ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ КОНТАКТА ИНСТРУМЕНТА НА ЕГО НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 621.763

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ КОНТАКТА ИНСТРУМЕНТА НА ЕГО НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ

М. И. МИХАЙЛОВ, О. А. ЛАПКО, Н. Э. ТЕТЕРИЧ, Е. С. ГЛАЗЕНКОВА

Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого», Республика Беларусь

Представлены результаты численного исследования методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния сборного инструмента. Варьировались условия контакта инструмента с корпусом. Использовались композиционные покрытия на основе полимеров (эпоксидной и полиэфирной смол с абразивным наполнителем). Полученные результаты позволяют повысить прочность и виброустойчивость сборных инструментов с механически закрепленными зубьями.

Ключевые слова: сборный инструмент, условия контакта, напряженно-деформированное состояние, собственные частоты.

RESEARCH OF THE INFLUENCE OF THE CONTACT CONDITIONS OF THE TOOL ON ITS STRESSED-DEFORMED STATE

M. I. MIKHAILOV, O. A. LAPKO, N. E. TETERICH, E. S. GLAZENKOVA

Educational Institution "Sukhoi State Technical University of Gomel", the Republic of Belarus

Authors present the results of numerical examination of the stress-deformed state of the prefabricated tool by the finite element method. The contact conditions of the tool with the body varied. Polymer-based composite coatings (abrasive-filled epoxy and polyester resins) were used. Obtained results make it possible to increase strength and vibration resistance ofprefabricated tools with mechanically fixed teeth.

Keywords: prefabricated tool, contact conditions, stressed-deformed state, natural frequencies.

Введение

Режущие зубья торцовых фрез в процессе резания испытывают динамические нагрузки, которые снижают надежность процесса обработки. В среднем 40-50 % металлорежущего инструмента, изготовляемого в соответствии с существующими стандартами, теряется непроизводительно из-за поломок твердого сплава [1]-[6]. Из них 10-15 % инструмента идет в брак уже при его изготовлении из-за образования трещин в твердом сплаве и 30-35 % выходит из строя в результате поломок изделий из твердого сплава при эксплуатации [1], [2], [5], [7], [8]. Для обеспечения работоспособности процесса резания необходимо выбирать такие конструктивные и технологические методы изготовления фрез, которые обеспечивают необходимую их прочность [1], [2], [4]-[8]. Исследования напряженного состояния инструмента проводились различными методами, например, на оптически прозрачных моделях, результаты которых позволили определить качественный характер распределения напряжений в режущей части инструмента. Однако большая трудоемкость изготовления моделей и обработки полученных результатов не позволяет более широко использовать этот метод.

Анализ литературы по исследованиям сборного инструмента в условиях статических нагрузок выявил, что большой вклад внесли исследования жесткости в Российском университете дружбы народов имени П. Лумумбы [9]. Сила, с которой нагружался инструмент, соответствовала результирующей силе резания. Перед испытаниями на жесткость производился контроль прямолинейности и шероховатости опорной поверхности пластины и гнезда в державке под пластину. Это позволяло оценивать как конструктивный вариант исполнения инструмента, так и качество его изготовления.

В процессе врезания возникают переменные силы резания, вызывающие вибрации элементов сборного инструмента, которые приводят к росту микросколов режущих кромок. Для уменьшения вибраций и повышения прочности пластин производится оптимизация их закрепления в корпусе инструмента [4]-[7], [10]—[12]. Для обеспечения точности позиционирования режущих кромок используются подкладные пластины, которые для повышения виброустойчивости покрывают композиционными материалами на основе полимеров с абразивными наполнителями.

Целью данной работы является повышение прочности и виброустойчивости сборных инструментов с механически закрепленными зубьями, у которых пластины припаяны к державке.

Методика исследования

Основными задачами при проведении исследований были: построение 3D модели инструмента в программном комплексе АКБУБ; определение распределений напряжений и перемещений в режущих зубьях; установление форм собственных колебаний систем крепления.

Исследование напряженно-деформированного состояния выполнялось методом конечных элементов. Для этого была разработана 3D модель инструмента, а также произведено ее разделение на конечные элементы со следующими параметрами: размер контактных элементов - 2 мм; сетка Hex Dominant Metod; размер и вид элементов - кубик 0,1 мм; на режущей пластине - 0,5 мм; на подложке и покрытии -0,4 мм; на корпусе зуба - 2 мм; скорость роста сетки - 1,1.

Для проведения расчетов разработаны граничные условия и приложена нагрузка в виде распределенных сил по осям координат. В качестве материала корпуса инструмента выбрана сталь 40Х, а режущая пластина выполнена из твердого сплава Т15К6. Между ножом и корпусом инструмента использовались регулировочные пластины.

Результаты и их анализ

Для более детального исследования были получены картины распределения эквивалентных напряжений в элементах системы крепления (табл. 1).

