Оптимизация технологического процесса токарной обработки валов

 

 

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Вологодский Государственный Технический Университет»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение		4
1	Литературный обзор	6
2	Методика исследования	14
2.1	Возможности применения компьютерной программы «Abaqus» для расчета напряженно-деформированного состояния тела	14
2.2	Этапы расчета напряженно-деформированного состояния тела в программном комплексе Abaqus	17
2.3	Пример оптимизации технологического процесса с помощью программного комплекса «Abaqus»	18
3	Оптимизация технологического процесса токарной обработки валов	20
3.1	Оптимизация режимов резания при обработке вала 1	23
3.2.	Оптимизация режимов резания при обработка вала 2	27
3.3.	Оптимизация режимов резания при обработка вала 3	34
4	Технико-экономическое обоснование	37
4.1	Анализ структуры затрат на производство изделия по базовой технологии и с помощью конечно-элементного комплекса	37
4.1.1	Построение структуры затрат на производство одной единицы изделия по базовой и инновационной технологии	37
4.1.2	Определение эффективности инновационной технологии	38
4.1.3	Сравнение величин доходов по базовой и инновационной технологии	41
4.1.4	Определение срока окупаемости инновационного проекта средствами амортизационных отчислений на материальные активы и доходом предприятия	41
4.2	Технико-экономическое обоснование проекта	43
Заключение		45
Список использованных источников		46
Приложения		47
Приложение А. Маршрутно-технологические карты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Машиностроение – важнейшая отрасль в мировой экономике и мировом хозяйстве. Отсутствие её повлечёт за собой невозможность функционирования других отраслей и всех отраслей мирового хозяйства в целом.

Уровень жизни в какой-либо стране зависит от наличия и объёма следующих двух составляющих:

- природные ресурсы на территории  этой страны (золотовалютный запас  и полезные ископаемые – нефть, газ, металлические руды, драгоценные  камни и металлы и пр.);

- валовый внутренний продукт (ВВП) - показатель, характеризующий способность  страны грамотно, продуктивно и экономично использовать свои природные ресурсы для производства.

Но любой грамотный экономист скажет, что какими бы большими не были природные запасы страны, нельзя существовать только за их счёт. Государство всё равно должно стимулировать развитие валового внутреннего продукта, т.е. производства.

Цель данного исследования – внести небольшую лепту по поводу того, как можно улучшить, оптимизировать, ускорить, а значит, возможно, и стимулировать производство.

Основными из этапов создания какого-либо изделия на предприятии являются:

- конструирование изделия;

- проектирование технологического  процесса изготовления изделия.

Оба этапа включают в себя различные физико-математические расчёты. В частности необходимы такие расчёты, как расчёт на прочность, жёсткость и устойчивость деталей и конструкций. В настоящее время появился программный конечно-элементный комплекс ABAQUS, алгоритм которого содержит в себе все необходимые формулы и методики расчётов из дисциплин «Сопротивление материалов» и «Математические методы расчёта деформируемых твёрдых тел». Этот комплекс позволяет значительно ускорить и облегчить процессы конструирования и разработки технологических процессов.

Темой исследования является разработка методики применения программного конечно-элементного комплекса при проектировании технологической оснастки. Осуществляется обоснование её полезности на основании экономических результатов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Литературный обзор

Обтачивание является одной из разновидностей токарной обработки. Операция обтачивания производится за счет вращения заготовки вокруг своей оси и продольного движения обрабатывающего инструмента вдоль оси заготовки. Обтачивание цилиндрических поверхностей предполагает получение меньшего по величине диаметра наружной цилиндрической поверхности с повышением точности его размера и снижением шероховатости поверхности. Чистовой обработке наружной цилиндрической поверхности с получением требуемых точности и качества поверхности, как правило, предшествует грубая черновая обработка, характеризующаяся большими величинами допусков. Операция обтачивания может выполнятся на токарных станках полуавтоматах, автоматах, токарных станках с ЧПУ, а также на обрабатывающих центрах. С использованием специального токарного инструмента – расточного резца возможна операция внутреннего точения – растачивания, предполагающая получение большего по величине диаметра внутренней цилиндрической поверхности (отверстия). В остальном операция растачивания сходна с операцией обтачивания. Принципиальные схемы операций обтачивания и растачивания приведены на рис. 1.1.

