05.03.01 "Процеси механічної обробки, верстати та інструменти"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/25601
Переглянути
2 результатів
Результати пошуку
Документ Проектування збірних різальних інструментів з непереточуваними пластинами бічної установки методом морфологічного аналізу(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2019) Настасенко, Валентин ОлексійовичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.01 – процеси механічної обробки, верстати та інструменти. – Херсонська державна морська академія Міністерства освіти і науки України України, м. Херсон, 2019. – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, м. Харків, 2019. У вступі наведено обґрунтування вибору теми дослідження, сформульовано мету, завдання і описано методи дослідження. Сформульовано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про апробацію результатів дисертації, публікації, що відображають її зміст, подано інформацію про особистий внесок здобувача. У першому розділі виконано огляд розвитку прогресивних збірних різальних інструментів з механічним кріпленням змінних непереточуваних пластин (ЗНП) і проблеми розробки методології їх проектування. Показано, що перехід до інструментів, оснащених ЗНП, пояснюються їх перевагами, а саме: підвищенням якості, точності і продуктивності обробки виробів, умов виробництва інструментів і ЗНП з підвищенням їх зносостійкості і надійності, поліпшенням умов відведення стружки, уніфікацією і зменшенням номенклатури і типорозмірів ЗНП та корпусів інструментів при їх багаторазовому застосуванні та розширенні видів і сфер їх використання. На прикладі відрізних різців показано, що ЗНП у них мають два варіанти установки: 1) бічного кріплення трьох-, чотирьох-, п’ятигранних ЗНП спеціальної форми – збоку гвинтом до голівки різця; 2) бічної установки ЗНП однією або двома різальними кромками в гнізді головки, з кріпленням їх зверху пружними або накладними гвинтовими притискачами. Показано, що недолік першої схеми – малий радіус відрізки (6…10 мм), недолік другої схеми – мала кількість (1…2) різальних кромок пластин. Для усунення цих недоліків потрібен пошук нових технічних рішень, які у більшості мають рівень винаходів, що ускладнює їх створення в рамках великої кількості раніше відомих. Найбільш ефективний такий пошук при розробці методології, заснованої на системних методах, тому потрібен їх детальний аналіз і подальше удосконалення. Показано також, що у збірних дискових фрезах використовують аналогічні ЗНП з їх радіальним кріпленням, що збільшує ширину прорізі до розміру, який на 10…15% більше за ширину ЗНП. Інший недолік відомих фрез – відносна складність установки та механічного кріплення ЗНП на корпусі. Для торцевих фрез, на прикладі збірної фрези Сестрорецького інструментального заводу з бічним кріпленням ЗНП для обробки бічних уступів, показано, що їх недолік – неможливість виконання чистового та напівчистового оброблення площини, яка сполучена з уступом, оскільки при бічній установці стандартних ЗНП радіус округлення їх вершин r ≥ 0,2 мм, що не дозволяє зрізати припуск менше 0,5 r. Для збірних кільцевих свердел показано, що недоліками відомих конструкцій є радіальна установка ЗНП, що збільшує ширину кільцевого прорізу і обмежує мінімальний діаметр свердління величиною 70 мм (для збірних свердел фірми Sandvik Coromant з твердосплавними ЗНП мінімальний діаметр свердління складає 120 мм). Проаналізовано системні методи пошуку нових технічних рішень і показано, що найбільш перспективними з них є: алгоритм і теорія рішення винахідницьких задач (АРВЗ); загальний евристичний метод; морфологічний аналіз і синтез; функціонально-вартісний аналіз (ФВА); функціонально-орієнтовані технології (ФОТ). Системні методи у проектуванні різальних інструментів використовуються недостатньо широко, що формує задачі для їх подальших