/>МІНІСТЕРСТВООСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Національний університет «Львівськаполітехніка»
Кафедра «Технології машинобудування»
Реферат
Дисципліна: Наукові дослідження
”ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЕКСПЛУАТАЦІЇ СВЕРДЕЛ ПІД ЧАС ОБРОБКИ КОМПОЗИЦІЙНИХМАТЕРІАЛІВ”
Львів – 2008р.
Зміст
Вступ.
1 Огляд літературних джерел. Аналіз геометричних параметрівріжучої частини спіральних свердел з перехідними ріжучими крайками
2 Результати аналізу геометричних параметрів ріжучої частини спіральногосвердла із підрізаючими ріжучими крайками
3 Опис експериментальних дослідженьпроцесів формоутворення задніх поверхонь свердел різних конструкцій
4 Результатиекспериментального дослідження зусиль різання і шорсткості обробленої поверхніпід час свердління свердлами з підрізаючими ріжучими крайками
Висновки
Література
Вступ
Розвиток машинобудування на порозі третього тисячоліття ставитьнові складніші питання до технології механічної обробки і, у тому числі, доінструментів, від характеристик яких залежить надійність та економічністьроботи інструмента за умов високих швидкостей, навантажень, температур,хімічної взаємодії з оброблюваним матеріалом, а також високих вимог догеометрії обробки та якості оброблених поверхонь.
Постійно зростаюча потреба різних галузей промисловості в освоєннінової техніки, яка має високі експлуатаційні характеристики, зумовила широкезастосування різних полімерних і метало-полімерних композиційних матеріалів,особливо в аерокосмічній галузі машинобудування.
Серед різних полімерних композиційних матеріалів, таких як скло-,органо- і вуглепластики, склопластики знайшли найбільш широке застосування.Вони мають питому міцність у 5...6 разів більшу за алюміній. Гібридні матеріалина основі скляних волокон з добавками вуглецевих і борних волокон дають змогузначно підвищити твердість, модуль пружності та втомлювальну міцність. Тому ціматеріали тепер широко використовуються в сучасних конструкціях літаків і даютьзмогу досягти зниження маси планера на 20...25%, а космічних апаратів – до 40%.
Процеси механічної обробки композиційних матеріалів значновідрізняються від процесів обробки традиційних матеріалів. Тому композитивідносять до групи важкооброблюваних матеріалів. Широке впровадження цихматеріалів стримується низькою оброблюваністю різанням, невисокою стійкістюінструмента і труднощами одержання якісної поверхні.
Найбільш розповсюдженою і трудомісткою операцією при механічнійобробці конструкційних матеріалів, яка складає близько 50%, є операціясвердління. При її виконанні необхідно забезпечити точність отвору в межах11...12 квалітету і необхідні параметри шорсткості обробленої поверхні,виключивши відколи та спучування на вході і виході свердла з отвору.
Суттєво підвищити якість обробки можна за рахунок використання сверделспеціальної конструкції з підрізаючими ріжучими крайками. Однак, відоміконструкції спіральних свердел з підрізаючими ріжучими крайками застосовують впрактиці обмежено. Це, значною мірою, пояснюється тим, що не було розробленоефективних технологічних способів заточування таких інструментів, які дозволилиб у широких межах змінювати величини геометричних параметрів ріжучої частинисвердла.
Існуючі свердла для обробки композиційних матеріалів за своєюконструкцією і технологічністю не завжди задовольняють користувачів як запродуктивністю, так і за якістю обробки. Тому задача створення ефективних іпростих за конструкцією інструментів, які задовольняли б як за стійкістю, так іза якістю обробки КМ при свердлінні, актуальна.
1 Оглядлітературних джерел.Аналіз геометричнихпараметрів ріжучої частини спіральних свердел з перехідними ріжучими крайками
Аналізлітературних даних показав, що композиційні матеріали все більш поширюються вмашинобудуванні. Однією з трудомістких і частіше застосовуваних операцій умашинобудуванні є свердління. Розглянуто вимоги, висунуті до операціїсвердління і конструкції використовуваних спіральних свердел. На основіпроведеного аналізу визначено та обґрунтовано шляхи поліпшення конструктивнихпараметрів спіральних свердел і їх експлуатації під час обробки композиційнихматеріалів, що дозволило сформувати мету і завдання дослідження.
Вектор нормалі /> до задньої площини />, що примикає доцентральної ріжучої крайки, дорівнює:
/> ,
де /> – вектор, щойде по центральній ріжучій крайці;
/> – вектор, щойде по лінії перетинання задніх площин із площиною, перпендикулярною до осісвердла.
