CC BY
73
УДК 621.923
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ДЕМПФИРУЮЩИХ РЕЗЦОВ
Е.И. Яцун, В.В. Малыхин, С.Г. Новиков
Предложены конструкции демпфирующих резцов, обеспечивающие устойчивость процесса резания и высокое качество обработки. Проведены теоретические и экспериментальные исследования образцов режущего инструмента с определением микронеровностей обработанной поверхности.
Ключевые слова: резец, вибрации, устойчивость резания, державка, материалы с высоким демпфированием, качество поверхности.
Совершенствование конструкций резцов с целью снижения вибраций, возникающих в процессе резания, улучшения эксплуатационных характеристик резцов и повышения их стойкости, является актуальной задачей, так как существующие конструкции не удовлетворяют предъявляемым требованиям.
Исследования показывают, что на период стойкости режущего инструмента в значительной степени влияют вибрации при резании [1]. Основные характеристики вибраций, частота и амплитуда, зависящие от жесткости, массы и демпфирования технологической системы резания, также являются функциями режимов резания и свойств обрабатываемого материала.
На динамическое поведение инструмента при обработке резанием труднообрабатываемых материалов большое влияние оказывают возбуждаемые автоколебания инструмента.
Одним из способов решения данной проблемы при обработке деталей точением является совершенствование конструкций токарных резцов с целью стабилизации устойчивости процесса резания [1, 2]. В частности, разрабатываются и предлагаются конструкции демпфирующих резцов, имеющих элементы или вставку из материала с высоким демпфированием, размещенную в выборке державки [3].
Для построения вибрационной модели поведения режущей кромки инструмента при обработке труднообрабатываемых сплавов будем использовать линейную динамическую характеристику (1), представляющую собой зависимость силы резания от толщины срезаемого слоя:
F(t) = Kp - h(t), (1)
где Kp - эмпирический коэффициент, h(t) - толщина срезаемого слоя в произвольный момент времени t.
Рассмотрим вибрационную модель с линейной системой уравнений, основанной на линейной динамической характеристике силы резания.
287
При точении инструментом с большим вылетом наименее жестким элементом в технологической системе является державка. Поэтому при расчете колебаний системы можно ограничиться только рассмотрением вибраций державки.
Теоретический анализ влияния вибраций на процесс резания демпфирующим резцом выполнен с помощью математической модели.
Исходя из схемы установки упругих элементов на резце, получаем шесть независимых уравнений раздельных собственных колебаний:
(аи-5^=0;
(«22-8)^=0;
(«33-6^=0;
(#44 - 5р2 )срх = 0; («55-§Ру)фу=0' (а66-5р2}р2=0.
где а - коэффициент; р = т ; ^ (р^, ф2 - наибольшие амплитудные
значения перемещений центра масс резца в направлении осей координат и
(2)
2-1*,
гп'
его угловых перемещении относительно осей координат; рг =
2 I у/ 2 1-/
= /т'' Р- = 7т ~ квадРаты радиусов моментов инерции.
Если перемещения вдоль осей координат и крутильные ко-
лебания фЛ., фу ф. вокруг осей координат не равны нулю, и принимая во
внимание, что = т2 то, подставляя коэффициенты а с одинаковыми индексами в уравнения, получим:
Рх = ^г®2; мх = трд-фтсо2, Ру=^уСО2; Му = тр2фусо2,
Р. =£,:со2; М- = тр2ф2со2,
(3)
где Рх, Ру> Р?, Мх, Му, М2 - наибольшие амплитудные значения упругих сил и их моментов; со - круговая частота; т - масса резца.
Частоты собственных поступательных колебаний системы вдоль осей координат Ог 02 соответственно:
С01 ~
1 п
т
7=1
1
1 "
т
IV ■
со3=.
7=1
1 "
-Т'Ч;-
тг=1
(4)
Собственные частоты вращательных крутильных колебаний относительно осей Ох, Оу, О2 определим из условий:
Щ =7" J-1 (V? +
P.r VW1=1
со5
m
i=l
co6 =
P2 V
wl=l
(5)
где ktx, kjy, kiz - упругие жесткости /-го элемента в направлении осей Ох, Оу, Oz.
Коэффициенты жесткости виброгасителей по осям координат Ох, Оу, 02 определим из уравнений:
n n и
^кк=пкх; Xkiy=nky; Zkiz=rlkz- (6)
7=1 7=1 7=1
Подставляя значения х* z,- и жесткости из уравнения (6) в уравнения (4) и (5), определим частоты линейных и крутильных колебаний:
а>!=.
со4 =
m V m
v -1
-с ; со3=.
Ш
/7 И*
У -1.
—с
W
ю5 =
/7 flfcy _1
Р„ V m
(7)
Частота собственных колебаний, Гц: и = —, 1 = 1,2,3...6.
