Пургин Валерий Павлович. Повышение эффективности сверления малоразмерных неполнопрофильных отверстий на основе оптимизации структуры и параметров технологических систем

Короткий опис

Пургин Валерий Павлович. Повышение эффективности сверления малоразмерных неполнопрофильных отверстий на основе оптимизации структуры и параметров технологических систем : диссертация ... кандидата технических наук : 05.03.01.- Челябинск, 2003.- 205 с.: ил. РГБ ОД, 61 03-5/3629-X

Министерство образования Российской Федерации
Южно-Уральский государственный университет
На правах рукописи УДК 621.95.04
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СВЕРЛЕНИЯ
МАЛОРАЗМЕРНЫХ НЕПОЛНОПРОФИЛЬНЫХ ОТВЕРСТИЙ
НА ОСНОВЕ ОПТИМИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Специальность 05.03.01 — «Технологии и оборудование
механической и физико-технической обработки»
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель - доктор технических наук,
профессор С.Г.Лакирев
Челябинск - 2003
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 5
1. Состояние вопроса, цель работы и задачи исследования 8
1.1. Неполнопрофильные отверстия, их служебное
назначение и требования, предъявляемые к ним 8
1.2. Существующие методы и технологические средства,
применяемые при обработке НПО 13
1.2.1. Приемы и методы сверления, область применения и
основные характеристики 16
1.2.2. Технологическое оснащение операций сверления 24
1.3. Теоретические и экспериментальные исследования процесса
сверления 33
1.4. Основные проблемы процесса сверления НПО малого диаметра
по результатам статистических исследований 40
1.5. Выводы 49
1.6. Цель работы и задачи исследования 49
2. Математическое моделирование взаимодействия элементов
технологической системы в процессе сверления неполно¬профильных отверстий 51
2.1. Анализ особенностей процесса сверления НПО 51
2.2. Моделирование технологической системы и процесса обработки 56
2.2.1. Модель технологической системы 56
2.2.2. Обобщенная математическая модель деформаций техноло¬гической системы при сверлении НПО 60
2.2.3. Комплексная математическая модель взаимодействия
элементов технологической системы 78
2.3. Моделирование взаимодействия инструмента с обрабатываемой
деталью ВО
з
2.4. Моделирование взаимодействий сверла и кондукторной втулки 84
2.5. Моделирование процесса отвода стружки из зоны резания 92
2.6. Выводы 97
3. Экспериментальные исследования процесса сверления НПО 99
3.1. Методика проведения экспериментальных исследований 99
3.2. Исследование взаимодействия режущих кромок сверла с
обрабатываемой деталью 100
3.3. Изгибные деформации и нагружение сверл при направлении
по кондукторной втулке 103
3.3.1. Изгибные деформации спиральных сверл при
неуравновешенном поперечном нагружении 103
3.3.2. Исследование взаимодействия сверла и втулки в зоне
контакта 107
3.4. Исследование процесса отвода стружки из зоны резания 111
3.5. Исследование влияния силовых факторов процесса
сверления НПО 116
3.6. Исследование влияния динамических факторов на
деформации инструмента 119
3.7. Выводы 123
4. Методика расчета процесса сверления НПО 124
4.1. Подготовка исходных параметров 126
4.1.1. Описание параметров детали 126
4.1.2. Моделирование инструмента 129
4.1.3. Формирование параметров технологической системы и
условий обработки 131
4.1.4. Определение координат и параметров режущих кромок 132
4.1.5. Определение сил резания и деформационных характеристик
сверла 134
4.2. Расчет статических нагрузок 136
4.2.1. Определение нагрузок от взаимодействия сверла с деталью 136
4.2.2. Определение изгибных деформаций сверл и их дополни¬тельного нагружения при трении о кондукторную втулку 138
4.2.3. Определение дополнительного нагружения инструмента
при взаимодействии со стружкой 138
4.2.4. Вывод расчетных параметров и их корректировка 139
4.3. Расчет динамических нагрузок 140
4.3.1. Деформации инструмента при вынужденных колебаниях 142
4.3.2. Определение устойчивости системы к параметрическим
и автоколебаниям 143
4.3.3. Вывод результатов расчета, их анализ и корректировка 146
4.4. Выводы 147
5. Практическое применение результатов исследований 148
5.1. Технологическое оснащение операций сверления НПО 148
5.1.1. Устройства для закрепления деталей 149
5.1.2. Направление инструмента при обработке НПО 150
5.1.3. Отвод стружки при сверлении малоразмерных НПО 155
5.1.4. Управление динамическими параметрами процесса 157
5.1.5. Системы привода, замены и контроля инструмента 159
5.1.6. Комплексное технологическое оснащение операций
сверления НПО 162
5.2. Применение результатов исследований в производстве 164
5.3. Использование результатов работы в учебном процессе 166
5.4. Выводы 167
Общие выводы по работе 169
Литература 171
Приложения 185
ВВЕДЕНИЕ
В условиях усиливающейся конкуренции продукции, выпускаемой предпри¬ятиями России, с импортной, необходимо расширять и постоянно обновлять номенклатуру изделий, повышать качество продукции и снижать затраты на ее изготовление. При этом особое внимание следует уделять операциям обработ¬ки, осуществление которых требует больших затрат времени, режущего инст¬румента, специальных приспособлений, а порой и необходимости применения ручного труда. В машиностроении одну из таких операций представляет опера¬ция сверления наклонных, вскрытых и пересекающихся отверстий, имеющих на всей или части их длины неполный (незамкнутый) профиль боковой поверх¬ности, то есть являющихся неполнопрофильными отверстиями (НПО).
Представителями изделий с НПО являются детали крепежной и трубопро¬водной арматуры с контровочными отверстиями, плашки со вскрытыми, а фор¬сунки с пересекающимися отверстиями. Замена таких отверстий на полнопро¬фильные не всегда возможна в связи с их функциональным назначением или экономически целесообразна.