досліджень, розв’язаних в роботі. У другому розділі на базі основних відомих системних методів пошуку нових технічних рішень виконано обґрунтування запропонованого методу проектування різальних інструментів з механічним кріпленням ЗНП та методів їх досліджень. В його основу покладено принципи ФОТ. Показано, що для ЗНП та різальних інструментів потрібна їх доробка, оскільки ФОТ не враховує весь життєвий цикл виробів, а лише дві його частини – виробництво та експлуатацію. Доведено, що повний цикл повинен мати ще 2 пари взаємопов’язаних додаткових етапів, а саме: проектування і конструювання, а також ремонт і утилізацію. Однієї з доробок запропонованої методології є врахування реальних потреб суспільства, техніко-економічного стану його розвитку на базі рівнів розвитку макросистем, що його складають, а саме: 1) споживання, 2) економіки, 3) науки, 4) техніки, 5) виробництва. В рамках реалізації отриманих результатів для елементів кріплення пластин різального інструменту запропоновано схему штучного інтелекту, як процесу мислення, у вигляді комбінації сполучень хвиль і частотних імпульсів та їх двійкових кодів, що дало змогу знайти нові рішення. На базі розроблених систем та вихідного варіанту ФОТ, процес створення нової техніки запропоновано розвинути до загальної системи – комплексної алгоритмічної розробки та виробництва продукції (КАРВП). Мета КАРВП – проблемне проектування на базі системних методів, які зменшують інерцію мислення проектувальника. Для цього систематизовано етап вибору та постановки проблеми, який охоплює усі етапи життєвого циклу об’єктів техніки. У третьому розділі, з урахуванням отриманих раніше результатів. запропоновано реалізацію системного проектування відрізних різців, оснащених ЗНП. Згідно проведеного на попередніх етапах аналізу конструкцій, виявлено три варіанти установки ЗНП: а) радіальну, б) тангенціальну, в) бічну, в останній виділено 2 види схем: 1) бічного кріплення ЗНП, 2) бічної установки. На їх базі розроблено комплексний варіант установки пластин, що закриває усі три площині загальної структури у вигляді граней кубу. Це характеризує дані три варіанти, як єдину систему і робить її завершеною. Однак ЗНП радіальної установки не можуть бути використані в тангенціальній, або бічний установках, оскільки значний радіус r їх вершин суттєво погіршує умови зрізання кореня стружки. Таким чином ці ЗНП не є взаємозамінними, тому запропоновано розділити їх на: радіальні (РЗНП) з різальними кромками на ребрах широких граней; тангенціальні (ТЗНП) з різальними кромками на ребрах широкої і вузької гранях; бічні (БЗНП) з різальними кромками на ребрах вузьких граней. При цьому БЗНП є такими, що встановлені на свою вузьку грань у нормальній площині до основної поверхні та до поверхні різання і здійснюють різання лезами, які утворені на ребрах їх вузьких граней. Для усунення радіусу r на ребрах базових ЗНП, запропоновано після їх пресування виконувати додаткову заточку лисок m або дугових виїмок радіусу rв, що зменшує перехідну радісну ділянку з r ≥ 0,2 мм до величини r ≤ 0,01 мм. При заточуванні лисок, які формують передню поверхню БЗНП, можлива оптимізація їх параметрів. Окрім зменшення ширини пазу, що прорізується, перевагами запропонованих БЗНП є: простота їх форми, збільшення кількості різальних кромок та збільшення товщини перетину і міцності БЗНП в напрямку дії сил різання, що є резервом для підвищення продуктивності різання шляхом збільшенням об’єму металу, що зрізається. На базі запропонованої методології та системи КАРВП створено новий метод системної розробки збірних відрізних і канавкових різців та БЗНП для їх оснащення. Для розробки нових БЗНП використано метод морфологічного аналізу, в якому виділено 17 морфологічних ознак пластин та визначено можливі варіанти їх виконання шляхом складання та розкриття морфологічних матриць В результаті