CC BY
33
3. Справочник резинщика. Материалы резинового производства / П. И. Захарченко [и др.]. — М. : Химия, 1971. — 605 с.
4. Rubber Technology. Compounding and Testing for Performance / John S. Dick ; пер. с англ. В. А. Шершнева. — СПб. : Научные основы и технологии, 2010. — 620 с.
5. Гарбер, Г. З. Основы программирования на Visual Basic и VBA в Excel 2007 : учеб. пособие для вузов / Г. З. Гарбер. — М. : Солон-Пресс, 2008. - 189 с.
6. Стивен, С. Скиена. Алгоритмы. Руководство по разработке / Стивен С. Скиена. — 2-е изд. — СПб. : БХВ — Петербург, 2011. — 722 с.
7. Роман, С. Использование макросов в Excel / С. Роман. — 2-е изд. — СПб. : Питер, 2004. — 507 с.
8. Красовский, В. Н. Примеры и задачи по технологии переработки эластомеров / В. Н. Красовский, А. М. Воскресенский, В. М. Харчевников. — Л : Химия, 1984. — 240 с.
МАТВЕЕВ Никита Александрович, аспирант кафедры «Технология машиностроения» Омского государственного технического университета (ОмГТУ); инженер научно-производственного предприятия «Прогресс», г. Омск.
Адрес для переписки: nikitamatveev55@gmail.com МОРГУНОВ Анатолий Павлович, доктор технических наук, профессор (Россия), главный научный сотрудник, заведующий кафедрой «Технология машиностроения» ОмГТУ.
Адрес для переписки: nikitamatveev55@gmail.com
Статья поступила в редакцию 31.08.2016 г. © Н. А. Матвеев, А. П. Моргунов
УДК «1.9.Ю5 д. В. ЕМЕЛЬЯНОВ
Набережночелнинский филиал Казанского национального исследовательского технического университета им. А. Н. Туполева, г. Набережные Челны
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛОМОМЕНТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ОБРАБОТКЕ ОТВЕРСТИЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ГЛУБИНЫ СВЕРЛЕНИЯ
Рассмотрены и определены изменения силомоментных характеристик в процессе сверления в зависимости от глубины обрабатываемого отверстия. На основании теоретических и практических исследований автором предложен метод проектирования спиральных сверл, жесткость которых меняется по длине сверла. Предложенный метод позволит производительнее вести механическую обработку отверстий, уменьшить количество брака вследствие поломок инструмента, снизить расход режущего инструмента, что, безусловно, является актуальным в современном машиностроительном производстве. Ключевые слова: режущий инструмент, спиральные сверла, момент сверления.
Процесс сверления спиральными сверлами сопровождается рядом негативных факторов, которые проявляются при сверлении отверстий, глубина которых располагается в диапазоне Ь/й0 =(3...5), где — диметр отверстия, а Ь — его длина. К таким недостаткам можно отнести:
1. Разрушение спирального сверла из-за недостаточной жесткости.
2. Отклонение от круглости отверстия.
3. Увод и непрямолинейность оси отверстия.
Разрушение инструмента происходит в результате увеличения крутящего момента в процессе увеличения обработки глубины отверстия. На границе Ь/й0 =(3.5) наибольшие касательные напряжения т зачастую превосходят допускаемые, в результате чего происходит разрушение. Зная условия прочности [1], можно определить допускаемые силомо-ментные характеристики при проектировании спирального сверла.
В процессе эксплуатации спиральное сверло испытывает влияние крутящего момента М и Р —
1 ^ 1 кр ос
осевой силы, а также результирующей радиальной силы, которая возникает на главной режущей кромке (ГРК), в результате чего инструмент испытывает продольные и поперечные деформации, которые в значительной степени влияют на его работоспособность. Влияние осевой силы в значительной степени проявляется при формообразовании сквозных отверстий в тот момент, когда поперечная режущая кромка вышла из материала. В этот момент происходит резкая подача заготовки на инструмент, в результате чего происходит разрушение инструмента.
В работе [2] были получены обобщенные эмпирические формулы для определения силомомент-ных зависимостей при сверлении:
Mp = 8,65D2-6
(1)
58
Рис. 1. Фотография разрушения спиральных сверл
Рис. 2. Изменение крутящего момента при (D=8,2 мм, S=0,2 мм/об)
Рис. 3. Профиль поперечного сечения стебля сверла
/ .... 7
1 ¿ ^-s./
(о /
лг
Рис. 4. Профиль для определения момента инерции сверла
Р = 17,6D2
(2)
Нагрузки, рассчитанные по формулам (1) и (2), сверла должны выдер живать без раз рушения. Для определения величины разрушающего крутящего момента использовалась фирмуиа [3]:
М, = 1 0,88 D
РтшМ k J „
<[г].