Обрабатываемость материала резанием — это его способность подвергаться обработке резанием (как правило, на металлорежущих станках). Если в процессе обработки металл удаляется в виде стружки, то инструмент, выполняющий эту операцию называется режущим.

Обрабатываемость материала резанием — совокупность свойств определяемая:

- химическим составом материала;

- структурным состоянием;

- механическими свойствами (упругость, пластичность);

- склонностью к образованию стружки;

- способностью сопротивляться  резанию (косвенный признак);

- энергетическими  затратами на  резание;

- тепловыми процессами;

- теплопроводностью материала;

- истираемостью материала.

При резании на контактных поверхностях режущего инструмента возникают давления (тысячи атмосфер) и одновременно выделяется много тепла (температура резания сотни, а иногда и тысячи градусов). Также в процессе обработки происходит скольжение и трение обрабатываемого материала по контактным поверхностям режущего инструмента. Поэтому материал режущего инструмента должен обладать свойствами, создающими ему работоспособность. Качество инструментального материала оценивается физико-механическими свойствами, зависящими от структурного состояния или химического состава.

Твердость режущего инструмента (РИ) колеблется в пределах от 62...64 единицы и измеряется, в основном, по шкале HRC, твердомером. При твердости HRC<62 существенно возрастает изнашиваемость лезвий режущего инструмента, а при HRC>64 лезвия выкрашиваются из-за излишней хрупкости.

Прочность. Силы резания, возникающие при работе режущего инструмента, вызывают в материале лезвия и корпуса напряжения сжатия, изгиба, а иногда и кручения. Для того чтобы не произошло разрушение, инструмент должен быть достаточно прочным.

Теплостойкость. В процессе резания непрерывно выделяется тепловая энергия эквивалентная механической работе затраченной на резание. В инструментальных материалах, из которых изготовлено лезвие и прилегающие к лезвию части корпуса инструмента, создается тепловое поле с максимальной температурой на контактных поверхностях инструмента.                           Под теплостойкостью понимают способность инструментального материала сохранять при нагреве свою структуру и свойства, необходимые для резания.

Теплостойкость характеризуется температурой, при которой материал сохраняет определенную установленную ранее твердость (температура красно стойкости). Для разных марок инструментальных материалов, в зависимости от структурного и фазового состава, эта температура колеблется от 200...1000 .

Теплопроводность — это способность отводить тепло. Присутствие кобальта (Co) в быстрорежущих сталях и твердых сплавах существенно увеличивает теплопроводность. Для быстрорежущих сталей (БРС) таким же свойством обладает молибден (Mo). А ванадий (V) и вольфрам (W) снижают теплопроводность.

Износостойкость — способность инструментального материала сопротивляться разрушению истиранием. Причиной потери режущих свойств у всех инструментов является износ, то есть диспергирование и унос части инструментального материала составляющего лезвие инструмента, и, следовательно, нарушение исходной формы и геометрических параметров режущего инструмента.

Износ — сложный, недостаточно изученный процесс, зависящий от множества факторов. Важнейшие из них: нормальное давление; скорость взаимного скольжения инструментального материала (ИМ) и обрабатываемого материала (ОМ); температура в зоне резания.

Материалы режущих пластин.

Режущие пластины для обтачивания изготавливают из различных материалов: твердого сплава, керамики, кермета, поликристаллического алмаза и кубического нитрида бора.

На твердосплавные пластины наносят покрытия химическим или физическим методом.

Твердосплавные пластины с химическим нанесением покрытия используются для обработки большинства сталей и чугунов. Химически наносимые покрытия – это многослойные сочетания нитрида титана, оксида алюминия и карбида титана. Каждый слой служит определенной цели, а комбинации слоев обладают стойкостью к различным видам износа. Типичными твердыми сплавами являются сочетания карбида вольфрама, тантала и титана, и кобальтовой связки.