аналізу вперше виділено: пірамідальні, кубічні і конічні виконання БЗНП, що найбільш доцільно для надтвердих матеріалів. Показано, що для БЗНП із твердих сплавів більш доцільні варіанти пластин, у яких виконано: радіусні виїмки, односторонні лиски, або двосторонні лиски на обох гранях, що формують ребра БЗНП. Кількість таких варіантів досягає 19. Усі БЗНП можуть мати центральний отвір для їх бічного кріплення, що подвоює кількість варіантів з 19 до 38. Усього, за рахунок впровадження розроблених методів проектування пластин, створено та захищено патентами понад 90 кінцевих рішень на рівні винаходів, що підтвердило ефективність даного методу. У четвертому розділі виконано розробку та дослідження пропонованих БЗНП та їх заготовок. В їх основу покладено принцип зниження собівартості виробництва шляхом зменшення об’єму припуску інструментального матеріалу, що видаляється при додатковій заточці. Розроблено схеми формування і отримані математичні вирази для розрахунку цього припуску при заточуванні БЗНП по передній або задній поверхнях. Показано, що площі So заточування збільшуються адекватно кількості n ребр БЗНП та радіусу ρ при їх вершині. Зокрема, зі збільшенням ρ з 0,2 до 2,4 мм площа заточування зростає за квадратичною залежністю (max 122 = 144 рази). Вихідна площа БЗНП зростає з ростом кута ε при вершині. Якщо за 100% прийнято лиски тригранної БЗНП з найменшим стандартним діаметром вписаного кола do = 9,525 мм, то при do = 12,70 мм, 15,875 мм, 19,05 мм, 22,20 мм їх частка зменшується за квадратичною залежністю згідно співвідношення фактичного do до вихідного do = 9,525 мм. Показано, що при цьому заточка лисок можлива тільки для тригранних і ромбічних БЗНП. Доведено, що перевагами двосторонньої заточки при однакових розмірах стрічок f"= f та h" = h, є: 1) збільшення радіусу ρ" на вершинах заготовки на 37 ... 63% в залежності від кута ε при вершині пластини; 2) зменшення кута різання β < 90о. Доведено, що заточування дугових виїмок на вершинах БЗНП подвоює кількість різальних кромок, що є їх суттєвою перевагою. Найбільш простий варіант його виконання – за дугою кола радіусом rв. Вибір rв вимагає розв’язання 2-х задач: 1) забезпечення необхідних умов формування і сходу стружки; 2) забезпечення максимально можливої міцності у перетині БЗНП та її різальних кромок, що створює технічне протиріччя, яке усунуто на подальшому етапі досліджень. Розв’язання 1-ї задачі забезпечено збільшенням розмірів БЗНП, 2-ї задачі – дотиком вписаного кола з бічними гранями та дуговими западинами БЗНП згідно отриманих математичних залежностей. Показано, що виконання виїмок за однорадіусною дугою rв може привести до зносу її парної вершини стружкою, що дає позитивний ефект самозаточування, але це явище недопустиме при нанесенні на її поверхню зносостійких покриттів. Для усунення даного недоліку запропоновано двохрадіусну дугову форму виїмок, що утворює в середині стружковідвідний виступ з кутом ξ = 1…2о і не допускає контакту стружки з протилежною вершиною. Для зменшення об’єму припуску на додаткову заточку запропоновано заготовки БЗНП, у яких на лисках, або на бічних гранях сформовано дугові виступи-вушка мінімального радіусу r, що дорівнює початковому радіусу ρ сполучення бічних граней пластини. Величину радіусу ρ ≥ 0,2 мм обрано в межах їх стандартних значень за умовами збільшення довговічності та міцності роботи пресформ для виготовлення БЗНП. Показано, що з трьох запропонованих варіантів виконання виступів, найбільш доцільним визнано їх зовнішнє розташування на прямолінійній ділянці БЗНП, яке дозволило застосувати плаский круг, спростило його правку і збільшило їх кількість в межах алмазного шару. Поздовжня подача кругу розподілила знос на всю його поверхню і збільшила продуктивність процесу заточування. Показано, що для бічних поверхонь БЗНП найбільш технологічні є піднутрення