Векторнормалі /> дозадньої площини />, що примикає до перехідноїріжучої крайки, дорівнюватиме:
/>,
де `/> – вектор, що йде по перехідній ріжучій крайці.
Кут e між площинами /> і /> дорівнює куту між нормалями /> і />:
/>,
де qII –інструментальний задній кут, вимірюваний у площині, перпендикулярній до осісвердла.
Знаючиположення задніх площин, проаналізовані нові способи їх одночасного заточування.Було аналітично визначено кути установки універсально-заточувальної голівки підчас заточування свердла. Методику визначення положення свердла відносношліфувального круга було прийнято таку:
–поворотом голівки навколо осі В вектор /> встановлюємо паралельно донапрямку зворотно-поступальних рухів столу універсально-заточувальноговерстата;
–поворотом навколо осі Б встановлюємо вектор нормалі /> паралельно доосі шліфувального круга.
Кутиустановки універсально-заточувальної голівки дорівнюють:
qБ= (90°– r); qВ= – (90°– qII);
де tgr0 = tgj0 cosqII.
Кутповороту qАприймається таким, що дорівнює нулю.
Методикувизначення кутів установки голівки під час заточування за схемою:
–поворотом навколо осі В вектор /> встановлюємо паралельно напрямкузворотно-поступальних рухів столу верстата;
–поворотом навколо осі Б встановлюємо вектор нормалі /> у вертикальнеположення.
Кутиустановки універсально-заточувальної голівки дорівнюватимуть:
qБ = r, qВ = – (90°–qII).
2 Результатианалізу геометричних параметрівріжучої частини спірального свердла із підрізаючими ріжучими крайками
Векторнормалі /> дозадньої площини /> підрізаючої ріжучої крайкидорівнює:
/>,
де /> – вектор, щойде по підрізаючій ріжучій крайці;
/> – вектор, щойде по задній поверхні в нормальному до підрізаючої ріжучої крайки перерізі.
Векторнормалі /> дозадньої площини /> дорівнює:
/>,
де /> – вектор,що йде по центральній ріжучій крайці;
/> – вектор, що йде по задній поверхні /> у нормальному доцентральної ріжучої крайки перерізі.
Кут e між площинами /> і /> дорівнює куту міжнормалями /> і />
/>.
Післявідповідних перетворень будемо мати:
/>.
Вокремому випадку кут між площинами /> і /> може дорівнювати90°.
Тоді/>,
де /> –інструментальний задній кут на підрізаючій ріжучій крайці у нормальному до неїперерізі;
/> –інструментальний задній кут на центральній ріжучій крайці у нормальному до неїперерізі.
Заприведеною формулою можна визначити геометричні параметри ріжучої частинисвердла, тобто кути />, />, j і b, за яких кут e між площинами /> і /> дорівнюватиме 90°.
Вектор/>, що йдепо лінії перетинання площин /> і />, дорівнюватиме: />.
Знаючиположення задніх площин, проаналізовано нові способи їх одночасногозаточування.
Булоаналітично визначено кути установки універсально-заточувальної голівки зарозглянутими способами заточування свердел.
Методикувизначення положення свердла відносно шліфувального круга за схемою, зображеноюна, було прийнято таку:
– використовуючи поворотивстановленого в універсально-заточувальній голівці спірального свердла навколоосей В і Б, встановлюємо заточувальну площину /> угоризонтальне положення, а нормаль до неї /> – у вертикальне.
–поворотом навколо осі А вектор />, розташований у горизонтальновстановленій площині />, приводиться в положення,паралельне подовжній подачі столу універсально-заточувального верстата. Затакої установки робиться заточування обох задніх площин /> і /> шліфувальнимкругом, профіль якого визначається кутом e.
Розрахуноккутів установки універсально-заточувальної голівки виконують за формулами:
/> , />.
/> ,
де />;
/>;
/> .
У розглянутому випадку, кут нахилу /> поперечної крайки дорівнюватиме: />, де />.
Для того, щоб одержати незалежну величину кута />, роблять заточуванняпотиличної площини /> за такими кутами установкиуніверсально-заточувальної голівки:
/> ,
де />,
/>,
/> = 0.
Методику визначення кутів установки універсально-заточувальноїголівки під час заточування за схемою, було прийнято таку:
– використовуючи повороти закріпленого вуніверсально-заточувальній голівці свердла навколо осей В і Б,встановлюємо заточувальну площину /> у положення,перпендикулярне до площини столу універсально-заточувального верстата, а вектор/> – у горизонтальнеположення, паралельне до площини столу верстата;
– поворотом навколо осі А на кут qА вектор /> встановлюємо вположення, паралельне до подовжньої подачі столу верстата.
