Совершенствование конструкций сборных фрез со сменными неперетачиваемыми пластины (снп) для обработки титановы

Аннотация. Цель статьи – провести математическое моделирование процесса фрезерования сборной дисковой зуборезной фрезы с использованием программного пакета T-FLEX. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: изучить имеющийся материал по данной тематике; описать алгоритм проведении математического моделирования с использованием программного пакета T-FLEX; привести результаты математического моделирования эквивалентных напряжений, деформации и перемещений, возникающих при нагружении сборной конструкции силами резания. Для решения поставленных задач в статье использованы такие методы, как анализ, синтез, описание, обобщение, моделирование. Результат исследования следующий: было показано, что тип ограничения «жесткая связь» между гнездом, режущим элементом и элементом закрепления является наиболее работоспособным и надежным.
Ключевые слова: математическое моделирование, фрезерование, сборная дисковая зуборезная фреза, T-FLEX.
За последнее время в самых передовых отраслях машиностроения значительно выросла доля использования титана и его сплавов в изготовлении сложных деталей машин. Высокая стоимость этого металла во многих случаях компенсируется его большей работоспособностью, а в некоторых случаях он является единственным материалом, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в конкретных условиях.
Известно, что титановые сплавы отличаются сочетанием рядом ценных свойств, таких как высокая коррозионная стойкость, прочность, пластичность и легкость. Однако при всех своих достоинствах они имеют один большой недостаток – сложность механообработки, что в первую очередь, обуславливается трудоемкостью процесса резания. Для обработки титана необходима очень острая режущая кромка, которую необходимо заменять при первичных признаках износа. Кроме того, в связи с низкой теплопроводностью титана крайне необходимо тщательно следить за охлаждением зоны резания во избежании перегрева режущей кромки инструмента. Также при фрезеровании титана наблюдается тенденция налипания стружки на режущую кромку, что приводит к такому известному явлению, как наростообразование при обработке стальных заготовок на небольших скоростях резания.
Однако, несмотря на всю сложность и специфичность такой обработки, потребность применения титановых сплавов в будущем будет только возрастать. В связи с этим крайне необходима правильная технология обработки такого материала, оборудование и сам режущий инструмент.
Исходя из всего вышеперечисленного, можно с уверенностью сказать, что изучение вопроса способов фрезерования материалов является весьма актуальным.
Общие сведения о титане
В настоящее время все большую роль в авиационные технике играют титановые сплавы, потому что они имеют значительно меньший вес, но при этом существенно более высокие покаатели прочности. Помимо этого, они могут работать при более высоких температурах. Из титановых сплавов изготовляют обшивку, детали крепления, силовой набор, детали шасси, различные агрегаты. Также данные материалы применяются в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Это позволяет уменьшить их массу на 10-25%.
Титан и титановые сплавы сочетают легкость, прочность, высокую коррозийную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапазоне температур [1].
По плотности и удельной теплоемкости титан занимает промежуточное место между двумя основными конструкционными металлами: алюминием и железом. Стоит также отметить, что его механическая прочность примерно вдвое больше, чем чистого железа, и почти в шесть раз выше, чем алюминия. Но титан может активно поглощать кислород, азот и водород, которые резко снижают пластические свойства металла. С углеродом титан образует тугоплавкие карбиды, обладающие высокой твердостью [2].
Сегодня половина титана, произведенного в мире, потребляется авиакосмической промышленностью

. Причем уже в ближайшее десятилетие ожидается удвоение показателя. Широкое внедрение титана в самолетостроение успешно решает требование снижения веса конструкции.
Широкое применение в авиастроительной промышленности композиционных материалов (КМ) (например, углепластиков) требует применения титана, т.к. он намного лучше алюминия соединяется с КМ и на 60% увеличивает жизнь летательных аппаратов. К высокой прочности добавляется и свойство незначительных деформаций при температурных изменениях, что повышает размерную стабильность конструкций.
Качество обрабатываемой поверхности деталей в процессе фрезерования
Исследования [3-6], проведенные в области механической обработки металлов фрезерованием, позволяют сделать вывод, что процесс образования неровностей обработанной поверхности при фрезеровании в значительной мере аналогичен образованию неровностей при точении. Так же, как и при точении, высота и форма неровностей поверхности могут быть определены исходя из геометрических соображений в зависимости от подачи, радиуса закругления режущего лезвия зуба и величины углов в плане и , жесткости технологической системы и т. д.
Предварительный анализ способов и устройств, обеспечивающих повышение качества обрабатываемой поверхности детали в процессе прерывистого резания многолезвийным инструментом показал, что ранее (порядка 10 лет назад) повышение качества сводилось в основном к повышению жесткости технологической системы и приданию инструменту дополнительного крутящего момента.
Сущность такого метода состоит в том, что при прерывистом резании, связанном с конструктивными особенностями инструмента (его многолезвийностью), в технологической системе возникают автоколебания. Это приводит к нестабильности режимов резания (нередко выходящих за заданные пределы), что может быть частично устранено повышением жесткости ее элементов или уменьшением перепада крутящего момента, за счет приложения к шпинделю станка дополнительного момента (инерционного от вращения массивного элемента, расположенного на шпинделе станка).
Однако это не всегда в полной мере может обеспечить стабильность и точность обработки (вследствие не устранения источника автоколебаний в технологической системе) и удовлетворять современным требованиям к качеству обрабатываемых поверхностей деталей машин.
Современное развитие технологий и инструментального производства позволяет создавать такие методы обработки и режущие инструменты, которые обеспечивают возможность повышения качества обработки поверхностей деталей многолезвийным инструментом.
Программные средства, используемые для получения математической модели процесса фрезерования
Традиционная практика конструирования сборных инструментов заключается в использовании сложившегося традиционного набора конструктивных исполнений и проверки усилий прижима пластины путем использования аналитических методов расчета статических нагрузок [7]. Иначе обстоит дело, когда необходимо проектирование новых видов инструмента, ранее не изготовлявшихся промышленностью. Современные программные средства, реализующие расчеты методом конечных элементов, представляют сегодня возможности для успешного решения этой трудоемкой и сложной задачи [8-10].
В качестве программного продукта в данной работе было решено использовать систему отечественного разработчика ООО «Топ Системы» [10], программные продукты которого в области CAD-CAM-CAE систем предоставляют вполне сравнимые с ведущими мировыми производителями аналогичных продуктов возможности при значительно более низких ценах. В частности, для решения расчетных задач при определении силовых, прочностных и жесткостных характеристик инструмента был выбран пакет «T-Flex Анализ».
«T-FLEX Анализ» – это интегрированная с T-FLEX CAD среда конечно-элементных расчётов. C ее помощью можно осуществлять математическое моделирование распространённых физических явлений и решать сложные задачи, возникающие при проектировании