Обработка НПО осуществляется, как правило, сверлением, а электроэрози¬онные, электрохимические, ультразвуковые и лучевые методы, в связи с рядом их недостатков, применяются ограниченно. Сверление этих отверстий также затруднительно, особенно малоразмерных. Это связано с низкой жесткостью и прочностью спиральных сверл малого диаметра, а также с тем, что при сверле¬нии малоразмерных НПО происходят явления, влияющие на стойкость инстру¬мента, производительность и точность обработки.
Используемые в настоящее время при сверлении малоразмерных НПО приемы обработки, технологическая оснастка, оборудование малоэффективны. При этом не раскрыты явления, приводящие к поломке сверл, на участках от¬верстий обрабатываемых только частью режущих кромок инструмента, проис¬ходящих при подачах даже ниже нормативных; не установлены закономерно¬сти взаимодействий элементов технологической системы при сверлении НПО малого диаметра, влияние на них структуры и параметров технологической системы, условий обработки; отсутствуют методики расчета. Вышеперечислен¬ные проблемы затрудняют создание высокоэффективных процессов и техноло¬гических систем, а их решение является весьма актуальным.
В связи с перечисленными выше проблемами и было выполнено настоящее исследование, целью которого является повышение производительности и точ¬ности обработки НПО малого диаметра, путем управления нагружением и де¬формацией спиральных сверл и создание эффективных технологических систем операций сверления.
Научная новизна работы. Разработан комплекс статико-динамических мате-матических моделей процесса сверления НПО, учитывающий влияние конст-руктивно-технологических параметров технологической системы на его сило¬вые и точностные характеристики. Установлено, что циклическое нагружение инстэумента вызывает его крутильно-продольные деформации, представляю¬щие совокупность статических и деформаций от вынужденных, параметриче¬ских и автоколебаний. Установлено, что осевая составляющая силы резания может принимать отрицательное значение. Выявлено, что изгибные деформа¬ции сверла, направляемого по кондукторной втулке, дополнительно нагружают инструмент крутящим моментом и осевой силой. Определено, что применение кондукторных втулок, прилегающих к детали, дополнительно нагружает инст¬румент осевой силой и крутящим моментом от сил трения стружки, отводимой по канавкам сверла.
Практическая ценность работы. Разработана методика проверочного расчета величины нагружения и деформаций спиральных сверл при обработке НПО малого диаметра. С учетом особенностей процесса сверления НПО разработаны рекомендации по управлению величиной нагружения и деформаций инстру¬мента путем рационального сочетания структуры, параметров технологической системы и условий обработки. Разработано 10 способов и 19 устройств, защи¬щенных авторскими свидетельствами, позволяющие повысить производитель¬ность и точность обработки НПО, снизить поломки инструмента.
Разработанная методика проверочного расчета, рекомендации по управле¬нию величиной нагружения и деформаций инструмента 3 способа и 7 устройств внедрены на четырех предприятиях и в учебный процесс подготовки инжене¬ров специальности 120100 и 210200.
На защиту выносятся: Результаты теоретических и экспериментальных ис-следований процесса сверления НПО малого диаметра, определяющие законо¬мерности изменения нагрузок и деформаций инструмента, погрешностей рас¬положения отверстий, влияние на них условий обработки, структуры и пара¬метров технологической системы; методика проверочного расчета величины нагружения и деформаций спиральных сверл при обработке НПО малого диа¬метра, с рекомендациями по управлению этими параметрами; новые способы обработки НПО, отвода стружки из зоны резания, контроля инструмента, а также комплекс оригинальных устройств для оснащения операций сверления НПО.
Практическим результатом работы является то, что на основе теоретических и экспериментальных исследований предложены новые способы обработки, удаления стружки из зоны резания и технологическое оснащение операций сверления НПО, методика проверочного расчета нагружения и деформаций спиральных сверл при обработке НПО, рекомендации по управлению этими параметрами, испытанные в производственных условиях и внедренные на че¬тырех предприятиях. Кроме того, результаты работы внедрены в учебный про¬цесс.
Работа состоит из введения, пяти разделов основного текста, общих выводов, списка литературы и приложения.
Объем работы: 184 страницы основного текста, в том числе 68 рисунков, 15 таблиц. В списке использованной литературы содержится 155 наименований.
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА,
ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Наклонные, вскрытые, пересекающиеся отверстия относятся к трудновы¬полнимым элементам деталей [62]. Обработка таких отверстий обычными тех¬нологическими методами сложна и малоэффективна. Особенно большие за¬труднения возникают на операциях сверления отверстий малого диаметра.
Наиболее эффективным средством улучшения технико-экономических ха-рактеристик процессов, особенно в условиях единичного, мелкосерийного и се-рийного производства, является переход на его групповую организацию [103, 134].
Группирование операций на основе технологии обработки однотипных по-верхностей позволяет создавать высокоэффективные процессы, применять не-стандартные технологические приемы и решения, разрабатывать специализи¬рованные инструмент, оснастку, оборудование или технологические комплексы со специфическими конструктивно-технологическими параметрами.
Сложность разработки эффективных технологических процессов и техноло-гических систем усугубляется тем, что до настоящего времени вопросу сверле¬ния наклонных, вскрытых и пересекающихся отверстий уделялось недостаточ¬но внимания, теоретические и экспериментальные исследования проводились ограниченно, а приемы и методы обработки таких отверстий, области их ра¬ционального применения и экономическая эффективность слабо освещены в технической литературе.