где J М
момент инерции сечения, мм4;
— крутящий момент, Нм;
— максимальный радиус, мм;
— максимальное р езультирующее касатель-
Крутящий момент равен моменту резания Мр и момеиту в ызываемому силами трения Мтр по длине сверла в процессе обработки отверстия и находится па фо рмуле [5]:
Mp =MP + М = 10CmDqS^Kp + 2аКа, r 2L
(5)
(3)
где Мкр — крутящее момтет резания при сверлении, Нм;
Р — осевая сила, Н;
ос ' '
В — диаметр сверла.мм.
Известно, что спиральные сверла представляют собой стержень со сложным поперечным сечением формы, которые одноеремеено нагружен сжимающей (осевой) силой и крутящим моментом. При этом нужно понимать, что рост крутящего мо -мента в диапазоне Ь/йд = (3...5) обусло в лен движением стружки по стружечным канавкам спирального сверла, в результате чеоо наибольшие касательные напряжения т зачастую превосходят допускаемое, в результате оего птоисходит раорушение (рис. 1).
Из условия прочности известно, что наибольшие касательные напряжения, возникающие в точках сечения у пове рхносрисв ерла, не должны превосходить допускаемые.ковор ые выражаются следующей зависимостью [4]:
где Cm, q, y — коэффициенты для определения момента резания пр и св е рлении;
D — диамеьр с+ьрла, мм;
S — подари, мм/об;
Кр — к=эфф ициент, зависящий от механических свойств мате риала;
af — предел текучести материала, Мпа;
L — глубина с вер ления, мм.
На рис. 2пеиведен график изменения крутящего момента в зар исимости от глубины обрабатыва-е н ого отверстия.
Зим значение максимального результирующего касательного напряже=ия, божно определить момент сопротивления кручению 2,6я любого сечения. Связь между крутящрм моментом, действующим на стержень сверла, и максимальными по значению насательными напрьжениями, вызывьемыми в результате этого момента,об°еделяется моментом сопротивления кручеллю:
щ=.
м„
(6)
(4)
Результирующее дасатеььное ьапряжение находим по формуле;
Г 2 , 2 ы =,ы +ы , ,
дае у ак ау
(7)
ное напряжение, МПа.
где т и т — касатнльтге напряжения, МПа.
^ zx zy 11
Найдя значение мексимального результирующего касательного напрежееия, можно определить
Е s х О го
max
т
Рис. 5. К определению моментов инерции сечения
59 57 55 53 51 49 47 45 43 41 39 37 35 33 31 29 27 25 23 21 19 й), град Рис. 6. Изменение полярного моментаинерции J от угла наклона ш
момент сопротивлению кручению для сечения, изображенного на рис. 3 [К].
Значительное влияние на работоспособность спирального сверла оказ ывает действие осевой силы Рос. Учитывая размеры сечения стебля, наличие стружечных канавок, значительную длину стебля по отношению к диамдтру, необходимо обеспечить устойчивость сверла пр и действии на него осевой силы.
Значение разрушающей осевой силы для спирального сверла определяется:
р =Е_Е1иш.
(8)
где Е — модуль упругоети материала, МПа;
J . — минимальный момент инерции поперечного сечения, мм4;
способствует лучшему ртводу струрки. Умегьшение жесткости происходит за счет изменения пиощади попрречеоге слчения стеблр кверла [7].
Из рис. 4 видно, что при наклоне винтовой стру-жечтой канаеки ей ширина в сечении, перпендикулярном ос и, увеличтрается, тем стмым приводит к уменьшению площади попе ричного сечения. Ширина канавки находетсе еллд^иощим об]зазом:
С =
В
(9)
где В — ширина фрезы, мм;
т — угол наклона винтовой стружечноМ канавки, рад.
Площадь поперечного сечения определяется по формдле:
Ь — длина сверла, мм.
Данная задача решается с определения минимального осевого момента инерции для сечения сложного профиля сверла и связана со значительным объемом вычислений.
Нахождение минимального момента инерции, действующего по одной из осей, представляет некоторую трудность. Это можно объяснить сложностью поперечного сечения стержня сверла (рис. 4), что, в свою очередь, связано с большим объемом производимых вычислений.
Из рис. 4 следует:
С — ширина стружечной канавки в нормальном сечении, мм;
т — угол наклона винтовой стружечной канавки, рад;
Ф — угол подъема винтовой стружечной канавки, рад;
У1 — функция, описывающая режущую часть фрезы;
У2 — функция, описывающая наружный диаметр сверла;
Я — радиус сверла, мм;
г — радиус сердцевины сверла, мм;
Аш — межосевое расстояние, мм.
При т = 0 минимальный момент инерции будет иметь максимальную величину, но в таком случае стружечные канавки будут прямыми и отвод стружки будет достаточно проблематичен. Наклон стружечных канавок под определенным углом, с одной стороны, уменьшает жесткость сверла, с другой —
(
В д
м
Л
- н - оУ
0 Ое
— тН--2
о' м — агсот — . (10)
2н
При прочностном расчете стержня спирального сверла на продольный изгиб, в первую очередь, необходимо определить минимальный осевой момент инерции Jm.n для данного сечения (рис. 5). Минимальный момент инерции будет относительно оси Х, а максимальный относительно У.
