Основи забезпечення якості та зниження трудомісткості механічної обробки складнопрофільної формуючої оснастки для харчової промисловості

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування (13 – механічна інженерія). Національний технічний університет ''Харківський політехнічний інститут''. – Харків, 2021. Дисертацію присвячено вирішенню актуальної науково-прикладної проблеми теоретичного визначення й обґрунтування умов суттєвого підвищення якості, точності, продуктивності й зниження трудомісткості механічної обробки шляхом зниження її теплової й силової напруженостей та на цій основі розроблення ефективних технологічних процесів обробки складнопрофільної формуючої оснастки для харчової промисловості із застосуванням сучасних високообертових металорізальних верстатів із ЧПУ типу "обробний центр" та прогресивних різальних лезових твердосплавних і керамічних інструментів зі зносостійкими покриттями. Науковою новизною отриманих результатів є те, що вперше розроблено теоретичні підходи до визначення технологічних можливостей підвищення якості та зниження трудомісткості механічної обробки за рахунок зниження її теплової й силової напруженостей. Розроблено спрощені математичні моделі визначення температури різання при шліфуванні та лезовій обробці, які засновані на урахуванні балансу тепла, що виникає в зоні різання та надходить в поверхневий шар оброблюваної деталі, стружки, що утворюється, та охолоджувальну рідину. Вперше проведено узагальнення теоретичних рішень щодо визначення параметрів теплового процесу при механічній обробці із урахуванням досягнення кінцевого значення глибини проникнення тепла в поверхневий шар оброблюваної деталі. Встановлено основний напрямок зниження температури різання і підвищення якості та продуктивності обробки, який полягає в зниженні максимальної температури різання до рівня та нижче температури плавлення оброблюваного матеріалу. Це дозволяє досягти значного підвищення продуктивності обробки фактично без підвищення температури різання. Вперше запропоновано новий універсальний технологічний параметр механічної обробки – максимальну температуру різання, при досягненні якої все тепло, що виділяється при різанні, надходить в стружку, і яка визначається відношенням енергоємності обробки до добутку питомої теплоємності і щільності оброблюваного матеріалу. Це дозволяє порівнювати максимальну температуру різання із температурою плавлення оброблюваного матеріалу та в разі перевищення застосовувати технологічні прийоми її зниження для різних технологій механічної обробки. Встановлено, що зниження енергоємності обробки (умовного напруження різання) є основною умовою зниження максимальної температура різання та, відповідно, температури різання. Показано, що відмінність розрахункових і експериментальних значень температури різання при шліфуванні не перевищує 12%, що вказує на достовірність розробленої математичні моделі визначення температури різання. Розрахунками встановлено, що в реальних умовах шліфування відношення заданої і максимальної температур шліфування може змінюватися лише в межах 0 ... 0,4 в зв'язку із перевищенням максимальною температурою різання температури плавлення оброблюваного матеріалу внаслідок значного збільшення умовного напруження різання. При точінні це відношення може змінюватися в значно більших межах 0 ... 1. Тому максимальна температура різання при точінні буде менше, ніж при шліфуванні і може приймати значення, які менші температури плавлення оброблюваного матеріалу. Це розширює технологічні можливості точіння порівняно із шліфуванням. Вперше встановлено, що найбільш значного зниження температури різання при шліфуванні можна досягти при переривчастому шліфуванні в умовах рівності довжин робочого виступу і вирізу переривчастого круга та збільшення кількості робочих виступів круга. У цьому випадку температура різання може бути знижена більш ніж в 2 рази щодо температури різання при шліфуванні суцільним кругом. Однак максимальна температура різання при цьому приймає значення, які значно вищі температури плавлення оброблюваного матеріалу. Це обмежує технологічні можливості переривчастого шліфування порівняно із лезовою обробкою. Вперше розширено технологічні можливості математичної моделі визначення температури різання при лезовій обробці, яка заснована на урахуванні кількості виникаючих в зоні різання зсувних елементарних об'ємів оброблюваного матеріалу. Встановлено, що з їх збільшенням температура різання може збільшитися до 10 разів. Це можливо при шліфуванні в умовах безперервного контакту зв'язки шліфувального круга із оброблюваним матеріалом. При лезовій обробці кількість виникаючих в зоні різання зсувних елементарних об'ємів оброблюваного матеріалу незначна, що дозволяє знизити температуру різання та підвищити якість і продуктивність обробки. Встановлено, що розроблені в роботі математичні моделі визначення температури різання при механічній обробці позитивно відрізняються від відомих моделей, оскільки аналітично пов'язують всі основні