Підвищення ефективності використання твердосплавних різців на основі об’ємного моделювання їх термоміцності - Автореферат

Принципово новий підхід для рішення цієї задачі став можливий з появою могутніх компютерів, що дозволяють створити програмне забезпечення враховуючи велику кількість факторів, які впливають на роботу ріжучого інструменту і створити модель найбільш відповідну його реальній роботі. Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні задачі: 1.Створити обємну модель і розрахувати міцність ріжучої частини інструмента при спільній дії температурних і силових навантажень. 2.На основі методу скінчених елементів (МСЕ) створити обємну динамічну нелінійну модель розподілу температури в зоні різання, що визначає теплові навантаження ріжучого інструменту при його врізанні, стаціонарній роботі й охолодженні після закінчення процесу різання. 5.Запропонувати методи підвищення ефективності роботи ріжучого інструменту за рахунок значного зниження вірогідності його руйнування і підвищення стійкості різців. Розроблено динамічну обємну нелінійну модель розподілу температури в зоні різання на основі МСЕ, що дозволяє досліджувати зміни температурних полів, при врізанні інструменту, при стаціонарному різанню і при охолодженні ріжучої частини інструмента після закінчення процесу обробки.У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету на основі задачі дослідження, показано наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, особистий внесок автора, а також апробації матеріалів роботи на конференціях і в публікаціях. На першому етапі розвязання задачі термопружності було створено модель для визначення температурного поля в зоні різання, на другому - для визначення термоміцного термопружного стану ріжучої частини інструменту. В процесі теплообміну при різанні металів враховують три тіла - інструмент, деталь, стружка, які знаходяться в безупинному русі відносно один одного. Якщо геометрія будь-якої ділянки зони різання змінюється в часі, наприклад, змінна товщина зрізу при обточені нециліндричних тіл, зношенні поверхні інструменту, можлива деформація сітки стисненням або розтягом вздовж вузлових ліній. Обємна зона різання січеться площинами, паралельними векторами швидкості різання, швидкості стружки та лініям деформуванням обробляючого матеріалу.2.Вперше створена динамічна 3-х мірна модель для визначення термопружних напруг, які виникають в ріжучій частині інструмента при спільній дії на неї теплових та силових навантажень. Модель основана на МСЕ, що дозволяє вести розрахунки для будь-яких геометричних параметрів ріжучої частини інструмента в широкому діапазоні зміни умов його застосування від врізання до охолодження. Створена на базі МСЕ модель, враховує нелінійність теплофізичних параметрів як при нагріванні інструмента в процесі різання, так і при охолодженні після закінчення процесу різання. Модель враховує нерівномірність розподілу теплових джерел на передній та задній гранях інструмента, а також різноманітну тепловіддачу в навколишнє середовище в залежності від виду охолодження в кожній частині ріжучої пластини. Лише спільне врахування теплових та силових навантажень на ріжучу частину інструменту дає справжню картину термопружного стану ріжучої частини інструменту підтверджену експериментально.

2. Основний зміст роботи

1. В работі на основі обємного моделювання термоміцності твердосплавних різців вирішена проблема підвищення ефективності цього виду інструменту.

2.Вперше створена динамічна 3-х мірна модель для визначення термопружних напруг, які виникають в ріжучій частині інструмента при спільній дії на неї теплових та силових навантажень. Модель основана на МСЕ, що дозволяє вести розрахунки для будь-яких геометричних параметрів ріжучої частини інструмента в широкому діапазоні зміни умов його застосування від врізання до охолодження.

3. Вперше розроблена обємна модель розрахунку нестаціонарних температурних полів, які виникають як при стаціонарному, так і при перервному різанні. Створена на базі МСЕ модель, враховує нелінійність теплофізичних параметрів як при нагріванні інструмента в процесі різання, так і при охолодженні після закінчення процесу різання. Модель враховує нерівномірність розподілу теплових джерел на передній та задній гранях інструмента, а також різноманітну тепловіддачу в навколишнє середовище в залежності від виду охолодження в кожній частині ріжучої пластини. Експериментальні данні підтвердили високу достовірність розрахункових даних, які враховують майже всі основні параметри процесу різання.

4. Розроблена обємна модель для розрахунку контактних навантажень діючих на передній та задній гранях ріжучої частини інструменту.

5. Розрахунки, які враховують лише силові навантаження, призводять до зони максимальних напружень на задній грані, але нижче ріжучої кромки. В той час як врахування лише теплових навантажень призводить до появи зони максимальних напружень на ріжучій кромці з однаковим поширенням на передній та задній гранях. Лише спільне врахування теплових та силових навантажень на ріжучу частину інструменту дає справжню картину термопружного стану ріжучої частини інструменту підтверджену експериментально.

6. Дослідження різних видів покриттів ріжучої частини інструменту показали, що їх ефективність в більшості випадків визначається міцністю інструменту. Показано, що види покриттів з понижуючими термопружними напругами збільшують стійкість інструменту.

7. Отриманий на основі моделювання звязок термопружного стану ріжучої частини інструменту та його зношення в процесі різання значно інтенсифікує виникнення тріщин на задній грані, і лунки на передній грані.

8. Рекомендовано виконувати врізання ріжучого інструменту з поступовим нарощенням швидкості до її заданої величини, що призводить до зменшення термопружних напруг на 20-30% та скороченню зношення інструменту до 6 разів.