увігнутої сферичної, або конічної форми, з виконанням залишкових виступів Δf, оскільки вони збільшують об'єм матеріалу, що зношужться, при однаковій величині лінійного зносу Δh і поліпшують умови розподілу тепла. В масовому виробництві їх виконують пресуванням, в індивідуальному і дрібносерійному – шліфуванням. У п’ятому розділі виконано запропоновано системне проектування дискових відрізних і канавкових фрез із БЗНП і проведено їх дослідження. Доведено, що найбільш перспективною для зменшення ширини розпилювання заготовок є бічне кріплення БЗНП в гнізді на корпусі дискової фрези. Представлено конструкції розроблених збірних дискових фрез з БЗНП, захищених патентами. Їх зубцями є БЗНП ромбічної форми товщиною s без задніх кутів, які встановлено на торцях корпусу в лівих і правих пазах, а пластини виконано з лисками, або дуговими виїмками на гострих вершинах. За рахунок перекриття звернених одна до одної БЗНП, сформовано ширину фрези H <2s. Кріплення БЗНП здійснено по їх центральним отворах з фаскою гвинтами, з упором основи пластин в основи пазів та в їх бічні сторони, за рахунок зміщення (ексцентриситету) осей, виконаних в корпусі різьбових отворів під гвинти, та отворів пластин. Дія сил різання при цьому забезпечує притиск БЗНП до бічної сторони паза. Для розміщення і відведення стружки від передньої поверхні зубців, на зовнішньому діаметрі корпусу виконано стружкові канавки, які спрямовано до бічної сторони пластин. Методологію проектування фрез за розробленими системними принципами пов’язано з перебиранням можливих варіантів виконання пропонованих БЗНП та варіантів їх кріплення в гніздах корпусу. В її основу також покладено метод морфологічного аналізу, в якому морфологічними ознаками є розроблені варіанти виконання БЗНП. На базі виконаних розробок виготовлено і випробувано у виробничих умовах дискові відрізні фрези із затисканням БЗНП клиновими притискачами та ексцентриковими гвинтами. Виконання БЗНП, які рекомендовано до використання: в одиничному та дрібносерійному виробництві – ромбічні з кутом 80о і лисками, у масовому – квадратні з видаленими вушками і з дуговими виїмками. Порівняння ширини прорізу збірних стандартних фрез з РЗНП і пропонованих з БЗНП показало, що вона зменшується з 10 до 6 мм, а переріз БЗНП у напрямку дії сил різання збільшується до їх ширини, тому зростає з 3,18 і 6,35 мм у відомих РЗНП, до 8,1 до 19,3 мм у пропонованих БЗНП. Це веде до збільшення міцності і жорсткості зубців даних фрез, що є резервом для росту їх продуктивності. Розроблено систему дослідження навантаження корпусу пропонованих конструкцій дискових відрізних фрез на базі методу скінченних елементів. Розвиток конструктивного виконання дискових фрез пов'язано з переходом до пазових тристоронніх, для різної ширини оброблюваних пазів. Для цього три, або більшу кількість БЗП встановлюють між собою в шаховому порядку. Таким чином охоплено увесь можливий діапазон розмірів ширини дискових, канавкових і прорізних фрез. Шостий розділ присвячено системному проектування торцевих фрез та кільцевих свердел і виконано їх дослідження. Показано. що заміна квадратних ЗНП у чорнових базових фрез на запатентовані ромбічні БЗНП з кутом профілю 80о і заточкою лисок на вершинах з радіусом сполучення різальних кромок ≤ 0,01 мм перетворює чорнову фрезу у чистову. Окрім ромбічних можлива установка усіх інших виконань БЗНП, розроблених в розділі 3. Фреза має корпус та БЗНП тригранної форми, які встановлено у пази на зовнішній бічній поверхні корпусу. Опорна поверхня пазу забезпечує установку БЗНП з бічним заднім кутом біч = 1,5 ... 