CC BY
160
ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ
УДК 621.91.01
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ СХОДА СТРУЖКИ ПО ПЕРЕДНЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ИНСТРУМЕНТА
М.В. Ушаков, В.В. Иванов, Е.В. Павлова
Обоснован выбор способа определения направления схода стружки по передней поверхности инструмента при резании инструментом с различной формой режущей кромки. Предложена формула для определения величины угла схода стружка при сложной форме срезаемого слоя.
Ключевые слова: обработка резанием, стружка, направление схода стружки, режущая кромка.
При обработке пластичных материалов, таких, как конструкционные стали, образуется «сливная стружка», которая с целью автоматизации её удаления требует дробления [1]. Это особенно важно при эксплуатации оборудования с программным управлением.
Обычно при врезании резца в заготовку стружка начинает формироваться как спираль с изменяющимся радиусом, в зависимости от дополнительного воздействия со стороны поверхностей, встречающихся на её пути.
Анализ условий дробления стружки показывает, что её дробление может осуществляться после вторичной деформации при встрече дополнительного препятствия. Поэтому для обеспечения дробления необходимо при заданных режимах обработки прогнозировать направление схода стружки, чтобы расположить дополнительное препятствие в требуемом месте.
Основными параметрами формирующейся при резании стружки является её ширина Ь, радиус завивания Я, шаг спирали Р и угол наклона витка у (рис.1). Величины данных параметров зависят как от кинематических и геометрических особенностей процесса резания, так и от физикомеханических характеристик обрабатываемого материала.
Р
Рис. 1. Геометрические характеристики витка стружки
Формирование радиуса витка стружки дополнительно связано с её жесткостью, зависящей от толщины и ширины. Так, при малой толщине а срезаемого слоя при скорости резания более 80 м/мин возможны сход стружки вдоль передней поверхности и завивание в спираль из-за формирования «застойной зоны» на передней поверхности у режущей кромки. При увеличении толщины срезаемого слоя наблюдается гарантированное сворачивание стружки в спираль (при а > 0,15 мм). Однако в обоих случаях радиус такой спирали определяется условиями контакта стружки с дополнительными препятствиями в виде обрабатываемой, обработанной, поверхности резания, а также с выступающими поверхностями резца, резцедержателя или других поверхностей заготовки. В общем случае с достаточной степенью вероятности (опираясь на результаты экспериментов) величину параметра Яшш можно оценить по зависимости [2]
^ шт
-----= 0,03 • X-3,4 • ехр(5,8 • X),
а1
В — tgg
где X =--------—; В = tgb^ - тангенс угла сдвига, напрямую зависящий от
1 + В • tgg
кинематических параметров процесса резания и физико-механических характеристик обрабатываемого материала; а1 - толщина стружки; у - рабочий передний угол.
Формирование шага витка стружки связано с направлением схода стружки. Направление схода стружки при работе главной 1-3 и вспомогательной 3-2 режущих кромок в случаях, когда передняя поверхность инструмента является плоской, расположенной в нормальной плоскости по отношению к вектору скорости V, рекомендуется определять перпендикулярно к линии контакта 1-2 (рис. 2, а, б) [2, 3].
Однако подобный подход дает достаточно большую погрешность (до 5°...7°) по сравнению с экспериментальными значениями.
Данная погрешность вызвана сдвигом металла по линии контакта 1-2. Данный сдвиг может быть представлен как результат действия составляющих Б1 и Б2 (рис. 2, в), пропорционально длинам участков режущей кромки 113 и 132 (Б2 ~ 113, Б1 ~ 132). В этом случае суммарная сила Б^, дейст-
вующая на передней поверхности инструмента, совпадает с направлением схода стружки.
а б в
Рис.2. Схемы для определения направления схода стружки при разных формах срезаемого слоя
Подобный подход позволяет снизить погрешность до 1°-3°. Предположительно малая разница углов направлений сил Б2 и , в силу малой величины участка вспомогательной режущей кромки, должна привести к сворачиванию стружки в спираль с малым осевым шагом Р. Однако эксперименты показывают, что при резании формируется винтовая спираль со значительным шагом (рис. 3, а, б).