9. Розроблена модель дозволяє віртуальну реалізацію процесу точіння твердосплавним інструментом, що дає можливість визначати як режими різання, так і інші параметри процесу та інструменту, які дають його максимальну ефективність. Використання методів разрахунку термоміцності резців у виробничому процесі на Державному підприємстві завод “Арсенал” і ДАХК “Київський радіозавод” дозволили значно підвищити надійність і стійкість твердосплавних резців. Впровадження цієї технології дозволяє зменшити кількість зупинок та переналадок верстатів-автоматів, повязаних з поломками твердосплавних різців та продовжити їх термін роботи у 5 разів, а також збільшити кількість обробленних виробів.

1. Ostafiev V.A., Noshchenko A. N.Numerical Analis of Three-Dimentional Heat Excnange in Obligne Cutting. Annals of the CIRP Vol 34/1.1985. p.137-140

Здобувачем запропанована модель, розроблені алгоритми, програми та виконані розрахунки.

2. Нощенко А. Н. Численный анализ трехмерных нестационарных нелинейных температурных полей в зоне резания. “Физика и химия обработки материалов” №1.1986. с.44-47. Здобувачем розроблена модель та програми для ії реалізації.

3. Нощенко А. Н., Усачев П.А. Расчет температурных полей зоны резания. “Станки и инструмент” №2. 1986. с. 23-24.

Здобувачем розроблена модель, виконані алгоритми, програми та розрахунки.

4. Ostafiev V.A., Noshchenko A. N. Thermostrength of Carbide Tools. Annals of the CIRP. Vol.38/1. 1989. р.65-68/Здобувачем запропанована модель термоміцності, розроблені програми та виконані розрахунки термоміцності резців.

5. Нощенко О.М., Остафєв В.А., Термопружні напруження при приревчастій роботі твердосплавного різального інструмента. Вісник Технологічного Університету Поділля №4. 2002/4 1. с. 188-192.

Здобувачем розроблена модель, програми та виконано розрахунки.

6. Нощенко М.О., Остафєв В.А., Вплив термопружних напружень на знос різального інстументу. Вісник Технологічного Університету Поділля №5. 2002/4 1. с. 138-143.

Здобувачем запропанована модель, розроблені програми та виконано розрахунки.

7. Остаф”ев В.А., Нощенко М. О. Обємне моделювання термопружної міцності твердосплавного ріжучого інструмента при обробці деталей приладів. Наукові вісті НТ УУ “КПІ”. 2002. №4. с.7-14

Здобувачем розроблена модель та розроблені програми.

8. Остафьев В.А. Нощенко Н. А., Термопрочность режущего инструмента “Вестник машиностроения”№ 10, 1990, с. 61-64, Здобувачем запропанована модель, розроблені алгоритми та програми.

9.Остафьев В.А., Усачев П.А., Нощенко А. Н. Расчет прочности режущей части инструмента. Киев. Об-во “Знание”УССР. 1981. 24 с.

Здобувачем розроблена модель міцності та виконано розрахунки.

10.Усачев П.А., Нощенко А. Н. Основы повышения работоспособности режущего инструмента. Киев. Об-во “Знание”УССР. 1983. 17 с.

Здобувачем запропанована модель та розроблені програми.

11. Нощенко А. Н.,Усачев П.А. Численный расчет термопрочности режущего инструмента. Тезисы Всесоюз. конференции “Теплофизика технологических процессов”.Киев. 1984. с151 Здобувачем розроблена модель та виконано розрахунки.

12. Нощенко А. Н., Александров А.Н.Усачев П.А. Определение прочности и износостойкости СТМ. Тезисы Всесоюзн. Конференции “Новые сверхтвердые материалы и прогрессивные технологии и их применение”. Киев. ИСМ. АН УССР. 1985. с. 187.

Здобувачем розроблені програми та виконано розрахунки.

13. Остафьев В.А., Нощенко А. Н., Фам Кьен Тхьем, Буряк В.Г. Численный анализ трехмерного нестационарного нелинейного теплообмена в зоне резания. Рукопись депонирована в УКРНИИНТИ. №303-Ук. РЛК.5. 1086. с.8 Здобувачем розроблені моделі,програми та виконано розрахунки.

14. Лучка А. Г., Нощенко О.Э., Нощенко А. Н., Сергиенко И.В., Тукалевская Н.И. Вариационно-итерационные алгоритмы в вычислительном эксперименте по исследованию трехмерного термоупругого напряженно-деформированного состояния режущего инструмента. Тезисы Всесоюзного семинара “Вопросы оптимизации вычислений”. Ин-т кибернетики им.В.М.Глушкова АН УССР. 1987. с. 127-128.

Здобувачем розроблені алгоритми та програми.

15. Нощенко А. Н., Мирзиев А.А. Численное исследование трехмерного нестационарного теплообмена при резании и термопрочности режущей части инструмента. Труды Всесоюзной конференции “Технологическая теплофизика”.Тольятти. 1988. с.20-21.

Здобувачем розроблені моделі,програми та виконано розрахунки.

16. Новицкий А.А., Нощенко А. Н., Махмудов К. Г. Исследование обрабатываемости прецезионного сплава высокого демпфирования 15 ХЮ-ИД. Труды Всесоюзной конференции “Типовые механизмы и технологическая оснастка станков автоматов, станков с ЧПУ и ГПС”. Чернигов. 1991. с.66.

Здобувачем проведено аналіз міцності різальної частини різців.