2,5о, а подовжня опорна поверхня 4 під бічну сторону пластини розташована під кутом ос до осі фрези. Кріплення БЗНП можливе гвинтом з конічною голівкою, що контактує з фаскою отвору БЗНП при зміщенні осі нарізного отвору під гвинт до опори, або до штифтів. Для зменшення зносу штифтів поверхня на їх голівці збільшена виконанням лисок. Можлива також установка БЗНП отвором на штифт і затиск її гвинтом з ексцентричною поверхнею, вектор сили затяжки якої перетинає поверхні інших опор. Показано, що подальший розвиток запропонованих конструкцій фрез і нових способів їх використання пов’язано з можливістю деформуючої чистової обробки виробів. Для цього достатньо базову фрезу обертати проти годинникової стрілки, а подачу виконати в напрямку вихідного заднього кута. Найбільш ефективним в даному випадку є використання круглих ЗНП, які забезпечують деформування в будь-якому напрямку обертання фрези. Наступним варіантами розвитку фрез є одночасне поєднання на них різальних БЗНП і деформуючих ЗНП у 2-х варіантах їх установки: 1) чергуванні одна за одною послідовно, що зменшує кількість різальних пластин на діаметрі фрези; 2) накладені одна на одну, що дозволяє зберегти їх початкову кількість. Показано, що можлива заміна 2-х накладних пластин на одну різально- деформуючу, у якої на половині товщини бічних ребр у вершин виконані лиски з кутом нахилу 15 … 30о, або дугові виїмки, а на другий половині збережений радіус округлення вершин стандартних ЗНП. Для збірних кільцевих свердел з БЗНП особливості їх системного проектування пов’язано з бічною установкою пластин і зменшенням діаметру свердління. Базовими прийнято пропоновані БЗНП з лисками або виїмками на вершинах, кількість виконання яких подвоюється для пластин з отворами. Однак при конструюванні свердел цих даних для проведення морфологічного аналізу недостатньо, тому було використано розроблену систему КАРВП. В основу розробки покладено конструкцію торцевої фрези з бічним кріпленням БЗНП, яку можна використати для кільцевого свердління листового матеріалу товщиною до 2 мм. Згідно системі КАРВП дану задачу розділено на 2 підзадачі, які показали, що обмеження глибини свердління базовою фрезою пов’язано з бічним кріпленням БЗНП до корпусу. Усунути цей недолік дозволяє: 1) розміщення БЗНП на лобовій кільцевій поверхні свердла, 2) парне кріплення БЗНП, що прорізають канавки по зовнішньому і внутрішньому діаметрам свердління при узгодженні їх розмірів, параметрів установки і діаметру свердління. Для кільцевого свердла оснащеного двома парами зовнішніх і внутрішніх ромбічних БЗНП на базі ЗНП ГОСТ 19056-80 з кутом профілю 80о, мінімальний зовнішній діаметр свердління забезпечено за умови перекриття слідів різання парними пластинами. Для розрахунку геометричних параметрів пропонованих свердел та пластин для їх оснащення розроблено відповідне аналітичне забезпечення. Показано, що мінімальний діаметр свердління запропонованими збірними свердлами становить 11,8 мм, а максимальний діаметр не має обмежень і визначається лише розмірами та кількістю БЗНП. Усі розроблені конструкцій свердел та БЗНП захищено патентами. Показано, що вони мають високу розрахункову міцність, жорсткість, точність і працездатність. Голівку свердла з діаметром свердління D'a = 28 мм було виготовлено і випробувано з позитивними результатами. Запропоновані конструкції формують новий напрямок розробки кільцевих свердел та БЗНП для їх оснащення. В сьомому розділі розглянуто питання виробництва та експлуатації розроблених інструментів та БЗНП для їх оснащення і проведено їх дослідження, викладено основні принципи і методи їх проведення, описано використане обладнання, апаратуру, пристрої та оброблювальні матеріали, вимірювальні та різальні інструменти. Приведено методики оцінки статичної жорсткості різців та інших інструментів, визначення у них раціонального переднього γ і заднього α кутів. На всіх етапах дослідження виконано обробку експериментальних даних із застосуванням методів математичної статистики. Дослідження розмірно-масових показників відомих і пропонованих БЗНП показали, що за витратами інструментального матеріалу