параметри теплового процесу при різанні: температуру різання, максимальну температуру різання, глибину проникнення тепла в поверхневий шар оброблюваної деталі, градієнт температури, розподіл тепла, що надходить в оброблювану деталь, стружку і технологічне середовище. В результаті з'являється можливість із єдиних теоретичних позицій в узагальненому вигляді кількісно оцінити та порівняти температуру різання при шліфуванні й лезовій обробці. Вперше теоретично та експериментально обґрунтовано технологічні можливості суттєвого зниження максимальної температури різання та підвищення техніко-економічних показників механічної обробки на фінішних операціях шляхом переходу від шліфування до сучасних технологій високошвидкісного різання (точіння, розточування і фрезерування на сучасних високообертових металорізальних верстатах із ЧПУ типу ''обробний центр'' різальними твердосплавними і керамічними інструментами зі зносостійкими покриттями). Одержала подальший розвиток і поліпшення математична модель визначення параметрів силової напруженості при лезовій обробці (енергоємності та сили різання) із урахуванням уточнених значень умовного кута зсуву оброблюваного матеріалу. Показано, що у формуванні умовного кута зсуву оброблюваного матеріалу переважає радіальна складова сили різання, яка і призводить до його значного зменшення (в 1,5 разів) порівняно із розрахунковими значеннями, отриманими на основі відомих залежностей. Це дозволило обґрунтувати умови зниження енергоємності обробки і сили різання. Одержала подальший розвиток і поліпшення математична модель визначення пружних переміщень, що виникають в технологічній системі, та встановлено, що вони залежать, в першу чергу, від методу механічної обробки та його енергоємності. Тому основним шляхом підвищення точності та продуктивності обробки є застосування на фінішних операціях сучасних технологій високошвидкісної лезової обробки замість традиційних технологій шліфування та лезової обробки. На основі узагальнення аналітичного опису пружного переміщення при шліфуванні та лезовій обробці із урахуванням енергоємності проведено порівняння величин пружного переміщення для різних технологій механічної обробки, що дозволило вибрати найбільш ефективні варіанти високоточної та високопродуктивної фінішної обробки. Так, теоретично й експериментально обґрунтовано ефективність застосування технології високошвидкісного розточування отворів замість традиційної технології координатного внутрішнього шліфування із метою підвищення точності та продуктивності обробки. Це пов’язано, головним чином, із можливістю зменшення енергоємності обробки при високошвидкісному розточуванні отворів. В цьому випадку максимальна температура різання менше температури плавлення оброблюваного матеріалу. Тому з'являється можливість підвищення продуктивності обробки фактично без збільшення температури різання, оскільки вона незначно відрізняється від максимальної температури різання. При шліфуванні цього домогтися неможливо, оскільки максимальна температура різання завжди більше температури плавлення оброблюваного матеріалу. На цій основі створено методологію розроблення та впровадження у виробництво ефективних технологічних процесів лезової обробки із застосуванням сучасних високообертових металорізальних верстатів із ЧПУ типу ''обробний центр'' та різальних лезових твердосплавних і керамічних інструментів зі зносостійкими покриттями закордонного виробництва. Показано, що вони дозволяють до 10 разів і більше знизити енергоємність і підвищити продуктивність обробки при забезпеченні високих показників якості та точності оброблюваних поверхонь порівняно із шліфуванням. Це дозволило до 10 разів знизити трудомісткість обробки і до 200 разів розширити номенклатуру виробництва складнопрофільної формуючої оснастки для харчової промисловості в умовах дрібносерійного і штучного виробництва із забезпеченням її високої якості та конкурентоспроможності. Розроблено методики розрахунку раціональних структур і параметрів технологічних процесів механічної обробки складнопрофільної формуючої оснастки, що дозволило визначити раціональні режими різання та характеристики різальних інструментів, які забезпечують значне підвищення продуктивності обробки для заданих значень температури та сили різання. Розроблені технологічні процеси механічної обробки складнопрофільної формуючої оснастки для харчової промисловості впроваджено в основне виробництво ТОВ ''Імперія металів'' із економічним ефектом 3,86 млн гривен, що дозволило забезпечити виготовлення високоякісної складнопрофільної формуючої оснастки для підприємств харчової промисловості Міністерства аграрної політики та продовольства України.The dissertation on competition of a scientific degree of the doctor of technical sciences on a specialty 05.02.08 – technology of mechanical engineering (13 – mechanical engineering). National Technical University ''Kharkiv Polytechnic Institute''. Kharkiv, 2021. Dissertation is devoted to the solution of the actual scientific and