Режимы резания и контроль за стружкообразованием.

При черновой обработке необходимо следовать рекомендованным для данной геометрии и марки сплава значениям скоростей и подач. Однако первоначальная обработка должна вестись со скоростью, уменьшенной на 50% от рекомендованного значения для обеспечения удовлетворительных условий эвакуации стружки. Максимальная глубина резания не должна превышать половины длины режущей кромки.

При чистовой обработке требуемая шероховатость поверхности определяется сочетанием подачи и радиуса при вершине пластины. Необходимо также следить за тем, чтобы назначенная подача лежала в пределах зоны удовлетворительного стружкообразования. Форма образующейся стружки должна способствовать ее легкому удалению из зоны обработки без малейшей вероятности повреждения обработанной поверхности.

При чистовом точении глубина резания определяется не размером пластины, а ее геометрией. Все геометрии чистовых пластин предназначены для работы с небольшими величинами припусков. При чрезмерном значении глубины резания стружка может застревать между поверхностью заготовки и пластиной, что может привести к повреждению режущей кромки.

Максимальная скорость резания ограничивается не столько соображениями стойкости пластины, сколько риском появления вибраций. Поэтому начальное значение скорости резания должно равняться 50% от рекомендуемого значения.

Силу резания, действующую на заготовку и режущий инструмент в процессе его работы, легко измерить. Она включает в себя три составляющие: тангенциальную, осевую и радиальную. Рассмотрим силы, действующие на заготовку со стороны режущего инструмента. Тангенциальная составляющая силы резания имеет наибольшее значение. Она направлена перпендикулярно оси заготовки и отстоит от нее на определенное расстояние, приблизительно равное радиусу заготовки. Направлена эта сила в сторону, противоположную вращению заготовки. По этой силе подбирается мощность привода шпинделя станка.

Осевая составляющая силы резания действует параллельно оси заготовки и также отстоит от нее на расстояние примерно равное радиусу заготовки. Направлена в сторону подачи инструмента. По осевой составляющей подбирают мощность привода подачи станка.

Радиальная составляющая силы резания направлена перпендикулярно оси заготовки, причем проходит через нее и направлена в сторону от инструмента. Составляющие силы резания, действующие на инструмент со стороны заготовки направлены противоположно перечисленным выше. Тангенциальная и радиальная составляющие силы резания вызывают отжим заготовки соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскости. Осевая составляющая по существу только лишь сжимает заготовку.

Значения составляющих силы резания зависят от обрабатываемого материала, его твердости, условий резания и радиуса при вершине режущей пластины.

Смазочно-охлаждающая жидкость (СОЖ).

Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) применяют для отвода тепла от режущего инструмента. Они снижают температуру в зоне обработки и тем самым повышают стойкость режущего инструмента, улучшают качество обрабатываемой поверхности и предохраняют от коррозии режущий инструмент и обрабатываемую заготовку. К смазочно-охлаждающим жидкостям предъявляются следующие требования: высокая охлаждающая и смазывающая способность, антикоррозионность, безвредность для работающего.

Напряженно-деформированное состояние заготовки при механической обработке.

Напряженно-деформированное состояние (НДС) заготовки при токарной обработке определяется тремя основными составляющими:

- конструкцией и формой заготовки;

- способом закрепления заготовки  при обработке;

- выбранными режимами резания.

Приведем обзор некоторых конструкций валов, встречающихся в машиностроении (рис. 1. 2 – 1.7).  Чем больше на валу конструктивных особенностей, то есть чем сложней его конструкция, тем больше будет на нем концентраторов напряжения и тем более сложная будет картина НДС. Закрепление заготовок при обработке производится, как правило, при помощи различных станочных приспособлений. На рисунках 1.8 и 1.9 приведены станочные приспособления, предназначенные для различных способов закрепления.