Повышение надежности режущего инструмента

Повышение эффективности механической обработки за счет повышения надежности режущего инструмента.
Руководители направления: профессор, д.т.н. Древаль А.Е.; доцент, к.т.н. Литвиненко А.В.

Актуальность проблемы.

Технико-экономические результаты работы машиностроительных предприятий в значительной мере зависят от эффективности работы технологического оборудования, надежности всех элементов технологической системы, одним из которых является режущий инструмент. Опыт эксплуатации технологических систем показывает, что режущий инструмент является наименее надежным элементом. Рассеивание стойкости инструмента, непредвиденные отказы приводят к снижению производительности труда, возникновению брака основного производства, повышенному расходу инструмента, являются дестабилизирующим фактором механообрабатывающего процесса.

  Осевые быстрорежущие инструменты - сверла, зенкеры, развертки, метчики предназначены для изготовления отверстий, являются наиболее распространенными в общей массе инструментов и занимают особое место в технологическом процессе изготовления деталей машин. 60% которых имеет отверстия различных видов. Обработка этими инструментами во многих случаях наиболее экономичный способ изготовления отверстий, а резьбонарезание метчиками - практически единственный способ изготовления цилиндрических резьбовых отверстий малых диаметров.

  Отечественная научная школа внесла существенный вклад в разработку научных основ рациональной эксплуатации режущих инструментов, разработку стойкостных моделей, нормирование режимов резания и расхода режущего инструмента. Комиссия по резанию металлов, объединив ведущих ученых Е. П. Надеинскую, А.И. Каширина, В.А. Кривоухова, И. М. Беспрозванного, С. Д. Тишина, Г. И. Грановского, М. Н. Ларина, А. И. Розенберга, Е. К. Зверева, С. С. Рудника, А. Н. Даниеляна, И. Н. Резникова, И. М. Клушина и других заложила основы науки о работоспособности инструмента.

  Продолжительное время работоспособность инструментов рассматривалась только с детерминированных позиций. Это затрудняет прогнозирование отказов инструмента и организацию системы его рациональной эксплуатации.

  Подход к оценке работоспособности инструментов в последние годы начал изменяться, появились работы в области его надежности, в ряд нормативов режимов резания внесены поправки с учетом вероятностной природы стойкости. Однако теоретические основы, методология, информационная база статистических данных по надежности осевых инструментов находилось на стадии начального формирования.

  В связи с необходимостью сокращения простоев технологического оборудования, расхода режущего инструмента, брака основного производства, повышения оперативности при освоении новых образцов техники и, как следствие, улучшения экономических показателей машиностроительного производства особое значение приобретает обеспечение надежности режущего инструмента. Для этого необходимо существенно изменить традиционные подходы к оценке его работоспособности и развить новые на базе разработки физической теории резания металлов и разрушения инструментов с учетом случайной природы протекания этих процессов. Это относится к физическим основам наступления предельного состояния инструмента, взаимосвязям скорости изнашивания рабочих элементов инструментов с параметрами режима резания, к оценке и обоснованию законов распределения наработки (стойкости) и величин износа.

  Таким образом, с учетом массовости применения, особенностей эксплуатации, разработка теоретических основ надежности осевых инструментов, обоснование и разработка комплексных эксплуатационных, технологических и конструкторских мероприятий по повышению их надежности является крупной научной проблемой, имеющей большое народохозяйственное значение.

  Цель заключалась в разработке теоретических основ и методологии оценки и обеспечения надежности быстрорежущих осевых инструментов как средства повышения эффективности обработки деталей.

