Министерство Образования РоссийскойФедерации
Тольяттинский ГосударственныйУниверситет
Кафедра “Технология машиностроения”
Отчет по научно-исследовательскойработе на тему:
«Совершенствование конструкцииторцевых фрез»
Студент: Колеконова Ю.Н.
Группа: ТМ-402
Научный руководитель: Логинова Л.А.
Преподаватель: Бобровский А.В.
Тольятти, 2006
УДК 530
Аннотация
КолеконоваЮ.Н. Совершенствование конструкции торцевой фрезы. Отчет по научно-исследовательскойработе. Тольятти: ТГУ, 2006 г.
Отчетпо научно-исследовательской работе – 21 стр.
Так какразвитие современного машиностроения предъявляет новые требования ксовременному режущему инструменту, к разработке более экономичных технологийего производства. В данной работе обсуждается проблема совершенствованияконструкции торцевых фрез. Предлагаются новые современные методы решенияклассической задачи совершенствования конструкции торцевых фрез.
Описываются современные методы и алгоритмы, используемые прирешении данной задачи.
Содержание
Введение
1. Изучение описанных в литературе усовершенствований
Описание объекта, выявление недостатков
Цель усовершенствования
Алгоритм проведения научных исследований и устранение недостатков
Описание усовершенствованного объекта
2. Совершенствование торцовой фрезы
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Рост требований к качеству выпускаемой продукции определяетнеобходимость повышения качества отдельных деталей. Это увеличивает долючистовых операций в общей трудоемкости изготовления деталей, что объясняетсятакже уменьшением припусков на обработку за счет использования такихсовременных методов получения заготовок, как литье под давлением, изготовлениедеталей из металлопорошков, прокатка точных профилей и т. д. Поэтому особоевнимание необходимо уделять повышению качества и эффективности чистовой иполучистовой обработки чугунов и закаленных сталей.
В последнее время широкое распространение получили методыокончательной обработки плоских поверхностей чистовыми торцовыми фрезами. Этообъясняется тем, что фрезерование, по сравнению со шлифованием, характеризуетсяболее высокой производительностью и размерной стойкостью инструмента иобеспечивает меньшее количество дефектов поверхностного слоя. Обработке подлежатответственные детали машин, высокоточного оборудования, металлорежущих станкови т. п. Работоспособность таких деталей требует обеспечения необходимойконтактной жесткости и износостойкости соединений, поэтому они должны иметьминимальные отклонения от плоскостности и необходимую шероховатостьповерхности.
При конструировании торцовых фрез часто не учитываются особенностифинишной обработки — резания с малыми толщинами среза, неудовлетворительнорешаются вопросы полного участия режущих элементов в резании и возобновлениярежущей способности фрез. Это приводит к повышенной динамике процессафрезерования и не позволяет полностью реализовать уникальные режущие свойства.
Проектирование торцовых фрез являетсямноговариантной задачей, при этом отсутствуют четкие критерии их рациональнойконструкции. В настоящей научной работе рассматриваются некоторые направления совершенствованияконструкций фрез.
1 Описание торцевой фрезы
/>
Торцоваяфреза кроме главной режущей кромки 7 у зуба фрезы имеет вспомогательную режущуюкромку 8 и переходную 9 шириной f0. главный угол φ в планеторцовой фрезы измеряют между проекцией главной режущей кромки зуба на осевуюплоскость и направлением подачи. Вспомогательный угол φ1 вплане составляет 5—10°. Чем он меньше, тем меньше шероховатость обрабатываемойповерхности. Переходная режущая кромка повышает прочность режущей части зуба.Главный передний и главный задний углы измеряют в плоскости, перпендикулярнойпроекции главной режущей кромки зуба на осевую плоскость.
Врезультате обратного мозгового штурма выявляем следующие основные недостаткиторцовых фрез:
1. Вовремя работы фрезы на передней поверхности зуба в середине контактных площадокобразуются продольные трещины, перпендикулярные к режущей кромки. По мереработы фрезы эти трещины увеличиваются, распространяясь на заднюю поверхностьзуба. Высокие температуры на контактных площадках. Высокая амплитуда колебанийза время рабочего и холостого ходов. Низкая эффективность. Высокаясебестоимость.