Розрахунок кутів установки універсально-заточувальної голівкивиконують за формулами:
/> ,
/>,
/>
При заточуванні потиличної площини S3центральної ріжучої крайки універсально-заточувальна голівка за тих же кутів /> і /> повертаєтьсяна інший кут />. Взагалі, під час заточуванняплощини S3, змінюютьсядва кути повороту універсально-заточувальної голівки.
3Опис експериментальнихдосліджень процесів формоутворення задніх поверхонь свердел різних конструкцій
Результати спробних заточувань свердел з перехідними ріжучимикрайками і свердел із підрізаючими ріжучими крайками науніверсально-заточувальному верстаті за допомогою універсально-заточувальноїголівки підтвердили справедливість розроблених методик визначення кутівустановки універсально-заточувальної голівки, профілю шліфувальних кругів, відповіднихдо виведених аналітичних залежностей, для нових розроблених способівзаточування спіральних свердел, призначених для свердління композиційнихматеріалів. Новизну способів підтверджено патентами України.
Приведено результати силових випробувань експериментальнихсвердел, які показали, що в результаті створення позитивного допоміжногозаднього кута на допоміжній ріжучій крайці, знижуються як зусилля подачі, так ікрутильний момент.
Введення в конструкцію свердла однієї відособленої направляючоїстрічки спричинює збільшення як зусилля подачі, так і крутильного моменту.
Порівняно зі стандартним свердлом, зусилля подачі свердла з однієювідособленою направляючою стрічкою в середньому знижується на 12%, а крутильниймомент – на 25%. Введення в конструкцію свердла другої направляючої стрічки накожному зубі приводить відповідно до зростання як осьової сили, так ікрутильного моменту.
Однак, у цьому випадку зусилля різання свердлами з двомавідособленими направляючими стрічками і нагострозаточеній допоміжній ріжучійкрайці менше, ніж зусилля різання стандартним свердлом. Введення додатково вконструкцію свердла подвійного заточування приводить до зниження зусилля подачіі зростання крутильного моменту як у стандартних свердел, так і свердел звідособленими направляючими крайками. Випробування показали, що конструкціяробочої частини спірального свердла при обробці композиційних матеріалівсуттєво впливає на шорсткість поверхні.
Експерименти показали, що у свердел з нагострозаточенимидопоміжними ріжучими крайками величина середньоарифметичного відхилення профілюRa різко зростає порівняно з обробкою стандартнимсвердлом.
Введення в конструкцію свердла однієї відособленої направляючоїстрічки при нагострозаточених допоміжних ріжучих крайках приводить до суттєвогозниження шорсткості обробленої поверхні. Однак, у цьому разі шорсткістьобробленої поверхні під час свердління свердлом з однією відособленоюнаправляючою стрічкою і нагострозаточеною допоміжною ріжучою крайкою незначноперевищує шорсткість обробленого отвору під час свердління стандартнимсвердлом.
Введення в конструкцію свердла з нагострозаточуваними допоміжнимиріжучими крайками другої відособленої направляючої стрічки на кожному зубісвердла поліпшує напрямок свердла і приводить до зниження шорсткості обробленоїповерхні. Обробка свердлом із двома направляючими стрічками на кожному зубіприводить до помітного зниження шорсткості обробленої поверхні порівняно зобробкою стандартним свердлом.
Введення в конструкцію свердла перехідних крайок (подвійне заточування)знижує шорсткість обробленої поверхні, як у стандартних свердлів, так і сверделз відособленими направляючими стрічками. При цьому шорсткість обробленоїповерхні нижче під час застосування свердел з відособленими направляючимистрічками порівняно з обробкою стандартним свердлом.
Проведені стійкістні випробування свердел діаметром 26 мм із відособленими направляючими стрічками і нагострозаточеними допоміжними ріжучими крайкамипоказали, що їх стійкість у 2,48 рази вища за стійкість стандартних свердел приоднакових величинах геометричних параметрів ріжучої частини (2j = 100°, a = 20°, y = 55°) ірежимах різання (n = 750 об/хв, S = 0,28мм/об).
Результати визначення зусиль різання, шорсткості обробленоїповерхні та стійкістних випробувань підтвердили висунуту робочу гіпотезу пропідвищення роботоздатності спіральних свердел під час обробки композиційнихматеріалів за рахунок застосування відособлених направляючих стрічок інагострозаточених допоміжних ріжучих крайок.
