Расчет и проектирование 3D модели металлорежущего инструмента

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

От качества используемых в машиностроении инструментов в значительной степени зависит производительность труда, эффективность работы оборудования.

Целью курсового проекта является расчет и проектирование 3D модели металлорежущего инструмента: Токарный проходной прямой резец левый с пластинами из твёрдого сплава ГОСТ 18878 - №6.4

В настоящее время в инструментальном производстве применяются следующие материалы:

· Инструментальные стали (углеродистые, легированные, быстрорежущие).

· Твердые спеченные сплавы.

· Минералокерамические твердые материалы.

· Сверхтвердые материалы.

· Абразивные материалы (для изготовления шлифовальных инструментов)

Наиболее распространенным инструментальным материалом является быстрорежущая сталь и твердые сплавы.

Требования к материалам режущих инструментов: твердость, превышающую твердость обрабатываемых материалов, прочность и износостойкость, высокая теплостойкость и теплопроводность.

Назначать режимы резания необходимо рационально, а именно так, чтобы деталь требуемого качества изготовили при минимальных денежных затратах. Этот режим соответствует экономическому периоду стойкости инструмента. Методика назначения режима резания:

· Выбор материала, геометрических параметров режущей части и

размеров токарных резцов

· Назначение глубины резания

· Назначение величины подачи

· Определение скорости резания

Выбранный режим резания необходимо проверить по мощности привода шпинделя станка, по прочности механизма подач, по прочности державки резца и по прочности пластинки твердого сплава.

Исходные данные

Таблица 1. Токарный проходной прямой резец левый с пластинами из твёрдого сплава ГОСТ 18878

№	hb	L	Lобраб	Материал режущей части	Материал хвостовой части
6.4	32Х25	170	700	Т15К6	Сталь 40Х

Таблица 2. С.4 ГОСТ 18878-73



Рисунок 1. Сборка хвостовика для резца и пластинки

Задаю материал хвостовика - сталь 40Х.

Сталь конструкционная легированная, 0,8 - 1,1% хрома, 0,36 - 0,44% углерода. Обладает пониженной чувствительностью к коррозии.

Рисунок 2. Свойства материала сталь 40Х



Задаю материал режущей пластинки: Т15К6.

Титановольфрамовый сплав с содержанием 15% титана и 6% кобальта, остальное карбид вольфрама.

Рисунок 3. Свойства материала Т15К6

Значения Модуля упругости и Модуля сдвига в Методических рекомендациях уже даны в МПа и переводить их не требуется

Назначаю обрабатываемый материал согласно таблице 3. Рекомендуемый материал: углеродистые и легированные конструкционные стали.

Таблица 3. Рекомендации по материалу режущей части и обрабатываемому материалу.

Материал режуще части	Обрабатываемый материал
Твёрдые сплавы группы ВК Твёрдые сплавы группы ТК Твёрдые сплавы группы ТТК Быстрорежущие стали Легированные инструментальные стали Эльбор	Рекомендуемый материал: чугуны, коррозионно-стойкие и жаропрочные стали, титановые сплавы, цветные материалы, некоторые неметаллические материалы. Рекомендуемый материал: углеродистые и легированные конструкционные стали. Рекомендуемый материал: черновая и получистовая обработка практически всех сталей, в том числе труднообрабатываемых. Рекомендуемый материал: жаропрочные, высокопрочные стали и титановые сплавы, другие конструкционные материалы. Рекомендуемый материал: углеродистые конструкционные стали. Рекомендуемый материал: точение и шлифование углеродистых и легированных сталей, цветных металлов и их сплавов; стекла, твёрдой керамики, камней.



1. Расчетный раздел

1.1 Расчет режимов резания

По справочнику технолога-машиностроителя рассчитываем режимы резания: скорость резания v, подачу so или sм, глубину резания t, исходя из обрабатываемого материала(Cт. 45):

Таблица 4. Подачи при черновом наружном точении резцами и пластинами из твёрдого сплава и быстрорежущей стали. (Справочник технолога-машиностроителя.Т.2)

При t=3мм, назначим подачу из диапазона: 0,5-0,9 мм/об - S=0,8мм/об

Определим скорость резания по формуле:

Сv, m, x, y определяем по табл.17

Kv рассчитываем по формуле:



По табл. 1…4:

КПV = 0,85 (табл.5),

КИV = 1 (табл.6)

Определим значения стойкости инструмента при обработке: от 30 до 60 мин. Т=60 мин

Переводим значение скорости резания [м/мин] в [м/сек]:

1.2 Расчет всех составляющие сил резания и времени работы инструмента

Значения соответствуют табл.9,10,23 справочника технолога-машиностроителя.