2л
Частота вынужденных колебаний, с'1: О ■
Частота возбуждения, Гц; Т7 = — = —.
2тг 60
Коэффициент передачи вибрационных сил (ц) равен отношению передаваемых на резец силы (Р) к возбуждаемой силе (Ру): \х=Р/Ру.
Коэффициент передачи вибрационной нагрузки можно выразить исходя из коэффициента \|/ гашения колебаний виброгасителем:
1
1 + 4!'
V
1-
2 &
ÎQ
СО
со
Наибольшая эффективность виброизоляции наблюдается в том случае, когда отношение собственной частоты со меньше частоты возбуждения О в два раза. Чем больше отношение П/со, тем больше эффект виброизоляции и гашения вибраций. При твердости инструментального материя-
ла по Шору 35...75 коэффициент гашения вибраций и виброизоляции у=0,15...0,25. При передаче вибраций на резец эффект виброизоляции от инструментального материала находится за резонансной областью и составляет от 30 до 70 % по сравнению с обычным резцом без демпфирующего элемента.
Анализ существующих конструкций демпфирующих резцов [2, 3] показал, что главным недостатком являются их низкие эксплуатационные характеристики, обусловленные тем, что жесткость вставки из материала с высоким демпфированием, размещенной в выборке державки, неизменна при любых параметрах технологического процесса и при обработке любых конструкционных материалов невозможно регулирование жесткости резцов, поэтому каждый раз необходим подбор материала с высоким демпфированием требуемой жесткости и размещение его в выборке державки.
Нами предложено несколько новых конструкций демпфирующих резцов, качественно улучшающих процессы обработки материалов [6, 7]. На рис. 1 представлена схема резца с управляемой жесткостью.
12 3 1 5 7 6
II Ш и
Рис. 1. Схема резца с управляемой жесткостью
Режущая пластина 1 закреплена узлом её крепления 2 в державке 3, имеющей выборку, выполненную равномерно по периметру конца державки 3 на длине Ь от её торца до выступающей части с режущей пластиной 1.
Конец державки 3 с выборкой размещён в выполненном в виде прямоугольного параллелепипеда металлическом стакане 4 с одинаковыми зазорами по его основанию и стенкам, при этом державка 3 установлена без возможности контактирования со стаканом 4. Конец державки 3 с вы-
290
боркой предварительно расположен в замкнутой эластичной оболочке 5 из вулканизированного материала, изготовленной в форме прямоугольного параллелепипеда с сообщающимися полыми боковыми стенками и днищем, внутренние размеры параллелепипеда и его высота от внутренней стенки днища равны размерам конца державки 3 с выборкой и её длине Ь, а во внешней стенке днища жёстко зафиксирован цилиндрический штуцер 6. Замкнутая эластичная оболочка стакана 5 с державкой 3 свободно установлена в стакане 4, имеющем в дне сквозное отверстие 7 диаметром d2, большим диаметра dl штуцера 6.
Через штуцер 6, пропущенный соосно с отверстием 7 дна стакана 4, закачан сжатый воздух в днище и стенки замкнутой эластичной оболочки 5 до заполнения ею зазоров между стаканом 4 и создания необходимого избыточного давления для образования единой механической системы державка 3 - оболочка 5 с закачанным сжатым воздухом - стакан 4, с возможностью дистанционного бесступенчатого управления жёсткостью резца за счёт изменения давления сжатого воздуха в замкнутой эластичной оболочке 5 [6]. Бесступенчатое дистанционное регулирование жёсткости резца за счёт изменения давления сжатого воздуха в замкнутой эластичной оболочке стакана 5 можно осуществлять и непосредственно в процессе механической обработки материалов, это создаёт возможность смещения собственных частот колебаний инструмента и вынуждающей силы резания в широких диапазонах, позволяет избежать нежелательного резонанса. Второе решение по устранению недостатков представлено на рис. 2.
Рис. 2. Демпфирующий резец с регулируемой жесткостью
Отличие от приведенного выше резца состоит в том, что державка 3 имеет выборку, выполненную с образованием цилиндрической поверхности Б державки 3 на длине Ь от торца до выступающей рабочей части резца с режущей пластиной 1.
Стакан 4 с державкой 3 по всей его высоте свободно с зазорами установлен в цилиндрическом металлическом контейнере 6, с диаметрально противоположных сторон. С внешней поверхности контейнера 6 располо-
291
жены две параллельные лыски 8. Принцип функционирования приведенных резцов одинаков. Рассмотрим их работу на примере второй конструкции (см. рис. 2).