Список літератури

5.2. Выводы
1. На основе установленных закономерностей процесса сверления НПО малого диаметра, разработано 11 новых способов обработки, удаления стружки из зоны резания, контроля инструмента и 19 устройств, обеспечивающих со-вершенствование технологической системы и управление характеристиками процесса обработки.
2. Максимальное повышение технико-экономических характеристик процесса сверления НПО малого диаметра обеспечивается при комплексном совер-шенствовании технологической системы, обеспечивающем возможность выполнения операции в автоматическом режиме.
3. Разработанные методика проверочного расчета величины нагружения и де-формаций спиральных сверл при обработке НПО, рекомендации по управ¬лению этими параметрами процесса, совершенствованию технологической системы, 3 способа и 9 оригинальных устройств внедрены в производство.
4. Разработанные математические модели, отображающие закономерности процесса сверления НПО малого диаметра, методики экспериментальных исследований, для выполнения которых создано два оригинальных измери¬тельных устройства, и методика проверочного расчета величины нагруже¬ния и деформаций спиральных сверл используются в учебном процессе при подготовке инженеров специальностей 120100 и 210200.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
1. Разработан комплекс статико-динамических математических моделей, адек¬ватно отображающих нагрузки и деформации спиральных сверл малого диаметра при обработке НПО, с учетом влияния структуры и параметров технологической системы, позволяющих прогнозировать показатели процес¬са сверления.
2. Установлено, что при обработке периферийной частью инструмента участ¬ков НПО с малой глубиной резания на сверло действует осевая нагрузка, совпадающая по направлению с подачей, приводящая к кратковременному увеличению последней и поломке сверл.
3. Нагружение инструмента неуравновешенными радиальной и тангенциаль¬ной составляющими силы резания вызывает его изгибные деформации, при которых происходит смещение и увод режущей части сверла, а его боковая поверхность может контактировать с кондукторной втулкой в нескольких зонах, в каждой из которых сверло дополнительно нагружается осевой силой и крутящим моментом от сил трения.
4. Теоретически определено и экспериментально подтверждено дополнитель¬ное нагружение инструмента силами трения стружки о деталь и кондуктор¬ную втулку, величина дополнительного крутящего момента может превы¬шать момент от сил резания.
5. Установлено, что величина крутильно-продольных деформаций малораз¬мерных спиральных сверл при динамическом нагружении может возрастать до критических значений (поломки сверл) при возникновении вынужден¬ных, параметрических или автоколебаний.
6. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана методика инженерного расчета процесса сверления НПО малого диаметра, позволяющая прогнозировать нагрузки и деформации спиральных сверл в процессе обработки и влияние на них структуры и параметров технологиче- ской системы, в которой также даны рекомендации по усовершенствованию системы и условий обработки.
7. Разработан комплекс оригинальной технологической оснастки, защищен¬ный 24 авторскими свидетельствами, для операций сверления НПО.
Результаты работы внедрены в производство и учебный процесс подготовки инженеров по специальностям 120100 и 120200.