1.3 Определение тепловой мощности

Тепловая мощность, действующая на режущую часть инструмента:

,

где - коэффициент, учитывающий долю тепловой мощности, действующей на инструмент; для твёрдых сплавов группы ТК - 0,6;

- составляющая силы резания, Н;

V - скорость резания, м/с.

Закон распределения тепловой мощности по контактной площадке - ближе к режущей кромке равномерный закон, на остальном участке линейный. Будем считать, что из общей мощности на участок, прилегающий к режущей кромке, с равномерным распределением мощности приходится 70% мощности, остальная мощность будет приходиться на участок с линейным законом.

Т.к. площадка разделена на 5 частей, на каждую часть приложена своя тепловая мощность:

на 1, 2 площадки - 70% - 56 Вт

на 3 площадку - 15% - 12 Вт

на 4 площадку - 10% - 8 Вт

на 5 площадку - 5% - 4 Вт

Число оборотов детали:



Округляется до стандартного ряда чисел оборотов: n=1250 об/мин

Время работы резца:

1.4 Назначение размеров контактных поверхностей инструментов

Таблица 5. Размеры контактной площадки

Принимаем размеры контактных поверхностей инструментов на передней поверхности. Площадкой на задней поверхности пренебрегаем, так как на неё действует гораздо меньшая доля тепловой мощности.

Ширина контактной площадки по рекомендациям должна быть равна подаче инструмента, а длина - глубине резания деленной на косинус главного угла в плане. Но, при разбиении контактной площадки на 5 небольших площадок происходит сбой при расчете, примем ширину контактной площадки равной 1,3 мм, а длину контактной площадки равной 4,24 мм.

Выполним контактную площадку на передней поверхности зубьев инструмента. Выбранную площадку разделим на пять одинаковых площадок. На эти контактные площадки будет действовать рассчитанный тепловой поток мощности WПР инстр



Рисунок 4. Изображение контактных площадок

Создадим на 3D модели поверхности, которые будут отдавать тепло конвекцией и излучением:

Для резцов всю длину разделить на три части:

- первая часть содержит головку резца (рабочую часть) до корпуса резца;

- вторая часть простирается от конца головки резца до резцедержателя или втулки;

- третья часть - остальная длина.



2. Расчетный раздел 2

2.1 Выполнение термического исследования

Рисунок 5. Исследование

Зададим ранее рассчитанные тепловые мощности по выбранным площадкам:

На 1 и 2 участки:

Рисунок 6. Тепловая мощность на участке 1 и 2



На 3 участок:

Рисунок 7. Тепловая мощность на участке 3

На 4 участок:

Рисунок 8. Тепловая мощность на участке 4

На 5 участок:



Рисунок 9. Тепловая мощность на участке 5

Определим коэффициенты теплоотдачи для двух вариантов охлаждения: воздухом и комбинации воздуха с охлаждающей жидкостью

2.2 Определение коэффициентов теплоотдачи только конвекцией воздуха

Для расточных, проходных и подрезных резцов (п.10.2)

Охлаждение только конвекцией воздуха. В этом случае рассмотреть два варианта, связанные с положением резца в отверстии.

1-й вариант определение коэффициентов теплоотдачи

Все поверхности первой части резца (головки), за исключением самой контактной площадки режущей пластины, охлаждаются потоком воздуха от вращающейся заготовки, скорость которого рассчитать по формулам:



- длина резца;

- расстояние от точки резания до рассматриваемой точки пластинки или державки проходного или другого резца.

Vp - скорость резания, м/с;

,

Поверхности второй части резца также охлаждаются потоком воздуха, но его скорость принять равной

,

,

Поверхности (не все) третьей части резца считать охлаждающимися естественной конвекцией. Это боковая поверхность корпуса резца, не прижатая к поверхностям резцедержателя, верхняя поверхность корпуса резца и торцовая поверхность корпуса резца.

Коэффициент теплоотдачи для режущей пластины и самой головки на первом и втором участках, Вт/(м2°C) определить по формуле

где под - понимать длину первого участка (головки резца) и длину второго участка резца в сторону стержня, м;

под - понимать скорость потока воздуха и на первом и втором участках соответственно.

- вспомогательный коэффициент, см. таблицу 27;

m, p - показатели степени, см. таблицу 27.