В зависимости от обрабатываемого материала и технологических режимов его обработки по произведенной тарировке жесткость-давление регулируют жесткость резца за счет дополнительного закачивания через штуцер 5 воздуха в замкнутую эластичную оболочку стакана 4 или сбрасывания его из оболочки, причем металлические поверхности державки 3 и штуцера 5 в процессе обработки не контактируют с контейнером 6, так как цилиндрический конец державки 3 установлен встакане 4 с закачанным воздухом, а диаметр ^ штуцера 5 меньше диаметра ^ сквозного отверстия 7 дна контейнера 6. Следовательно, днищем и стенкамистакана 4 осуществляется высокоэффективное демпфирование соответственно продольных и поперечных вибраций и ударных нагрузок, возникающих в процессе резания, за счет виброизоляции режущей пластины 1 и узла ее крепления 2 в державке 3 от резцедержателя, тем самым обеспечивается надежность устойчивого процесса резания и повышение стойкости резца при обработке изделий в любых токарных и строгальных технологических операциях.
Дистанционное бесступенчатое регулирование жесткости резца за счет изменения давления сжатого воздуха в замкнутой эластичной оболочке стакана 4 возможно и непосредственно в процессе механической обработки материалов, что создает возможность смещения частот собственных колебаний инструмента и вынуждающей силы резания в широких диапазонах и приводит к увеличению стойкости резца и улучшению его эксплуатационных характеристик.
Подачу сжатого воздуха в замкнутую эластичную оболочку стакана 4 до создания необходимого давления и сбрасывание давления воздуха из полых стенок и днища стакана 4 осуществляют через штуцер 5, например, при помощи трехпозиционного крана, установленного на воздуховоде от средства подачи сжатого воздуха, например, компрессора. Первая позиция крана связывает средство подачи сжатого воздуха с замкнутой эластичной оболочкой стакана 4. Второе положение крана перекрывает подачу воздуха в оболочку стакана 4. Третья позиция - связывает оболочку с атмосферой (компрессор и трехпозиционный кран не показаны).
Замену режущей пластины 1 возможно производить без сбрасывания давления воздуха в полых стенках и днище стакана 4.
При необходимости демонтирования резца сбрасывают давление в замкнутой эластичной оболочке стакана 4 до величины давления атмосферы и ранее существовавшая механическая система «державка 3 - стакан 4 - контейнер 6» распадается на отдельные составляющие ее части.
292
Разработанная конструкция резца позволяет:
1. Улучшить эксплуатационные характеристики резца за счёт бесступенчатого дистанционного регулирования его жёсткости изменением давления в замкнутой эластичной оболочке стакана.
2. Снизить трудоёмкость и затраты времени на подготовку резца к работе и демонтаж, так как выдерживание одинаковых зазоров между металлическим стаканом и концом державки с выборкой происходит самоцентрированием конца державки, предварительно расположенного в замкнутой эластичной оболочке из вулканизированного материала, за счёт создания в ней избыточного давления, а демонтирование резца осуществляют сбрасыванием давления в замкнутой эластичной оболочки до величины атмосферного, после чего существовавшая механическая система державка-оболочка с закачанным сжатым воздухом - стакан распадается на отдельные составляющие части.
3. Повысить стойкость резца, так как днищем и стенками стакана с закачанным в него воздухом производится высокоэффективное демпфирование продольных и поперечных вибраций, ударных нагрузок в результате виброизоляции режущей пластины с узлом её крепления в державке от резцедержателя [4, 7].
В условиях АО «Авиаавтоматика им. В.В. Тарасова» (г. Курск) были изготовлены опытные образцы резцов и проведены испытания стандартной и модифицированных конструкций при различных режимах обработки, определены параметры шероховатости обработанной поверхности и установлены значения собственных частот колебаний токарного резца.
Экспериментальные данные для построения вибрационной модели поведения режущей кромки инструмента получены на диагностическом стенде (рис. 3).
Рис. 3. Стенд по определению собственных частот и амплитуд колебаний токарных резцов
Стенд обеспечивает автоматизированный прием информации о динамических и вибрационных процессах при резании в реальном масштабе времени и обработку этой информации с целью определения физических критериев, характеризующих состояние технологической операции.
293
Проверка работоспособности комплекса проведена путем точения вала из стали 40Х стандартным и демпфирующим резцом с пластиной из твердого сплава. Диапазон параметров режимов резания V = 20...90 м/мин; 5 = 0,05 .0,15 мм/об; г = 0,05... 0,25 мм.
Для количественной оценки вибрации рассматривались следующие ее параметры: двойная амплитуда (размах колебаний), виброускорение (виброперемещение), которое применяется при виброакустической диагностике и измеряется при наличии широкополосной вибрации, в диапазоне 100...10000 Гц.
На рис. 4 представлены значения уровня вибрации в кодах АЦП. Как видно из рисунка амплитуда колебаний демпфирующего резца меньше стандартного на 15.20%. Похожий результат получается и при измерении виброускорений.
