Совершенствование процесса механической обработки резанием отверстий малого диаметра

Современная рыночная экономика диктует новые условия экономического выживания предприятий, заключающиеся в увеличении номенклатуры выпуска изделий высокого качества. Такая тенденция заставляет многие предприятия изменить свои взгляды на организацию производства. Если раньше продукция производилась, как правило, массовыми тиражами, то теперь программа выпуска зависит от спроса на нее. При этом еще необходимо учесть, что при производстве продукции малыми партиями происходит увеличение ее стоимости, поскольку возрастают издержки производства. Аналогичная тенденция наблюдается и при производстве ракетно-артиллерийского вооружения (РАВ). Переход к серийному типу производства требует нового подхода к организации его технологической подготовки, заключающейся в том, что для снижения себестоимости продукции необходимо использовать быстропереналаживаемое высокопроизводительное автоматизированное оборудование, взамен специализированного и универсального, и, соответственно, переход к новой системе его технологического оснащения на базе унификации и типизации технических и технологических проектных решений.

Анализ современного производства показал, что даже в условиях серийного производства стремятся использовать безотходные и малоотходные технологии изготовления деталей РАВ. Их применение позволяет значительно сократить долю традиционной механической обработки резанием. Однако, в ряде случаев использование таких методов практически невозможно, особенно при обработке внутренних поверхностей малого диаметра.

Самым распространенным способом получения внутренних поверхностей малого диаметра является механическая обработка резанием с использованием осевого режущего инструмента, выполняемая на универсальном оборудовании с привлечением высококвалифицированных рабочих и характеризуемая высокой трудоемкостью, низкой производительностью и большим процентом бракованных деталей.

Основной причиной низкой эффективности механической обработки резанием отверстий малого диаметра является низкая надежность работы режущего инструмента. Причем эта проблема усугубляется тем, что при производстве деталей РАВ для обеспечения их эксплуатационных характеристик часто используются материалы с особыми физико-механическими свойствами, обработка резанием которых вызывает повышенные трудности.

Анализ процесса механической обработки резанием отверстий малого диаметра на ряде предприятий отрасли показал, что в основном мелкоразмерный режущий инструмент (МРИ) выходит из строя в результате поломки из-за своей низкой прочности которая зависит от качества инструментального материала и размеров инструмента, а также из-за превышения выше допустимых, нагрузок действующих на инструмент. Это приводит к невозможности использования автоматизированного оборудования и механической подачи и препятствует комплексной автоматизации производства. Поэтому, задача по повышению эффективности механической обработки резанием отверстий малого диаметра за счет повышения надежности работы МРИ является весьма актуальной.

Решению этой задачи уделяется большое внимание. Однако, ее решают, как правило, путем воздействия на какой-нибудь один фактор, влияющий на надежность работы МРИ. Такой подход приводит к появлению многочисленных частных решений, которые пригодны только для конкретных условий эксплуатации инструмента, что затрудняет их практическое применение. Для получения более общего решения данной задачи необходимо систематизировать исследуемую область на базе комплексного подхода и разработать на его основе систему практических рекомендаций для различных условий эксплуатации инструмента.

В соответствии с этим, для повышения эффективности механической обработки резанием отверстий малого диаметра необходимо решить задачу по повышению надежности работы МРИ на базе комплексного подхода с использованием высокоэффективных технологий.

Для решения поставленной задачи необходимо:

1. Выявить и проанализировать факторы, влияющие на стойкость инструмента на базе комплексного подхода.

2. Разработать систему практических рекомендаций по рациональному выбору конструкции и геометрии режущего инструмента для различных условий эксплуатации на базе экспериментальных исследований и производственных испытаний.

3. Исследовать влияние процесса высокотемпературной газовой экструзии на надежность работы МРИ и на базе решения тепловой задачи указанного процесса разработать мероприятия, обеспечивающие получение стабильных физико-механических свойств быстрорежущей стали.

4. Выявить возможные пути совершенствования технологии изготовления режущего инструмента, предназначенного для обработки отверстий малого диаметра, и разработать практические рекомендации по совершенствованию технологического процесса изготовления мелкоразмерного режущего инструмента из быстрорежущей стали.

В соответствии с поставленными задачами в работе рассматриваются следующие вопросы.

Так, в первой главе проанализированы условия эксплуатации МРИ из быстрорежущей стали, выявлены факторы, влияющие на его стойкость, что позволило определить основные пути повышения надежности его работы, а именно:

1. Повышение стойкости МРИ за счет улучшения структуры инструментального материала и улучшения его физико-механических свойств.