2. Периодическоеизменение сил резания при фрезеровании представляет собой источник внешнихвоздействий на технологическую систему и приводит к нежелательным вынужденнымколебаниям последней. Наряду с этим вследствие регенерации вибрационных волн наповерхностях резания, последовательно образуемых зубьями фрезы в процессеудаления припуска, возникают автоколебания.
3. Сложностьэксплуатации при высоких скоростях резания. Низкая точность обработки. Большаяшероховатость обрабатываемой поверхности. Большие силы резания.
Вдальнейшем применим различные методы технического творчества для устранениявыявленных недостатков, проведём исследования и сделаем выводы об эффективностиусовершенствованной фрезы.
2 Цель усовершенствования
Цельюусовершенствования торцевой фрезы является повышение производительности,снижение себестоимости, увеличение стойкости инструмента, снижение уровнявибраций, увеличение качества и технологичности.
3С целью устранения указанных вышенедостатков применим алгоритм проведения научных исследований:
Устранениепервого недостатка.
1. Описание ситуацииприводящий к производственным исследованиям.
Фрезерованиеявляется одним из основных видов металлообработки. В настоящее время фрезы необладают достаточной стойкостью, что приводит к удорожанию обработки. Данныенаучные исследования проводятся для увеличения стойкости фрез.
Административноепротиворечие: стойкость фрез не соответствует требованию производства.
2. Анализ ситуации.
Вначале изнашивания фрез на передней поверхности зуба в середине контактныхплощадок образуются продольные трещины, перпендикулярные к режущей кромки. Помере работы фрезы эти трещины увеличиваются, распространяясь на заднююповерхность зуба.
Техническоепротиворечие: увеличение качества материала фрезы приводит к увеличениюстоимости инструмента.
3. Разработкаобобщенного технического решения. Формулировка технического противоречия.
Дляувеличения стойкости фрез необходимо улучшать материал зубьев фрезы.
Физическоепротиворечие: материал зуба должен быть качественным и некачественным.
Идея:покрывать зубья износостойким покрытием; при этом зубья фрезы будут изготовленыиз дешевых материалов, и будут обладать высокими износостойкими свойствами.
4. Поискинформации.
Наосновании изучения различных журналов: «Станки и инструменты»,«Металлообработка», «Вестник машиностроения», «Машиностроитель» приходим квыводу, что покрытие должно выполнять следующие требования:
а)покрытие должно обеспечивать снижение температуры на контактных площадках итемпературы режущего клина, а главное, — уменьшать амплитуду колебания этихтемператур за время рабочего и холостого ходов.
б) длясдерживания процессов образования трещин в покрытиях их адгезионно –прочностные свойства и остаточные напряжения в покрытии должны обеспечиватьобразование значительных сжимающих напряжений во время рабочего и холостогоходов.
Покрытиямогут быть следующие: для однослойных — TiN, (Ti,Zr)N, (Ti,Zr)CN, Ti CN и т.д.; для двухслойных – TiN — Ti CN, Ti CN – TiN, (Ti,Zr)CN – (Ti,Zr)N и т.д.; для многослойных покрытий – TiN — Ti CN – TiN и т.д.
5. Выборконкретного технологического решения.
Вкачестве испытуемых покрытий выберем следующие: TiN, (Ti,Zr)N, (Ti,Zr)CN, Ti CN. Покрытие изготовим многослойным.
6. Формированиенаучных целей и задач.
В ходеэксперимента проведем исследования влияния каждого покрытия на стойкостьинструмента.
7. Формированиеисходной гипотезы.
Наосновании работы резцов оснащенных покрытием. А также личного опыта и научнойинтуиции предположим, что период стойкости фрез оснащенных многослойнымпокрытием увеличивается в 1,7 раза.
8. Анализрезультатов проведенных исследований.
Результатыисследований работоспособности фрез, оснащенных пластинами с многослойнымипокрытиями, показывают, что при обработке стали период стойкости фрез спокрытием TiN — Ti CN – TiNувеличивается в 1,5 – 1,9 раза.
9. Объяснениерезультатов.
М →Ф = Г
Обнаруженмеханизм, который объясняет полученные факты, а эти факты соответствуютвыдвинутой ранее гипотезе. Этот вариант свидетельствует о высокой квалификацииисследований и высоких полученных результатов.
10. Формированиевыводов.
Фрезыоснащенные многослойным покрытием обладают повышенной стойкостью, а значитуменьшают себестоимость механической обработки.
