішній поверхні якої із швидкістю подачі рухається кільцеве теплове джерело інтенсивністю q. Були розглянуті два варіанти розрахункових моделей - традиційно використовувана в теплофізичних розрахунках плоска модель і об'ємна модель.

Плоска задача розв'язувалася методом джерел з послідовним переходом від миттєвого точкового теплового джерела до лінійного і рухомого теплового джерела на межі прямокутної області.

При дослідженні процесу розповсюдження тепла в об'ємній моделі деталі, унаслідок осьової симетрії, розглядався лише поздовжній сегмент втулки з адіабатичними бічними поверхнями який представлявся у формі призми, по нижній грані якої рухається плоске теплове джерело. Рішення задачі здійснювалося за чотири етапи з послідовним переходом від миттєвого точкового теплового джерела до плоского, плоского на межі призми і до плоского рухомого теплового джерела.

Порівняння результатів розрахунків плоскої і об'ємної моделі показало, що відмінність між температурою в зоні різання складала від 30 до 50%. Тому використовування плоских розрахункових моделей при дослідженні температурного стану при обробці отворів можливе лише з поправочним коефіцієнтом, що враховує змінну товщину моделі.

Найбільший практичний інтерес представляє характер зміни температури в зоні різання , тобто характер зміни температур в рухомій системі координат теплового джерела . Для об'ємної моделі в роботі була одержана залежність де N - число положень кільцевого теплового джерела.

Для всіх умов теплового навантаження і параметрів режимів різання діаграма зміни температури деталі в зоні різання мала характерну сідлоподібну форму із сплесками температури на початку і кінці отвору які перевищували температуру посередині отвору до 2,5 разів. Це свідчить про необхідність урахування краєвих ефектів при визначенні температури в зоні різання при обробці отворів.

Проведені аналітичні дослідження температурного стану дозволили встановити нелінійний характер зміни температури в зоні різання по глибині отвору. Проте для визначення температурних деформацій необхідно мати достатньо точні кількісні показники не тільки в поздовжньому, але і в поперечному перетині деталі. Тому для дослідження кількісних характеристик температурного стану деталі в роботі використовувалися чисельні методи дослідження. Задача визначення температурних полів розглядалася як плоска осесиметрична для прямокутної області половини поздовжнього перетину деталі з урахуванням розвитку температурних полів в часі у міру просування теплового джерела по поверхні отвору. Безперервний процес теплового навантаження представлявся у вигляді дискретних n положень теплового джерела.

Для всіх розглянутих випадків теплового навантаження, як і для аналітичних досліджень, була характерна сідлоподібна форма діаграми зміни температур в зоні різання по глибині отвору. Також характерною є обмеженість зони інтенсивного нагріву матеріалу деталі. Розмір цієї зони в межах розглянутих варіантів режимів різання при зенкеруванні і розвертуванні коливався від 3 до 7 мм. Решта об'єму деталі нагрівалася трохи. Середня розрахункова температура нагріву деталі не перевищувала 15є (для тонкостінних втулок). Найістотніший вплив на зміну температури в зоні різання надає зміна швидкості різання.

Особливим випадком теплового навантаження деталі є обробка комбінованим інструментом. В цьому випадку характерні три фази теплового навантаження - врізання, спільна робота обох ступенів і вихід першого ступеня. При чисельному моделюванні теплового навантаження деталі двома кільцевими тепловими джерелами досліджувався вплив першого теплового джерела на температуру в зоні різання другого джерела залежно від відстані між ступенями а_1-2. Дослідження показали, що при збільшенні а_1-2 не тільки зменшується приріст температури на другому ступені за рахунок тепловиділення на першому, але і знижується за рахунок відображеної теплової хвилі від першого джерела негативний вплив краєвих ефектів в кінці отвору. При цьому спостерігається сплеск температури в зоні різання першого ступеня на відстані а_1-2 /3 від кінця отвору.

З урахуванням складності конструкції і граничних умов для осьового інструменту, дослідження температурного стану різних видів осьового інструменту здійснювалося тільки на основі чисельних методів дослідження. Для всіх розглянутих видів осьового інструменту було характерне дві ділянки зміни температури - нелінійний на початку (на глибині до одного діаметру отвору) і близький до лінійного у середині і кінці отвору.

Дослідження температурних полів в інструменті і деталі від дії первинних теплових потоків показало, що температура деталі і інструменту в зоні різання значно відрізняється. Це пов'язано з тим, що для первинного розподілу теплових потоків використовувалися залежності С.С. Силіна, що не враховують реальну геометрію інструменту і деталі і краєві ефекти на початку і в кінці отвору.