Таблица 6. Параметры при искусственном охлаждении жидкостью или воздухом

		m	p
	0,15 0,021	0,33 0,8	0,1 0

Тогда первая часть резца (головки):

,

,

,

Поверхность второй части резца:

,

,

,

Коэффициенты теплоотдачи для боковой, верхней и торцовой поверхностей корпуса резца на третьем участке, Вт/(м2°C), определить по формуле

,



где под - понимать длину боковой и верхней поверхностей корпуса резца и ширину его сечения, м;

- вспомогательный коэффициент, см. таблицу 26;

n - показатель степени, см. таблицу 26.

Таблица 7. Параметры при охлаждении естественной конвекцией воздуха

		n
10-3…102 5102…2107 > 2107	1,18 0,54 0,135	0,125 0,25 0,33

, тогда коэффициенты k и n равны 0,135 и 0,33 соответственно

,

,

Рисунок 10. Назначение коэффициента конвективной теплоотдачи на 1 участок

При этом зададим начальную температуру окружающей среды, равную 28 градусов Цельсия

Рисунок 11. Назначение коэффициента конвективной теплоотдачи на 2 участок

Рисунок 12. Назначение коэффициента конвективной теплоотдачи на 3 участок



Рисунок 13. Обозначение сетки

По ранее рассчитанному общему времени на обработку (10 сек), установим временной интервал работы резца:

Дополнительно указав начальную температуру (так же как мы делали в Лабораторных работах):



Рисунок 14. Назначение начальной температуры

Результат термического анализа по варианту №1:

Рисунок 15. Вариант 1 - Максимальная температура 475°С

2-й вариант определение коэффициентов теплоотдачи

Поверхности первого участка и длина второго участка охлаждаются потоком воздуха от вращающейся заготовки, скорость которого рассчитать по (5). Длина 10 мм второго участка охлаждается потоком воздуха, скорость которого рассчитать по (6).

Коэффициент теплоотдачи для первого и части второго участка рассчитать по (7), полагая при скорости потока воздуха .

Коэффициент теплоотдачи для второго участка длиной 10 мм рассчитать по (8), полагая мм.

Коэффициенты теплоотдачи для боковой, верхней и торцовой поверхностей корпуса резца на третьем участке, Вт/(м2°C), определить по (8). режущий инструмент тепловой мощность

Первый участок (первый участок и длина:

,

,

,

,

Второй участок:

,

,

,

Коэффициенты теплоотдачи для боковой, верхней и торцовой поверхностей корпуса резца на третьем участке:



,

,

Рисунок 16. Назначение коэффициента конвективной теплоотдачи на грани

Рисунок 17. Назначение коэффициента конвективной теплоотдачи на грани

Зададим рассчитанную конвекцию на соответствующие участки:



Рисунок 18. Обозначение сетки

Значение теплового потока скопируем с предыдущего исследования (Вариант 1)

По ранее рассчитанному общему времени на обработку (10 сек), установим временной интервал работы резца:

Дополнительно указав начальную температуру (так же как мы делали в Лабораторных работах):



Рисунок 19. Назначение начальной температуры

Результат термического анализа по варианту №2:

Рисунок 20. Вариант 2 - Максимальная температура 429°С

2.3 Определение коэффициентов теплоотдачи охлаждением жидкостью и воздухом

В этом случае тоже рассмотреть два варианта, связанные с положением расточного резца в отверстии.

1-й вариант определение коэффициентов теплоотдачи

Все поверхности первой части резца (головки), за исключением самой контактной площадки режущей пластины, охлаждаются жидкостью. Скорость течения жидкости принять равной 0,2 м/c. Поверхности второй части резца охлаждаются потоком воздуха со скоростью . Поверхности (не все) третьей части резца считать охлаждающимися естественной конвекцией. Это боковая поверхность корпуса резца, не прижатая к поверхности резцедержателя, верхняя поверхность корпуса резца и торцовая поверхность корпуса резца.

Коэффициент теплоотдачи для режущей пластины и самой головки на первом участке, Вт/(м2°C):

где - длина первого участка, м;

- скорость истечения жидкости из отверстия, м/с; принять 0.04 м/с;

- вспомогательный коэффициент;

m, p - показатели степени.

,

.