Устранениевторого недостатка.
1. Описание ситуацииприводящий к производственным исследованиям.
Впроцессе обработки из-за периодических больших сил резания и неравномерностиснятия припуска возникают вынужденные колебания, ухудшающие качество обработки.Данные научные исследования проводятся для уменьшения вибрации фрез.
Административноепротиворечие: возникают вибрации фрезы; их необходимо устранить.
2. Анализ ситуации.
Периодическоеизменение сил резания при фрезеровании представляет собой источник внешнихвоздействий на технологическую систему и приводит к нежелательным вынужденнымколебаниям последней.
Техническоепротиворечие: уменьшение частоты вращения приведёт к снижениюпроизводительности.
3. Разработкаобобщенного технического решения. Формулировка технического противоречия.
Дляуменьшения вибрации фрезы её зубья должны обладать большим и малым сечением,чтобы автоколебания не возникали при различных частотах работы.
Физическоепротиворечие: сечение зубьев должно быть большим и малым.
Идея:изготовить зубья фрезы переменного сечения для гашения автоколебаний.
6. Поискинформации.
Наосновании изучения различных журналов: «Станки и инструменты»,«Металлообработка», «Вестник машиностроения», «Машиностроитель» приходим квыводу, что при работе торцовой фрезы доминирующий вклад в образованиевибрационных волн на поверхности резания вносит жесткость державок зубьев.Следовательно, применяя фрезы, зубья которых имеют равномерный шаг, норазличную жесткость в направлении, перпендикулярном к их опорным поверхностям,можно снизить вибрации. У такой фрезы первый зуб имеет жесткость j1, второй — j2, третий — j3 ит.д.
7. Выборконкретного технологического решения.
Подпилимдержавки зубьев на разную глубину, тем самым получим зубья с различнойжёсткостью.
6. Формированиенаучных целей и задач.
В ходеэксперимента проведем исследования влияния изменения жёсткости зубьев навозникновение колебаний при обработке.
7. Формированиеисходной гипотезы.
Наосновании теории влияния жёсткости зубьев на возникновение автоколебаний предположим,что при различной жёсткости зубьев автоколебания не возникнут.
8. Анализрезультатов проведенных исследований.
Результатыисследований опытных фрез с зубьями переменной жёсткости показали, что вибрациисистемы деталь – фреза значительно снизились
9. Объяснениерезультатов.
М →Ф = Г
Обнаруженмеханизм, который объясняет полученные факты, а эти факты соответствуютвыдвинутой ранее гипотезе. Этот вариант свидетельствует о высокой квалификацииисследований и высоких полученных результатов.
10. Формированиевыводов.
/>
Фрезы сзубьями переменной жёсткости вызывают на поверхности резания вибрационные волныразличной длины. Поэтому техническая система не может настроиться наопределённую частоту, колебания не усиливаются и остаются на низком уровне.
Устранениетретьего недостатка.
1. Описание ситуацииприводящий к производственным исследованиям.
Фрезерованиена данном этапе развития техники и технологии обладает низкойпроизводительностью, обусловленной требованиями к качеству обработаннойповерхности. Данные научные исследования проводятся для увеличенияпроизводительности процесса фрезерования.
Административноепротиворечие: низкая производительность фрез; производительность необходимо увеличить.
2. Анализ ситуации.
Обработкапри фрезеровании ведётся режущими кромками зубьев, вращающимися вокруг осивращения фрезы. При увеличении продольной подачи обработанная поверхностьполучится худшего качества.
Техническоепротиворечие: увеличение подачи ведёт к снижению точности обработки.
3. Разработкаобобщенного технического решения. Формулировка технического противоречия.
Для увеличенияпроизводительности режущие кромки зубьев за единицу времени должны проходитьбольшее расстояние по поверхности заготовки.
Физическоепротиворечие: перемещение фрезы для увеличения производительности должно бытьбыстрым; для выполнения условий точности перемещение фрезы должно бытьмедленным.
Идея:увеличить частоту вращения фрезы вместе с продольной подачей.
4. Поискинформации.