applied problem of the theoretical definition and substantiation of the conditions for a significant increase in quality, accuracy, productivity and a decrease in the labor intensity of machining by reducing its thermal and power tensions and, on this basis, the development of effective technological processes for machining of complex molding equipment for the food industry using modern high-speed CNC metal cutting machines of the ''machining center'' type and progressive cutting blade carbide and ceramic tools with wear-resistant coatings. The scientific novelty of the results obtained is that for the first time theoretical approaches have been developed to determine the technological possibilities of improving the quality and reducing the labor intensity of machining by reducing its thermal and power tensions. Simplified mathematical models have been developed for determining the cutting temperature during grinding and blade processing, based on taking into account the balance of heat arising in the cutting zone and entering the surface layer of the workpiece, the resulting chips and coolant. For the first time, a generalization of theoretical solutions for determining the parameters of the thermal process during machining is carried out, taking into account the achievement of the final value of the depth of penetration of heat into the surface layer of the work piece. The main direction of reducing the cutting temperature, improving the quality and productivity of processing has been established, which consists of reducing the maximum cutting temperature to the level and below the melting temperature of the material being processed. This allows for a significant increase in machining productivity to be achieved without actually increasing the cutting temperature. For the first time, a new universal technological parameter of machining was proposed – the maximum cutting temperature, upon reaching which all the heat generated during cutting goes to the chips, and which is determined by the ratio of the energy consumption of processing to the product of the specific heat and density of the processed material. This makes it possible to compare the maximum cutting temperature with the melting temperature of the processed material and, if exceeded, to apply the technological methods of its reduction for various machining technologies. It has been established that a decrease in the energy consumption of machining (engineering cutting stress) is the main condition for the reduction of the maximum cutting temperature and, accordingly, the cutting temperature. It is shown that the difference between the calculated and experimental values of the cutting temperature during grinding does not exceed 12%, which indicates the reliability of the developed mathematical model for determining the cutting temperature. Calculations have established that in real grinding conditions, the ratio of the specified and maximum grinding temperatures can vary only within 0 ... 0.4 in connection with the excess of the maximum cutting temperature and the melting temperature of the processed material due to a significant increase of conventional cutting stress. This expands the technological opportunities of turning in comparison with grinding. It was established for the first time that the most significant reduction in the cutting temperature during grinding can be achieved with intermittent grinding under conditions of equality of the lengths of the working protrusion and the cutout of the intermittent wheel, and under increase in the number of working protrusions of the wheel. In this case, the cutting temperature can be reduced by more than 2 times compared to the cutting temperature when grinding with a continuous wheel. However, the maximum cutting temperature in this case takes on values that are significantly higher than the melting temperature of the material being processed. This limits the technological possibilities of interrupted grinding in comparison with edge cutting machining. For the first time, the technological capabilities of determining the cutting temperature during blade processing using a mathematical model, which is based on the number of shearing elementary volumes of the processed material arising in the cutting zone, have been expanded. It was found that with their increase, the cutting temperature can increase up to 10 times. This is possible when grinding in conditions of continuous contact of the bond of the grinding wheel with the processed material. During blade processing, the amount of shearing elementary volumes of the processed material arising in the cutting zone is insignificant, which makes it possible to reduce the cutting temperature and increase the quality and productivity of processing. It has been established that the mathematical models developed in this work for determining the cutting temperature during machining are positively different from the known models, because they