Поверхность второй части резца:

,



,

,

Коэффициенты теплоотдачи для боковой, верхней и торцовой поверхностей корпуса резца на третьем участке, Вт/(м2°C), определить по формуле

,

, тогда коэффициенты k и n равны 0,135 и 0,33 соответственно

,

,

Рисунок 21. Назначение коэффициента конвективной теплоотдачи на 1 участок



Остальные участки, соответствуют Варианту 1

Рисунок 22. Термические нагрузки на участках

По ранее рассчитанному общему времени на обработку (10 сек), установим временной интервал работы резца:

Дополнительно указав начальную температуру (так же как мы делали в Лабораторных работах):



Рисунок 23. Назначение начальной температуры

Результат термического анализа ВАРИАНТ №1:

Рисунок 24. Вариант 1 - Максимальная температура 108°С

2-й вариант определение коэффициентов теплоотдачи

Поверхности первого участка и длина второго участка охлаждаются жидкостью. Скорость течения жидкости принять равной 0.1 м/c. Поверхности второй части резца длиной 10 мм охлаждаются потоком воздуха со скоростью . Поверхности (не все) третьей части резца считать охлаждающимися естественной конвекцией.



Коэффициент теплоотдачи для первого и части второго участка рассчитать по (4), полагая при скорости потока жидкости равной 0,1 м/c.

,

,

Коэффициент теплоотдачи для второго участка длиной 10 мм рассчитать по (8), полагая мм.

,

,

Коэффициенты теплоотдачи для боковой, верхней и торцовой поверхностей корпуса резца на третьем участке:

,

,

Зададим рассчитанные значения:

Рисунок 25. Термические нагрузки на участках

По ранее рассчитанному общему времени на обработку (10 сек), установим временной интервал работы резца:

Дополнительно указав начальную температуру (так же как мы делали в Лабораторных работах):

Рисунок 26. Назначение начальной температуры

Результат термического анализа ВАРИАНТ №2:



Рисунок 27. Вариант 2 - Максимальная температура 108°С

Таблица 8. Полученные значения температуры в зависимости от типа охлаждения

Тип охлаждения	Вариант	Значение температуры
воздух	1	475
	2	429
жидкость и воздух	1	108
	2	108

2.4 Расчёт прочности и жёсткости инструмента

Расчёт на прочность проведем с учетом полученного теплового поля инструмента. Расчёт необходим, потому что для нормальной работы инструмента важна его жесткость. Если она обеспечивается, то инструмент можно сказать прочный.

Рисунок 28. Новое исследование - статический анализ 1



Рисунок 29. Установление ограничений на перемещения (резцодержка)

Зададим ранее определенные силы резания:

Рисунок 30. Pz

Рисунок 31. Pх



Рисунок 32. Py

Произведём проверку построения без температурного поля:

Рисунок 33. Напряжения

Допускаемое значение = 1130 Мпа



Рисунок 34. Перемещение

Рисунок 35. Распределение запаса прочности.

Минимальный коэффициент запаса прочности 270 единиц.

Включим зависимость от ранее рассчитанного температурного поля



Рисунок 36.Обозначение сетки

Результат статистического расчёта по варианту №1 (охлаждение воздухом) наихудший вариант:

Напряжения:



Рисунок 37. Результат статистического расчета при охлаждении воздухом

Вывод по напряжениям:

,

Рассчитанные значения действительных напряжений не превышают допускаемых.

Рисунок 38. Максимальные перемещения = 0,006 мм



Вывод по перемещениям

Максимальные перемещения составили - значения не превышающие допуск на изготовление инструмента

,

Гарантированный запас прочности:

Гарантированный запас прочности:

Рисунок 39. Минимальный коэффициент запаса прочности 9,2

Запас прочности составил 9,2 единиц, что больше минимально допустимого значения:

,



Заключение

В результате проделанной работы можно сделать заключение ,что резец 2100-0476 ГОСТ 18876 при назначенных параметрах резания (подача и глубина точения за проход) осуществляет цикл обработки за 10 секунд (время работы резца), при этом рабочая часть резца нагревается на величины не превышающие 475°С.

Сравнивая максимальное значение нагрева в 475°С с температурой теплостойкости материала пластины: 830 °С, можно однозначно сделать вывод ,что режущая кромка успешно противостоит температурному полю.

Расчёты на прочность и жесткость как без влияния температурных зависимостей так и с ними показывают, что при действии на резец рассчитанных сил резания, он сохраняет требуемую жесткость и прочность.

Таким образом, резец возможно применять в работе, как с охлаждением воздухом (в любом из 2 вариантов охлаждения), так и с СОЖ (в любом из 2 вариантов охлаждения).

Размещено на Allbest.ru

...