Наосновании изучения различных журналов: «Станки и инструменты»,«Металлообработка», «Вестник машиностроения», «Машиностроитель» приходим квыводу, что при увеличении υ даже при пониженных значениях подачи на зубповышается производительность фрезерования (так как возрастает минутная подача)и обеспечивается уменьшение шероховатости обработанной поверхности, силырезания и повышение точности обработки. При этом снижается уровень крутильныхколебаний, существенно меньше становится влияние механического удара на процессизнашивания режущих пластин, резко сокращается число сколов и выкрашиваний,износ стабилизируется, стойкость фрезы возрастает. Кроме того, существенноуменьшается тепловое циклическое воздействие на режущие кромки, так как за периодхолостого пробега спад температуры приконтактного слоя режущего клинанезначителен, что также способствует уменьшению интенсивности и стабилизациипроцесса изнашивания режущих кромок.
5. Выборконкретного технологического решения.
Увеличимчастоту вращения фрезы в 10-20 раз, подачу на зуб оставим прежней.
6. Формированиенаучных целей и задач.
В ходеэксперимента проведем исследования влияния частоты вращения фрезы напроизводительность фрезерования и качество поверхности заготовки.
7. Формированиеисходной гипотезы.
Наосновании выработанной теории предположим, что при увеличении скорости резанияв 15 раз производительность увеличится соответственно, при этом качествоповерхности заготовки не изменится.
8. Анализрезультатов проведенных исследований.
Результатывысокоскоростного фрезерования показали, что ранее выдвинутая гипотезаподтвердилась, т. е. увеличение производительности фрезерования не ухудшаеткачество обработки.
9. Объяснениерезультатов.
М →Ф = Г
Обнаруженмеханизм, который объясняет полученные факты, а эти факты соответствуютвыдвинутой ранее гипотезе. Этот вариант свидетельствует о высокой квалификацииисследований и высоких полученных результатов.
10. Формированиевыводов.
/>
Дляустойчивой и надёжной работы на высоких частотах фрезы должны изготавливатьсякассетными, как показано на рисунке. При высокоскоростном фрезеровании подачана зуб и на оборот фрезы не изменилась, поэтому резкое увеличениепроизводительности не сказалось на качестве обработки. Предложенная конструкцияфрезы позволяет использовать один и тот же корпус для фрез разного назначения,применяемых на специальных скоростных станках, автоматических линиях, станках сЧПУ, многоцелевых станках, входящих в состав ГПС. Использование таких фрезпозволяет унифицировать режимы резания чугунов и термически необработанныхсталей, что важно на обработки на станках с ЧПУ.4 Описаниеусовершенствованного объекта Для устраненияодновременно нескольких недостатков необходимо совершенствование конструкцииторцовой фрезы./>Фрезаотличается тем, что имеет конструкцию кассетной регулируемой торцевой фрезыоснащенной пластинами круглой и квадратной формы с многослойным покрытием TiN — Ti CN – TiN и обработка ведётся наскоростях в 10-20 раз больших, чем применялись ранее для увеличения стойкостиинструмента и производительности; для устранения вынужденных автоколебанийсистемы, зубья фрезы имеют равномерный шаг, но различную жесткость внаправлении, перпендикулярном к их опорным поверхностям (см. рисунок).Предложенная конструкцияторцевой фрезы позволяет существенно повысить производительность фрезерования,обеспечивается уменьшение шероховатости обработанной поверхности, силы резанияи повышение точности обработки. При этом снижается уровень крутильных колебаний,существенно меньше становится влияние механического удара на процессизнашивания режущих пластин, резко сокращается число сколов и выкрашиваний,износ стабилизируется, стойкость и надежность фрезы возрастает. Кроме того,существенно уменьшается тепловое циклическое воздействие на режущие кромки, таккак за период холостого пробега спад температуры приконтактного слоя режущегоклина незначителен, что также способствует уменьшению интенсивности истабилизации процесса изнашивания режущих кромок. Все этопозволяет использовать такие фрезы в автоматизированном производстве изначительно уменьшает себестоимость механической обработки.
1. Совершенствованиеторцовой фрезы
Благодаряизучению большого объёма литературы по фрезам, в частности по торцовой фрезе,нам стали ясны главные недостатки процесса фрезерования, мы ознакомились снаправлениями совершенствования этого процесса. В этой части исследовательскойработы попытаемся применить полученные знания для модернизации фрезы,устранения её главных недостатков.
Алгоритмвыявления противоречий
1. Выявлениеадминистративного противоречия.
Описаниетехнической системы дано ранее.
Главнымнедостатком ТС является низкая стойкость зубьев фрезы.