Для определения Jx и Jy необходимо разбить данное сечение на 2 составляющих I и II.
Тогда J = J, + J _, J = J , +J _. Запишем дану у1 у2 X XI х2
ные выражения так:
Ио 2 иив + иоо = Г —ао!еОВ Но + 1Н —ао 1еи0 аО<
ие
о Но,
иоо =]"Н(н2-.о:2И)2.о2<Но ,
г—в го,:! 2 —н го< у.
и— 2 и —в + Ио2 = .)„ Но]0 о <о +]мао)о о <о .
Ии ~ 3 .То
н
со-
нННо
(11) (12) (13)
аю
(15)
2
60
Jx2 = 3jX> 2-x2Jx2dx.
(16)
Для нахождения полярно го момента инерции Jp, характеризующего влияние формо1 и о)азмеров сечения на сопротивляемость сверла при скручивании, воспользуемся следующей зависимостью:
Jp = Jy + Jx ■
(17)
Результаты отразим на рис. 6.
Таким образом, в статье предложен метод, дополняющий научную концепцию проектирования спиральных сверл на основе использования закономерностей силомоментных характеристик режущего инструмента, возникающих при сверлении отверстий, а также предложен новый, нетрадиционный, подход для определения момента резания при сверлении в зависимости от глубины обрабатываемого отверстия. Предложенный метод позволит производительнее вести механическую обработку отверстий, уменьшит количество брака вследствие поломок режущего инструмента.
Библиографический список
1. Арутюнян, Н. Х. Кручение упругих тел / Н. Х. Арутюнян, Б. М. Абромян. - М. : ГИФМЛ, 1963. - 688 с.
2. Катаев, Ю. П. Пластическое кручение полых элементов летательных аппаратов / Ю. П. Катаев. — М. : Машиностроение, 1985. — 128 с.
3. Исследование напряжений и деформаций в спиральных сверлах / А. Я. Александров [и др.] // Прогрессивные конструкции сверл и их рациональная эксплуатация : материалы науч.-техн. симп. — М., 1974. — 39 с.
4. Емельянов, Д. В. Конструкция спирального сверла с переменным углом подъема спирали для формообразования отверстий в труднообрабатываемых материалах / Д. В. Емельянов // Инженерный журнал. Справочник с приложением : науч.-техн. и производств. журн. — 2013. — № 3. — С. 31—34.
5. Емельянов, Д. В. Проектирование и производство спиральных сверл переменной жесткости с изменяемым углом наклона стружечных канавок : дис. ... канд. техн. наук / Д. В. Емельянов. — Казань : Изд-во КНИТУ им. А. Н. Туполева, 2014. — 126 с.
6. Емельянов, Д. В Проектирование и производство спиральных сверл переменной жесткости : моногр. / Д. В. Емельянов, И. А. Савин. — Курск : ЗАО «Университетская книга», 2016. — 231 с.
7. Хисамутдинов, Р. М. Оценка увода оси отверстия при обработке осевым инструментом с переменным шагом винтовой линии / Р. М. Хисамутдинов, Д. В. Емельянов // Инженерный журнал. Справочник с приложением : науч.-техн. и производств. журн. — 2012. — № 6. — С. 10 — 13.
ЕМЕЛЬЯНОВ Дмитрий Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования и технологии машиностроительных производств.
Адрес для переписки: bk8@mail.ru
Статья поступила в редакцию 26.07.2016 г. © Д. В. Емельянов
Книжная полка
Проектирование металлообрабатывающих инструментов : учеб. пособие / А. Схиртладзе [и др.]. - 2-е изд., стер. - СПб. : Лань, 2015. - 256 с. - ISBN 978-5-8114-1632-5.
В учебном пособии рассмотрены вопросы организации и проведения курсового проектирования режущего инструмента. Излагаются методики расчета мерного осевого инструмента, специальных видов режущего инструмента; предложены расчеты типовых конструкций деталей. Целью пособия является обучение технологии разработки новых перспективных режущих инструментов, а также формирование навыков системного подхода при решении сложных технических задач.
Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки в области машиностроения. Книга будет полезна для инженерно-технических работников, занимающихся вопросами проектирования металлообрабатывающих инструментов.
Технология машиностроения. Выпускная квалификационная работа для бакалавров : учеб. пособие / Под ред. Н. М. Султан-заде. - М. : ИНФРА-М; Форум, 2016. - 288 с. - ISBN 978-5-00091-105-1, 978-5-16011161-2.
В учебном пособии показаны тематика и состав выпускной квалификационной работы, содержание пояснительной записки и графической части. Указания по проектированию технологического процесса механической обработки деталей сопровождаются примерами отработки конструкции деталей на технологичность, выбора технологических баз, типа производства, вида заготовки, построения оптимального | маршрута механической обработки и технологических операций, проектирования технологической ос- О настки. Учтены требования государственных стандартов. Приведен список литературы, рекомендуемой Q для выполнения проекта. Н
Пособие предназначено для студентов высших учебных заведений всех форм обучения, обучающихся И по направлению подготовки 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных | производств». Н