Тому для уточнення величини теплових потоків в інструмент і деталь в даній роботі вперше в практиці теплофізичних розрахунків був змодельований процес вторинного теплообміну. Для цього в математичну модель визначення температурного стану при обробці отворів був внесений механізм вторинного теплообміну між різнонагрітими контактними поверхнями.

Реалізація цього механізму здійснювалася на основі теплопередачі через стінку, роль якої виконувало “третє тіло” згідно гідродинамічної теорії тертя. У розроблених аналітичних і чисельних моделях вторинного теплообміну температурний стан інструменту і деталі визначався покроково з урахуванням зміни величини теплових потоків. Величина зміни теплових потоків визначається виходячи з різниці температур контактуючих поверхонь де і - вторинні теплові потоки в інструмент і деталь в зоні контакту по задній поверхні, і - вторинні теплові потоки в інструмент і деталь в зоні контакту по стрічці, що калібрує, і - середні температури в характерних точках в зоні контакту по задній поверхні, і - середні температури в характерних точках в зоні контакту по стрічці, що калібрує. Загальна кількість тепла, що надійшло в деталь і інструмент за один крок теплового навантаження, визначалося як де , , - сумарні теплові потоки, що надходить в деталь і інструмент (по задній поверхні і стрічці, що калібрує) на поточному кроці теплового навантаження, , , - сумарні теплові потоки, що поступили в деталь і інструмент на попередньому кроці.

Дослідження вторинного теплообміну для різних варіантів умов обробки отворів при зенкеруванні і розвертуванні показало, що в результаті реалізації механізму вторинного теплообміну розрахункові температури в зоні різання змінюються - температура інструменту значно зменшуються, а температура деталі декілька збільшується. При цьому температура в зоні різання з урахуванням вторинного теплообміну у всіх випадках опинилася близькою до температури деталі від дії тільки первинних теплових потоків.

1) Без урахування вторинного теплообміну;

2) З урахуванням вторинного теплообміну;

3) Зміна температури за рахунок вторинного теплообміну

Це пов'язано з тим, що деталь має значно вищу в порівнянні з інструментом масову теплоємність і вторинні теплові потоки не чинять значного впливу на зміну її температури. Для масивних деталей температура деталі в зоні різання від дії вторинних теплових потоків практично не змінювалася. Тому можна припустити, що деталь робить домінуючий вплив на робочу температуру в зоні різання. Причому домінуючий вплив теплоємності деталі виявляється як на початку, так і в кінці отвору, не дивлячись на різну спрямованість вторинних теплових потоків. Робоча температура в зоні різання з урахуванням вторинного теплообміну між інструментом і деталлю відрізнялася від температури деталі при дії первинних теплових потоків не більше ніж на 12%, а для масивних деталей - не більш 2-3%. Це дозволяє використовувати для визначення температури в зоні різання при обробці отворів одержані раніше аналітичні залежності для визначення температури деталі в зоні різання від первинних теплових потоків з урахуванням коефіцієнта вторинного теплообміну , величина якого залежить від масової теплоємності деталі,

Зміна температури відбулася за рахунок зміни величини сумарних теплових потоків. Так, при розвертуванні величина сумарного теплового потоку в деталь за рахунок вторинного теплообміну залежно від режимів різання збільшувалася від 8 до 20%. Найістотніший вплив вторинних теплових потоків спостерігався при малих швидкостях різання і подачах. При зенкеруванні вплив вторинних теплових потоків не перевищував 3-5%. Зміна величини теплових потоків в інструмент була значнішою. Так, при розвертуванні зменшення сумарного теплового потоку в інструмент по задній поверхні досягало 65%, а по стрічках, що калібрують, - 85%. При зенкеруванні зменшення сумарного теплового потоку в інструмент по задній поверхні досягало 75%, а по стрічках, що калібрують, за певних умов (V < 30 м/хв і S < 0,7 мм/об ) за рахунок перевищення вторинними тепловими потоками первинних, сумарні теплові потоки змінювали не тільки величину, але і спрямованість. В цілому дослідження характеру вторинного теплообміну на прикладі обробки отворів в циліндричній втулці дозволило встановити домінуючий вплив теплоємності деталі на формування температури в зоні різання і показало необхідність обліку краєвих ефектів і геометрії інструменту і деталі при дослідженнях теплофізики різання.

...