Проблема:необходимо увеличить стойкость зубьев.
Административноепротиворечие: низкая стойкость зубьев фрезы; стойкость необходимо увеличить.
2. Выявлениетехнического противоречия.
Конфликтующей парой в даннойТС являются: изделие – обрабатываемый материал, и инструмент – зуб фрезы,который осуществляет обработку.
Полезноесвойство ТС: система обеспечивает большой съём материала – высокаяпроизводительность. При решении ТЗ напрямую (например уменьшить глубину резания),ПС ТС теряется.
Техническоепротиворечие: изделие должно обладать полезным свойством: значительной глубинойснимаемого слоя; при этом зубья фрезы активно изнашиваются.
3. Выявлениефизического противоречия.
Вкачестве изменяемого объекта выберем зуб фрезы, так как его изменить легче, чемобрабатываемый материал.
ИКР:зуб фрезы в процессе работы должен снимать большой слой материала, при этомизнашивающее воздействие на него должно быть незначительным.
Дефектнымэлементом изменяемого объекта – зуба является режущая кромка, которая несоответствует требованиям ИКР и изнашивается.
Дляуменьшения износа зуба удельная нагрузка на режущую кромку должна бытьнебольшой, т.е. длина кромки должна быть увеличена.
Дляобеспечения большой глубины резания при сравнительно малых силах сопротивлениярежущая кромка должна быть малой длины.
Физическоепротиворечие: режущая кромка должна быть короткой и длинной.
Длярешения данной технической задачи применим метод технического творчества –разделение противоречий в пространстве. Изготовим фрезу, оснащённую зубьями,как показано на рисунке. Как видно из рисунка, параметры срезаемого слоя неизменились, т.е. силы резания остались на прежнем уровне. При этом длинарежущей кромки, с которой контактирует материал, значительно увеличена. Поэтомуна единицу рабочей поверхности зуба приходится меньшая нагрузка и износ её значительноуменьшается.
/>
Приявном недостатке – увеличении затрат на материал зубьев, скажущемся наувеличении себестоимости изделия, предполагается достигнуть следующегоположительного эффекта:
- Увеличениестойкости инструмента за счёт снижения удельной нагрузки на режущую кромкузуба.
- Снижение уровнявибраций фрезы за счёт того, что на момент выхода из контакта с обрабатываемойповерхностью одного зуба, в контакт уже входит следующий зуб; при этом зубьяначинают резать не сразу на всю глубину, а постепенно увеличивая глубину помере вхождения зуба в обрабатываемый материал.
- Снижениетемпературы в зоне резания, снижение негативного термического воздействия наинструмент за счёт увеличения зоны контакта зуба и детали.
- Облегчённоеудаление стружки из зоны резания за счёт того, что режущие пластины новой фрезыработают, как центробежный насос, создавая сильный разбрасывающий поток воздухапо периферии фрезы.
- Увеличениенадёжности крепления режущих пластин в корпусе фрезы за счёт увеличенияразмеров крепёжной поверхности; при резании силы сопротивления не стремятсявывернуть зуб из фрезы, как ранее, а наоборот, прижимают пластины к корпусу,повышая тем самым надёжность крепления.
Всёвышеперечисленное в случае опытного подтверждения позволяет существенноусовершенствовать процесс фрезерования, увеличить скорости обработки, увеличитстойкость инструмента тем самым снижая себестоимость всего процесса.
Заключение
Врезультате проделанной работы мы познакомились на практике с основными методаминаучных исследований, применили их к объекту техники – торцовой фрезе и врезультате получили несколько технических решений, устраняющих определённыенедостатки исходного объекта.
Наосновании полученных знаний и навыков стало возможным применять методы научныхисследований во всех сферах техники и технологии, совершенствовать объекты ипроцессы проектирования и производства.
Список используемой литературы1. Автоматизация производстварежущего инструмента./И.А. Ординарцев, Г.В. Рименко.: Учебник для вузов. – Л.:Машиностроение, 1972 г.2. Механическая обработкаматериалов./А.М. Дальский, В.С. Гаврилюк, Л.Н. Бухаркин и др.: Учебник длявузов. – М.: Машиностроение, 1981 г.3. Журнал «Станки и инструменты».4. Журнал «Металлообработка».5. Журнал «Вестникмашиностроения».6. Журнал «Машиностроитель».