2. Повышение стойкости МРИ путем оптимизации его конструкторско-технологических параметров.

3. Повышение стойкости МРИ за счет оптимизации условий его эксплуатации, включающих рациональный выбор режимов резания, использование адаптивной технологической оснастки.

Проведенный анализ работ по первому направлению показал, что наиболее перспективным способом для производства МРИ является процесс высокотемпературной газовой экструзии, который наряду с повышением прочностных характеристик быстрорежущей стали, позволяет улучшить ее структуру (снижение карбидной неоднородности). Однако, до конца не выявлено влияние данного процесса на стойкость инструмента, к тому же он имеет ряд недостатков, которые снижают эффективность его использования при производстве МРИ, а именно, нестабильность физико-механических свойств заготовок по длине.

Анализ работ по второму направлению показал важность учета конструкции и геометрии инструмента. Это выражается в том, что конструкция инструмента влияет не только на его прочность, но и на силы, действующие в процессе обработки, а отсутствие четких рекомендаций не позволяет однозначно произвести их выбор. Геометрия режущих кромок инструмента влияет на процесс стружкообразования и от ее рационального назначения зависит величина крутящего момента, что требует также более четких рекомендаций по ее назначению для различных условий эксплуатации.

Третье направление связано с условиями эксплуатации МРИ из быстрорежущей стали, которые оказывают существенное влияние на надежность его работы. Но, в данном случае наряду с объективными факторами присутствуют и субъективные, которые в значительной степени зависят от культуры производства и прогнозировать их достаточно сложно. Кроме того, ряд вопросов достаточно полно отражен в литературе и поэтому данное направление в работе не рассматривалось.

На основании проведенного анализа были систематизированы факторы, влияющие на стойкость режущего инструмента и разработан комплексный подход к решению задачи по обеспечению его надежной работы, а также сформулирована цель диссертационной работы и задачи решаемые в ней.

Вторая глава посвящена методике проведения экспериментальных исследований и обработке полученных результатов.

В частности, здесь описано оборудование, оснастка, материалы и порядок проведения экспериментов по измерению крутящего момента при обработке отверстий малого диаметра режущим инструментом из быстрорежущей стали методом тензометрии. В конце главы приведена методика статистической обработки результатов экспериментальных исследований и производственных испытаний для малого объема выборок с прогнозированием минимального количества испытаний.

В третьей главе исследовались тепловые процессы при высокотемпературной газовой экструзии (ВТГЭ), поскольку управление нагревом заготовки позволяет более эффективно воздействовать на процесс прессования, и следовательно, на свойства получаемого инструментального материала.

Решение тепловой задачи процесса ВТГЭ проводилось теоретически с последующей экспериментальной проверкой. В основу решения легло уравнение теплопроводности для нестационарного процесса, которое решалось при граничных условиях первого и второго рода методом конечных элементов. Экспериментальная проверка результатов теоретического решения при граничных условиях первого рода показала, что полученное решение задачи качественно не отражает распространения температурного поля по заготовке и отсутствует прямая связь с силой тока в цепи нагревателя, являющегося основным управляющим параметром при нагреве заготовки. Напротив, решение при граничных условиях второго рода, с использованием методики «идеализированного» источника тепла, позволило определить силу тока в цепи нагревателя и разработать методику ее назначения, исходя из заданной температуры нагрева и производительности. На базе полученного решения тепловой задачи проведена комплексная модернизация схемы контроля температуры при высокотемпературной газовой экструзии, заключающаяся в применении термопарного кабеля для измерения температуры в установке, реализующей процесс ВТГЭ и введении аппроксимирующей зависимости, позволяющей по показаниям контрольной термопары определять температуру нагрева в очаге деформации.

В четвертой главе рассмотрен комплекс вопросов связанных с разработкой практических рекомендаций по назначению рациональной конструкции и геометрии МРИ из быстрорежущей стали, а также рекомендации по совершенствованию технологического процесса его изготовления.

Исследование влияния конструкции и геометрии МРИ из быстрорежущей стали проводилось на метчиках и сверлах, поскольку они работают в более тяжелых условиях, чем развертки. Стойкостные испытания показали, что правильный выбор конструкции и геометрии позволяет в несколько раз повысить стойкость инструмента. Измерение величины крутящего момента в процессе механической обработки резанием отверстий малого диаметра показало, что имеется прямая зависимость между ним и стойкостью МРИ. Это позволяет судить о качестве принятых решений не прибегая к дорогим стойкостным производственным испытаниям.