Таблица 1

Результаты расчетов НДС

Вид напряжений

Без пластин

Две нижние пластины _без покрытия_

С покрытием верхние и нижние пластины

Эквивалентные напряжения в системе крепления зуба

к

.

I-- 1-1 м=. г-- o~i rj

LT"l '—1 Г-- СО LT"l Г-J Щ

,—, ,—Г рп"' ^ r"J. '-"-1 |—,

,—, г-^ —I 'JZ- Г—- СП .

Г-.j I,—I,—I щ [л fSJ г-'О

I I I

гч Li" —-1 Г—- ОО Ln Г-J

14

14

m Г-.j —1 --—■ --—■ ОО Ln Г-J

■......

3

1

Окончание табл. 1

Две нижние пластины без покрытия

С покрытием верхние и нижние пластины

Полученные результаты позволили заключить, что применение нижних подкладных пластин приводит к росту напряжений в 1,01 раза, а применение композиционного покрытия подкладных пластин - к снижению в 1,02 раза. Аналогичное влияние оказывают условия контакта на эквивалентные напряжения в пазу зуба под пластиной (табл. 1). Результаты расчетов перемещений представлены в табл. 2. Вследствие податливости соединений в стыках перемещения увеличиваются в соотношении 1 : 1,04 : 1,08 раза.

Таблица 2

Результаты расчетов перемещений

Показатели

Верхние и нижние пластины _с покрытием_

Две нижние пластины _без покрытия_

Перемещения по оси X

Полученные результаты позволяют заключить, что применение верхних и нижних подкладных пластин приводит к росту перемещений в направлении оси ОХ в 1,01 раза, а в направлении оси 02 в 1,05 раза и к снижению перемещений в направлении оси ОУ в 1,33 раза.

Результаты расчета влияния условий контакта на перемещения и собственные частоты приведены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты расчетов форм собственных частот

Верхние и нижние пластины с покрытием

Две нижние пластины без покрытия

Окончание табл. 3

Формы колебаний

Верхние и нижние пластины с покрытием

Две нижние пластины без покрытия_

Полученные результаты позволяют заключить, что применение верхних и нижних подкладных пластин с композиционным покрытием приводит к росту первой формы собственных частот в 1,44 раза, второй формы - 1,02 раза, третьей формы -1,031 раза, четвертой формы - 1,018 раза, пятой формы - 1,21 раза и шестой формы -1,012 раза, что оказывает влияние на виброустойчивость процесса резания.

Заключение

Установлено влияние условий контакта корпуса сборного инструмента на внутренние напряжения, перемещения и собственные частоты.

Литература

1. Хает, Г. Л. Прочность режущего инструмента / Г. Л. Хает. - М. : Машиностроение, 1975. - 164 с.

2. Лоладзе, Т. Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента / Т. Н. Лолад-зе. - М. : Машиностроение, 1982. - 320 с.

3. Писаренко, Г. С. Прочность металлокерамических материалов и сплавов при нормальных и высоких температурах / Г. С. Писаренко, В. Т. Траценко. - Киев : Изд-во АН УССР, 1962. - 164 с.

4. Михайлов, М. И. Сборный металлорежущий механизированный инструмент: Ресурсосберегающие модели и конструкции / М. И. Михайлов ; под ред. Ю. М. Пле-скачевского. - Гомель : ГГТУ им. П. О. Сухого, 2008. - 339 с.

5. Маслов, А. Ф. Конструкции и эксплуатация прогрессивного инструмента / А. Ф. Маслов. - М. : ИТО, 2006. - 169 с.

6. Инструмент для станков с ЧПУ, многоцелевых станков и ГПС / И. Л. Фадюшин [и др.]. - М. : Машиностроение, 1990. - 272 с.

7. Новые инструменты - дополнение к каталогам 12.2. - Бапёу1к Согошап1;, 2012. -С. Е1-Е85.

8. Сандвик - 2010. Руководство по металлообработке. - Бапёую Согошап1;, 2010.

9. Малыгин, В. И. Модель напряженно-деформированного состояния режущего элемента сборного инструмента / В. И. Малыгин, Н. В. Лобанов // Вестн. машиностроения. - 2000. - № 2. - С. 22-26.

10. Гречишников, В. А. Исследование деформированного состояния сборного режущего элемента методом конечных элементов / В. А. Гречишников, С. В. Лукина,

A. И. Веселов // Конструкторско-технологическая информатика 2000 : материалы IV Междунар. конгр., Москва, 2000 г. / Моск. гос. технол. ун-т. - М., 2000. -Т. 1. - С. 158-160.

11. Когель, И. З. Исследование жесткости узлов крепления пластин твердого сплава в корпусе инструмента и ее влияние на стойкость лезвия при торцевом фрезеровании : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.03.01 / И. З. Когель ; Моск. станко-инструмент. ин-т. - М., 1985. - 22 с.

12. Остафьев, В. А. Расчет динамической прочности режущего инструмента /

B. А. Остафьев. - М. : Машиностроение, 1979. - 168 с.

Получено 01.06.2022 г.