а
б
Рис. 4. Амплитуда вибраций при V = 70 м/мин, S = 0,1 мм/об, * = 0,5 мм: а — стандартного резца; б — модифицированного резца
По данным испытаний были построены графики зависимостей виброускорения и шероховатости обработанной поверхности (Яа) от режимов резания.
На основании выполненного исследования можно сделать следующие выводы:
при точении демпфирующим резцом наблюдается улучшение качества обработанной поверхности и уменьшение ее шероховатости Яа на 20...40%;
показатели вибрации в кодах АЦП, виброускорение при испытаниях новой конструкции резца снизились в среднем на 30% по отношению к стандартному резцу.
Таким образом, предлагаемые демпфирующие резцы позволяют достичь технического результата по повышению надежности устойчивого процесса резания и качества обработки за счет погашения вибраций и ударных нагрузок, возникающих в процессе резания. Простота конструкций и технологий изготовления новых демпфирующих резцов, результаты теоретических исследований и промышленных испытаний позволяют рекомендовать внедрять их в производство.
Список литературы
1. Новиков Н.В. Влияние демпфирования режущих пластин из поликристаллов КН5 на стойкость резцов / Новиков Н.В., Л.Н. Левин, А. А. Осадчий, А.Г. Сулима, Н.Н. Деркач // В1СНИК Нащонального техшческого ушверситету Украши «Кшвський пол^ехшчний шститут». Сер1я Машиноборудования. 2010. №58. С. 229-233.
2. Резец для чистовой обработки: а.с. 1620212 СССР: МКИ В23В27 /00/ В. А. Рогов, Г.Г. Позняк, И.Г. Солодков, Л.Г. Терминасова (СССР). №4609025/08; заявл. 28.11.88; опубл. 15.01.91. Бюл. №2. 5 с.
3. Резец: пат. 2009768 Рос. Федерация: МПК5 В23В27/00/; В. А. Рогов; заявитель патентообладатель Российский университет дружбы народов. №5014352/08; заявл. 02.12.91; опубл. 30.03.94. 3 с.
4. Малыхин В.В., Яцун Е.И., Новиков С.Г. Повышение эксплуатационных характеристик демпфирующих резцов // Известия ЮЗГУ. №2.Серия Техника и технологии. Курск, 2012. С. 43-46.
5. Демпфирующий резец: пат. 2457077 Рос. Федерация: МПК В23В27/00/; С.Г. Новиков, В.В. Малыхин, Е.И. Яцун, Н.В. Домарев, А.Е. Чижов и др.; заявитель патентообладатель ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ). №2011106621/02; заявл. 22.02.2011; опубл. 27.07.2012. Бюл. №21. 7 с.
6. Демпфирующий резец с управляемой жесткостью: пат. 2535196 Рос. Федерация: МПК В23В27/00/ С.Г. Новиков, В.В. Малыхин, Е.И. Яцун, Н.В. Домарев, А.Е. Чижов, Ф.В. Новиков [и др.]; заявитель патентообладатель ФБОУ ВПО «Юго-западный государственный университет» (ЮЗГУ). №2013113649/02; заявл. 26.03.2013; опубл. 10.10.2014. Бюл. №28. 10 с.
295
7. Демпфирующий резец с регулируемой жесткостью: пат. 2479385 Рос. Федерация: МПК В23В27/00 / С.Г. Новиков, В.В. Малыхин, Е.И. Яцун, Е.А. Кудряшов, Н.В. Домарев; заявитель патентообладатель ФБОУ ВПО «Юго-западный государственный университет» (ЮЗГУ). №2011141683/02; заявл. 13.10.2011; опубл. 20.04.2013. Бюл. №11. 8 с.
Яцун Елена Ивановна, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, el. yatsunagmail. com, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Малыхин Виталий Викторович, канд. техн. наук, доц., malykhin1946@,mail.ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Новиков Сергей Георгиевич, канд. техн. наук, доц., novikov1950sergey@yandex.ru, Россия, Институт социального образования (филиал) Российского государственного социального университета
DEVELOPMENT AND RESEARCH OF STRUCTURES DAMPING CUTTERS E.I. Yatsun, V.V. Malykhin, S.G. Novikov
The proposed design of the damping cutters to ensure the stability of the process of cutting and high machining quality. Theoretical and experimental studies of samples of the cutting tool with the definition of microroughnesses of the processed surface.
Key words: cutter, vibration resistance of the cutting tool, materials with high damping Kim, surface quality.
Yatsun Helena Ivanovna, candidate of technical science, docent, head. the department, el.yatsun@gmail. com, Russia, Kursk, Southwest State University,
Vitaly Malykhin Viktorovuch, candidate of technical science, docent, malyk-hin1946@,mail.ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Novikov Sergey Georgievich, candidate of technical science, docent, novi-kov1950serge ya, yandex. ru, Russia, Institute of social education (Philial), Russian State Social University