По результатам исследований были разработаны практические рекомендации по выбору рациональной конструкции и геометрии метчиков и сверл малого диаметра из быстрорежущей стали. Однако, на стойкость инструмента оказывает влияние и прочность быстрорежущей стали, которая в значительной степени зависит от наличия карбидных включений. ВТГЭ является одним из наиболее перспективных процессов, позволяющих снизить влияние карбидной неоднородности на свойства стали. Стойкостные испытания метчиков и сверл показали высокую эффективность применения данного процесса при производстве осевого режущего инструмента, предназначенного для обработки отверстий малого диаметра (стойкость увеличилась примерно в 5,5 и 1,9 раза, соответственно), что позволило рекомендовать данный процесс для изготовления МРИ из быстрорежущей стали.

На основании литературных данных была высказана гипотеза о том, что максимальный уровень прочностных свойств быстрорежущей стали наблюдает.

11 ся не при ее максимальной твердости. Экспериментальная проверка путем измерения допустимого крутящего момента на круглых образцах и образцах, имитирующих режущий инструмент, подтвердила высказанное предположение. Но, после использования такой термообработки твердость инструмента составляет НЯСЭ 53.57, что недостаточно для осуществления нормального процесса резания высокопрочных материалов. С целью повышения эксплуатационных свойств инструмента, обработанного на уровень максимальной прочности, было предложено подвергнуть его жидкостной карбонитрации. Последующие производственные испытания показали, что стойкость метчиков, изготовленных по данной схеме увеличилась в среднем на 75%.

На основании проведенных экспериментальных исследований и стойко-стных испытаний были разработаны рекомендации по совершенствованию технологии изготовления режущего инструмента малого диаметра из быстрорежущей стали.

В заключительной части приведены результаты промышленной апробации и основные выводы по работе.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Наиболее эффективным направлением совершенствования механической обработки резанием отверстий малого диаметра, как показали экспериментальные исследования и промышленная апробация, является повышение надежности работы МРИ из быстрорежущей стали за счет выбора рациональной конструкции, геометрии, технологии изготовления и условий эксплуатации на базе комплексного подхода с использованием высокоэффективных технологий.

2. Конструкцию МРИ из быстрорежущей стали необходимо назначать, исходя из условий обеспечения его максимальной прочности при одновременном снижении нагрузок, действующих на инструмент в процессе обработки.

При назначении параметров геометрии МРИ из быстрорежущей стали необходимо стремиться к рациональным значениям, соответствующим заданным условиям эксплуатации.

3. Система практических рекомендаций по выбору конструкции и геометрии метчиков и сверл малого диаметра из быстрорежущей стали, разработанная на базе комплексного подхода представляет собой систему типовых решений и может быть использована при разработке систем автоматизированного проектирования.

4. Стойкостные испытания МРИ из быстрорежущей стали и промышленная апробация показали высокую эффективность процесса ВТГЭ (стойкость метчиков увеличилась примерно в 5,5 раза, а стойкость сверл — в среднем в 1,9 раза), что позволило рекомендовать его для производства МРИ.

5. Экспериментальные исследования и промышленная апробация подтвердили выдвинутую в работе гипотезу об эффективности сочетания термообработки на твердость НЯС 53 — 57 и последующей жидкостной карбонитра-ции (стойкость МРИ увеличилась в среднем на 75%), что позволило рекомендовать такое сочетание, наряду с процессом ВТГЭ для производства МРИ.

6. Экспериментальная проверка решения тепловой задачи процесса ВТГЭ при граничных условиях первого рода с линейным распределением температуры по поверхности заготовки и матрицы показала, что необходимо либо использовать распределение температуры по более сложной зависимости, определяемой на основании значительного количества опытов, либо решать ее при граничных условиях второго рода.

7. Опыт эксплуатации опытной установки ВТГЭ с модернизированной системой контроля температуры показал высокую эффективность использования термопарного кабеля типа КТМХА-0,75, что позволяет рекомендовать его для измерения температуры в промышленных установках.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основной целью данной работы являлось повышение эффективности механической обработки резанием отверстий малого диаметра за счет повышения надежности работы МРИ из быстрорежущей стали на базе комплексного подхода и высокоэффективных технологий.