analytically link all the main parameters of the thermal process during cutting: the cutting temperature, the maximum cutting temperature, the depth of heat penetration into the surface layer of the work piece, the temperature gradient, the distribution of heat entering the workpiece, chips and process medium. As a result, it becomes possible to quantify and compare the cutting temperature during grinding and blade processing from a unified theoretical positions in a generalized form. For the first time, the technological capabilities of a significant reduction in the maximum cutting temperature and an increase in the technical and economic indicators of machining at finishing operations by moving from grinding to modern high-speed cutting technologies (turning, boring and milling on modern high-speed metal-cutting machines with CNC of ''machining center'' type using carbide and ceramic tools with wear-resistant coatings) have been substantiated theoretically and experimentally. The mathematical model for determining the parameters of force tension during blade processing (energy intensity and cutting force) has been further developed and improved, taking into account the updated values of the conditional shear angle of the material being processed. It is shown that the radial component of the cutting force prevails in the formation of the conditional shear angle of the machined material, which leads to its significant decrease (by 1.5 times) in comparison with the calculated values obtained on the basis of known dependencies. This made it possible to substantiate the conditions for reducing the energy consumption of processing and cutting force. The mathematical model for determining the elastic displacements arising in the technological system was further developed and improved, and it was found that they depend, first of all, on the method of machining and its energy intensity. Therefore, the main way to increase the accuracy and productivity of processing is the use the modern technologies of high-speed blade processing in finishing operations instead of traditional technologies of grinding and blade processing. Based on the generalization of the analytical description of the elastic displacement during grinding and blade processing, and taking into account the energy intensity, in comparison with the elastic displacement values for various machining technologies was carried out, which made it possible to choose the most effective options for high-precision and high-performance finishing. Yes, it’s theoretically and experimentally substantiated the effectiveness of using high-speed boring technology instead of the traditional technology of coordinate internal grinding in order to increase the accuracy and productivity of machining. This is mainly due to the possibility of reducing the energy intensity of machining during high-speed boring of holes. In this case, the maximum cutting temperature is lower than the melting temperature of the processed material. Therefore, it becomes possible to increase the machining productivity without actually increasing the cutting temperature, because it does not differ significantly from the maximum cutting temperature. This cannot be achieved with grinding, because the maximum cutting temperature is always higher than the melting temperature of the processed material. On this basis, a methodology was created for the development and implementation into production of effective technological processes for edge cutting machining using modern high-speed metal-cutting machines with CNC of ''machining center'' type, and cutting blade carbide and ceramic tools with wearresistant coatings of foreign production. It is shown that they allow to reduce energy consumption up to 10 times or more and to increase processing productivity while ensuring high quality and accuracy of the processed surfaces in comparison with grinding. This made it possible to reduce the labor intensity of processing up to 10 times and to expand the range of production of molding tooling for the food industry up to 200 times in the conditions of small batch and unit production, ensuring its high quality and competitiveness. The methods have been developed for calculating sustainable structures and parameters of technological processes for machining complex-shaped forming equipment, which made it possible to determine rational cutting modes and characteristics of cutting tools that provide a significant increase in machining productivity for given values of temperature and cutting force. The technological processes have been developed and introduced into the main production of Empire of metals Ltd. with an economic effect of 3 860 000 UAH, for machining process of complex-shaped forming equipment for the food industry, which made it possible to ensure the manufacture of high-quality complex-shaped forming equipment for food industry enterprises of the Ministry of Agrarian Policy and Food of Ukraine.