а
І/Уу
б
в
г
Рис. 3. Завивание стружки в спираль при обработке стали 45: а - п = 500 об/мин, 8=0,3 мм/об, / =1 мм, ф=90°, у= 1=0°; б - п = 500 об/мин, 8=0,07мм/об, / =1 мм, ф=90°, у= 1=0°; в - свободное резание, п = 315 об/мин, 8=0,05 мм/об, / =1 мм, у= 1=0°; г - п = 500 об/мин, 8=0,195 мм/об, * =4 мм, ф=90°, у= 1=0°
После врезания инструмента в заготовку стружка в результате контакта с поверхностью резания сворачивается в плоскую спираль (рис. 3, в, г), а затем при достижении определенных размеров за счет динамических колебаний происходит смена зоны контакта, что приводит к формированию винтовой спирали. Величина полученного шага определяется геометрически положением точки контакта стружки с препятствиями. При этом направление первоначального схода стружки по передней поверхности меняется незначительно (0°-3°) по отношению к У£. (см. рис. 2).
В условиях чистового точения инструмент работает участком радиуса при вершине режущей кромки (см. рис. 2, б), оказывающим значительное влияние на формирование стружки [1]. Попытки учета формы режущей кромки приводят к необходимости представления срезаемого слоя в виде отдельных участков слоев, каждый из которых также должен сходить перпендикулярно режущей кромке (рис. 4).
Рис. 4. Силы, действующие на режущую кромку сложной формы
В сумме как единое целое стружка будет сходить в направлении вектора ш^У^, определение которого является достаточно сложным.
Задачу определения направления схода стружки для такого случая можно упростить, представив его условно как движение центра тяжести срезаемого слоя по нормали касательной к режущей кромке на данном участке [1]. В этом случае суммарный вектор скорости может строиться для укрупненных элементов, таких, как параллелограмм и участок, ограниченный двумя дугами окружности (рис. 5).
На рис. 5 сила Р; эквивалентна площади данного элемента срезаемого слоя 8;. Углы схода р1 и р2 для каждого участка определяются как углы между направлением подачи и линиями, проходящими через центры тяжести фигур перпендикулярно к режущей кромке. Массы ш1 и ш2 указанных участков пропорциональны их площадям Б1 и Б2, а скорости - окружным скоростям движения центров тяжести данных участков. Вектор суммарного направления движения стружки У^ можно также представить как сумму
векторов количества движения: invVv=mi V|+in2V2.
Рис. 5. Схема для определения направления схода стружки при сложной форме сечения срезаемого слоя
Это позволяет рассчитать суммарный угол схода стружки по зависимости
tgbs = miVisin bi + m2V2 sin b2 = R1Sisin fo + R2S2 sin b2
m\V 1cos fti + m2V2cos ft 2 R1S 1cos fti + R2 S 2cos ft 2
В случае малого расхождения радиусов R1 ~ R2,
tgb = S 1sin b1 + S 2 sin b 2
S S 1cos b1 + S 2cos b 2
Указанные выше положения характерны для плоской передней поверхности с передним углом у = 0° и режущей кромки с углом наклона X = =0°. При использовании расширенных геометрических параметров X и у, образующихся при установке СМП с а = 0° (категория N), происходит изменение направления V в связи с проявлением эффекта косоугольного резания [4].
Учитывая, что в настоящее время режущие инструменты комплектуются СМП в большинстве случаев без задних углов, данные геометрические параметры формируются за счет разворота СМП при установке, что требует дополнительного исследования влияния углов X и у на направление схода стружки.
Список литературы
1. Хлудов С.Я. Теория проектирования сменных многогранных пластин с рациональной геометрией для чистового точения с дроблением
122
стружки. 2007. 487 с.
2.Михайлов С. В. Развитие теории формообразования и дробления стружки с целью повышения эффективности механической обработки пластичных материалов. Кострома, 2006.
3.Армарего И.Дж.А., Браун Р.Х. Обработка металлов резанием/ пер.с.англ. В.А. Пастунова. М.: Машиностроение, 1977.
4.Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975. 344 с.
Ушаков Михаил Витальевич, д-р техн. наук, проф., helena8@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Иванов Валерий Васильевич, д-р техн. наук, проф., helena8@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Павлова Елена Валерьевна, вед. инженер, helena8@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DEFINITION OF THE CHIP FLOW DIRECTION ON THE RAKE FACE
OF THE TOOL
M. V. Ushakov, V. V. Ivanov, E. V. Pavlova
The choice of a way of definition of the chip flow direction on the rake face of the tool is reasonable when cutting by the tool with various form of a cutting edge. The formula for determination of size of a corner of a chip flow direction at a difficult form of cutting edge is offered.
Key words: cutting, cutting tool, chip, cutting edge.
Ivanov Valeriy Vasilevich, doctor of technical sciences, professor, helena8@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Ushakov Mihail Vitalevich, doctor of technical sciences, professor, hele-na8 a niail.ni. Russia, Tula, Tula State University,
Pavlova Elena Valerevna, engineer, helena8a mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