В ходе выполнения работы на базе комплексного подхода, были выполнены теоретические и экспериментальные исследования по следующим направлениям:

— разработка системы практических рекомендаций по выбору рациональной конструкции и геометрии МРИ из быстрорежущей стали для различных условий эксплуатации;

— разработка рациональных технологических схем изготовления МРИ из быстрорежущих сталей с использованием высокоэффективных технологий, включающих исследование влияния процесса ВТГЭ на надежность работы МРИ и разработку комплекса рекомендаций по его совершенствованию;

— разработка комплекса практических рекомендаций по стабилизации процесса ВТГЭ, включающего исследование тепловых процессов.

Теоретические исследования тепловых процессов протекающих при ВТГЭ проведены на основе решения уравнения теплопроводности для нестационарного процесса МКЭ при граничных условиях первого и второго рода. В экспериментальных исследованиях температурного поля процесса ВТГЭ использовалась общепринятая измерительная и регистрирующая аппаратура.

Для изучения влияния конструкции и геометрии режущего инструмента, а также процесса ВТГЭ на надежность работы МРИ из быстрорежущей стали проводились стойкостные испытания на серийном металлорежущем оборудовании. Измерение крутящего момента, возникающего в процессе обработки, производилось методом тензометрии с использованием усилителя 8АНЧ и шлейфового осциллографа Н115.

Полученные результаты экспериментальных исследований и производственных испытаний обрабатывались методами математической статистики.

Достоверность полученных результатов подтверждена сравнением расчетных и экспериментальных данных.

В ходе выполнения работы достигнуты.

1. Разработана и представлена система рекомендаций по выбору рациональной конструкции и геометрии режущего инструмента из быстрорежущей стали для обработки резанием отверстий малого диаметра, созданная на базе экспериментальных исследований.

2. Предложено изменение структуры технологического процесса изготовления режущего инструмента, заключающееся в термообработке на твердость НЯС 53 — 57 в сочетании с последующей жидкостной карбонитрацией, что позволяет повысить надежность работы МРИ из быстрорежущей стали примерно в 2 раза.

3. Предложено изменение структуры технологического процесса изготовления режущего инструмента, заключающееся в использовании процесса ВТГЭ для производства МРИ, что позволяет повысить его стойкость от 2 до 5,5 раз.

4. Разработана математическая модель и программное обеспечение для решения тепловой задачи процесса ВТГЭ МКЭ, что позволило определить закономерности распределения температуры при нагреве заготовки.

5. Предложена методика назначения управляющих параметров нагрева заготовки в процессе ВТГЭ, исходя из заданной температуры деформации на базе численного решения тепловой задачи.

6. Разработаны и апробированы практические рекомендации по выбору рациональной конструкции и геометрии МРИ из быстрорежущей стали.

7. Разработаны и апробированы технологические схемы производства МРИ из быстрорежущей стали с использованием процесса ВТГЭ и комбинированного упрочнения, включающего термообработку МРИ из быстрорежущей стали на твердость НЯС 53.57 с последующей жидкостной карбонитрацией, что повысило эффективность обработки резанием отверстий малого диаметра.

8. Разработана и апробирована схема контроля температуры при ВТГЭ, позволяющая повысить достоверность измерения температуры нагрева заготовки.

Полученные в ходе выполнения работы ее результаты внедрены:

1. В учебный процесс при чтении и проведении лабораторных работ по курсу «Теория обработки конструкционных материалов» на кафедре «Производство машин и механизмов» Ижевского государственного технического университета. В частности при чтении лекций используется следующий материал:

— измерение температуры резания с использованием термопарного кабеля;

— методы обработки отверстий и инструмент для их обработки;

— методы обработки резьбовых отверстий и инструмент для их обработки.

В лабораторном практикуме используется созданная технологическая оснастка для исследования силовых параметров процесса резания, в частности в ходе выполнения лабораторной работы «Изучения влияния режимов резания на силу резания при токарной обработке» .

2. Результаты по исследованию тепловых процессов ВТГЭ внедрены в 1990;1991 г. г. на предприятии НИИМТ (г. Ижевск). В частности внедрена схема контроля температуры на установке, реализующей процесс. Поскольку данный образец использовался в лабораторных целях, то оценить годовой экономический эффект не представлялось возможным, но был получен организационно-технический эффект, заключающийся повышении достоверности измерения температуры по сравнению с базовым вариантом, и социально-экономический эффект, который заключался в снижение трудоемкости при подготовке к работе установки ВТГЭ. (Приложение 3).