  В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

Обосновать, что основой физических закономерностей резания металлов и изнашивания инструментов являются положения теории разрушения и деформации металлов, которые базируются на термофлуктуационной модели разрушения межатомных связей.
Разработать математические модели отказов осевых быстрорежущих инструментов с учетом случайного характера протекания процессов изнашивания. Установить основные взаимосвязи параметров моделей с режимами резания технологическими требованиями на обработку и конструктивными особенностями инструментов.
Обосновать физические модели предельных состояний осевых инструментов. Разработать критериальные зависимости отказов.
Создать базу исходных математических зависимостей и данных для нормирования режимов резания, расхода и восстановления режущего инструмента с требуемой надежностью.
Разработать способы повышения надежности осевых инструментов на базе имеющихся технических средств и известных технологических приемов включающие методы поверхностных покрытий и химико-термических обработок (ХТО), конструкторские методы, основанные на оптимизации геометрических параметров и нормировании

Научная новизна заключается в следующем:

  Обосновано, что основные закономерности процесса резания изнашивания инструментов имеют термофлуктуационную природу. Особенностью процесса является то, что время разрушения атомных связей обрабатываемого материала, определяемое скоростью резания устанавливает баланс между разрушающими напряжениями и температурой в зоне резания и определяет кинетику всех процессов, протекающих при обработке. Указанный подход позволяет на качественном уровне установить характер основных функциональных зависимостей процесса резания и служит теоретической основой оценок влияния параметров процесса резания, физико-механических свойств обрабатываемого и инструментального материалов на зависимость износа от времени, скорости изнашивания и стойкости от скорости резания и др. и позволяет оценивать достоверность зависимостей, полученных эмпирическим путем.

  Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена переменность критерия оптимального износа при функциональных и параметрических отказах осевых инструментов в зависимости от параметров режима резания. Разработаны математические модели для расчета критерия оптимального износа сверл, разверток и метчиков с заданной вероятностью

  Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется большим объемом экспериментов, проведенных в лабораторных и производственных условиях, тщательностью организации экспериментов, а также использованием современных средств исследований, анализа и обработки экспериментальных данных; корректным применением математических методов; высокой сходимостью результатов расчетно-теоретических и экспериментальных данных; использование ряда разработок в производственных условиях.

Практическая ценность научного направления:

Создана база исходных данных, разработаны алгоритмы и пакет прикладных программ для нормирования режимов резания, расхода и восстановления быстрорежущих, осевых инструментов с принятой вероятностью, что является составной частью технологической подготовки производства и выбора экономически целесообразных условий эксплуатации инструмента.
Разработаны методы оценки надежности по физическим параметрам процесса резания на всех этапах функционирования осевых инструментов, позволяющие формировать партии инструментов однородного качества, прогнозировать показатели надежности, осуществлять диагностику состояния инструмента путем регистрации нескольких диагностических признаков.
Разработаны способы повышения надежности осевых инструментов, основанные на базе имеющихся технических средств и известных технологических решений, не требующие дополнительных затрат для их реализации, включающие методы химико-термической обработки и поверхностных покрытий; конструкторские методы оптимизации геометрических параметров и нормирования точности элементов конструкции инструментов. Разработаны методы ускоренного определения эффективности применения поверхностных покрытий в конкретных условиях эксплуатации осевых инструментов.
Разработана система бездефектного восстановления режущих свойств быстрорежущих осевых инструментов, учитывающая вероятностное проявление износа всех рабочих элементов, устанавливающая нормы стачивания, число и методы переточки.
Получены математические модели, позволяющие определить основные показатели надежности - вероятность безотказной работы, среднюю наработку до отказа и др. в зависимости от основных конструктивных и геометрических параметров осевых инструментов и параметров режима резания, являющиеся исходными данными для организации системы планово-предупредительной замены инструментов.
На основе исследований надежности реализован на ряде предприятий комплекс методов повышения эффективности механической обработки путем внедрения технологических процессов изготовления инструмента с улучшенной геометрией режущей части, нормативов режимов резания и норм расхода инструментов, разработки основ системы инструментообеспечения с учетом вероятностного характера расходования инструментов.

Публикации.

По материалам научных направлений опубликованы 53 статьи, учебных пособия и методических разработок, тезисов докладов конференций. Разработанные способы определения оптимальных скоростей резания, поверхностных покрытий, новые конструкции осевых инструментов защищены 7 авторскими свидетельствами, на 2 заявки выданы положительные решения. В научных исследованиях по данному направлению принимали участие аспиранты: Ткаченко И.В., Ардисламов В.К, Рагрин Н.А., Рафиков Р.Ч., Татаринов А.С.

Руководители направления