вони поступаються пластинам Q–Cut і CoroCut 2, але мають у 3-6 разів більшу кількість різальних кромок. У порівнянні з пластинами CoroCut 3, MultiCut-4, PentaCut, вони мають переваги за витратою інструментального матеріалу і за діаметром відрізки, оскільки збільшують його з 6 мм до 24 мм для БЗНП з лисками, та до 19,5 мм для БЗНП з дуговими виїмками на вершинах. Вимірюваннями деформації голівки різця встановлено, що переваги має схема, де притискач діє по центральній осі гнізда. Під час виконання випробувань розробленими інструментами виконували види робіт, за тими ж умовами і режимами, за яких експлуатують базові інструменти, і робили висновок про їх працездатність. Деформації розроблених відрізних різців вимірювали експериментально і розрахунками за методом скінчених елементів. Показано, що для дискових і торцевих фрез та кільцевих свердел в індивідуальному виробництві найбільш доцільними є ромбічні БЗНП з кутом профілю 80о. В масовому виробництві, при пресуванні зовнішніх виступів-вушок радіусу r на заготовках, найбільш доцільні квадратні пластини. Дослідження деформацій дискових фрез від дії сил різання здійснено по аналогії з різцями, експериментально і розрахунками за методом скінчених елементів.Документ Проектування збірних різальних інструментів з непереточуваними пластинами бічної установки методом морфологічного аналізу(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2019) Настасенко, Валентин ОлексійовичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.01 – процеси механічної обробки, верстати та інструменти. – Херсонська державна морська академія, м. Херсон, 2019. Дисертацію присвячено рішенню важливої науково-прикладної проблеми – створення і проектування збірних відрізних різців, дискових фрез, торцевих фрез та кільцевих свердел, оснащених бічними змінними непереточуваними пластинами (БЗНП) на базі методу морфологічного аналізу, який охоплює усі можливі варіанти виконань і дозволяє провести їх повний аналіз з відбором найбільш доцільних з них. Запропоновано комплексну алгоритмічну розробку і виробництво продукції та методологію її проектування, яка враховує потреби суспільства, рівень його соціально-економічного та науково-технічного розвитку в умовах всього життєвого циклу створюваної техніки. Головною ознакою БЗНП є наявність гострих різальних кромок на її їх бічних ребрах. Ці БЗНП, в сукупності з радіальними і тангенціальними непереточуваними пластинами, завершують кубічну схему їх установок в різальних інструментах. Обґрунтовано і знайдено розрахункові залежності для визначення конструктивних і геометричних параметрів БЗНП, в них враховано умови зменшення припуску на їх обробку та забезпечення найбільшої міцності і кращого сходження стружки. Для відрізних різців рекомендовано тригранні БЗНП з лисками або дуговими виїмками на їх вершинах, які мають надійне кріплення в гнізді різця клинової форми, а їх виготовлення є найбільш простим в умовах будь-якого типу виробництва. Дані БЗНП переважають БЗНП Corocut-3, Multicut, Pentacut, оскільки збільшують радіус відрізки з 10 до 24 мм і зменшують витрати інструментального матеріалу на одну різальну кромку. Ще більш ефективні квадратні БЗНП з виїмками, але у відрізних різців вони потребують складної форми гнізда для їх розміщення. Створено нові різновиди дискових фрез з бічним кріпленням БЗНП, які зменшують мінімальну товщину пазу відрізки з 10 до 6 мм, та торцеві фрези з БЗНП для чистової обробки, які доповнюють процес різання зміцнюючою деформуючою обробкою. Розроблено кільцеві свердла з механічним кріпленням БЗНП, які зменшують мінімальний діаметр свердлення з 70 до 12 мм без обмежень максимального діаметру. Випробування і дослідження пропонованих інструментів підтвердили їх працездатність, що дозволило рекомендувати їх до широкого подальшого дослідження і впровадження з розробкою ДСТУ.