4 Результати експериментального дослідження зусиль різання ішорсткості обробленої поверхні під час свердління свердлами з підрізаючимиріжучими крайками
Для одержання інформаційної матриці силових випробувань булореалізовано план дослідів, де подача S варіювалася на трьохрівнях, кут при вершині підрізаючих ріжучих крайок b – на чотирьох рівнях, величина D перевищення вершини свердла над периферійною точкою підрізаючихріжучих крайок – на трьох рівнях. Для побудови математичних моделей силовиххарактеристик використовувався модифікований спрощений алгоритм методугрупового обліку аргументів (МГОА). Пошук моделей здійснювався в просторі />, />. Класомфункцій для побудови моделей обраний клас степеневих поліномів. У результатіобробки експериментальних даних отримані моделі у вигляді степеневих поліномів:
/>/>
Результати перевірки за критерієм Фішера підтвердили гіпотезу проадекватність моделей досліджуваному процесу.
Аналіз математичних моделей показав, що збільшення подачі Sприводить до збільшення осьової сили і крутильного моменту, а збільшення кутапри вершині b –до зменшення зусиль свердління Рос іМкр. ВеличинаD удослідженому діапазоні не робить суттєвого впливу на силові характеристикипроцесу свердління .
Експериментально було визначено залежність середньоарифметичноговідхилення профілю Rа при свердлінні свердлами зпідрізаючими ріжучими крайками і отримано математичну модель:
/>
Аналіз математичної моделі показав, що величина шорсткості Rазменшується при зменшенні кута b і подачі S, а також при збільшенні величини D. За результатами досліджень свердел з підрізаючими ріжучимикрайками рекомендовані такі величини його конструктивних параметрів b = 45…60°, D = 1,0…1,5 мм.
ВИСНОВКИ
1.Запропоновано нові способи заточування свердел з перехіднимиріжучими крайками і свердел з підрізаючими ріжучими крайками, які забезпечуютьодночасну обробку задніх поверхонь центральної і периферійної ріжучих крайок.На нові способи заточування отримано позитивні рішення Держкомітету України.
2.Розроблено методику і виведено аналітичні залежності длярозрахунку параметрів установки свердла на 5-ти координатному обладнанні івизначення профілю шліфувальних кругів при одночасному заточуванні двох суміжнихзадніх площин свердла з заданими геометричними параметрами їх ріжучої частини.
3.Встановлено вплив конструктивних параметрів свердел звідособленими направляючими стрічками на зусилля різання. Доведено, щонаявність позитивного заднього кута на допоміжній ріжучій крайці, приводить дозниження як зусилля подачі, так і крутильного моменту. Введення в конструкціюсвердла другої направляючої стрічки приводить до зростання зусиль різання.
4.Визначено, що застосування свердел з нагострозаточеними допоміжнимиріжучими крайками без направляючих стрічок приводить до підвищення шорсткості,а введення в конструкцію направляючих стрічок приводить до суттєвого зниженняшорсткості обробленої поверхні.
5.Встановлено, що зношення свердел з відособленими направляючимистрічками відбувається менш інтенсивно, чим зношення стандартних свердел.Стійкість свердел з відособленими направляючими стрічками і нагострозаточенимидопоміжними ріжучими крайками вища за стійкість стандартних свердел у 2,48рази.
Література
1. Мамлюк О.В. Формоутворення задніх площин свердел із подвійнимзаточуванням. Весник, Машиностроение, – Київ: НТУУ “КПІ”, 2000. Вип. 39.
– с 296-300.
2. Д.т.н. Лупкин Б.В., инж. Мамлюк О.В. Использование ручногомеханизированного инструмента при обработке КМ. Авиационно-космическая техникаи технология. Труды Государственного аэрокосмического университета им. Н.Е.Жуковского “ХАИ”, вып. 18. – Харьков, 2000. – с. 116-119.
3. Д.т.н. Лупкин Б.В., инж. Мамлюк О.В. Особенности обработкикомпозиционных материалов. Труды Государственного аэрокосмического университетаим. Н.Е. Жуковского “ХАИ”, вып. 17. – Харьков, 2000. – с. 157-161.
4. Костюк Г.И., Мамлюк О.В., Шпаковский И.В. Тепловое и напряженноесостояние инструмента с покрытием и упрочненным слоем при плазменно-механическойобработке металлических композиционных материалов. Труды Государственногоаэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”, вып. 17. – Харьков,2000. – с. 180-186.
5. Мамлюк О.В. Геометрия задних поверхностей сверл с прямолинейнымиподрезающими режущими кромками. Научно-технический журнал “Технологическиесистемы”, №1(7), 2001 г.
6. Мамлюк О.В. Сверление композиционных материалов. Вестник,Машиностроение. – Киев: НТУУ “КПИ”, вып. 41, 2001 г., с. 195.
7. Инж. Мамлюк О.В. Влияние геометрических параметров сверла напроцесс сверления стеклопластиков. Труды Государственного аэрокосмическогоуниверситета им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”, вып. 25. – Харьков, 2001. – с. 361-367.