CC BY
9
УДК 621.919.2
АНАЛИЗ ОГРАНИЧЕНИЙ НА ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРИ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОТЯЖНОГО
ИНСТРУМЕНТА Евсеев Евгений Юрьевич, аспирант (e-mail: zhenja-evseev@mail.ru) Кочергин Виталий Сергеевич, аспирант Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия
(e-mail: Koshergin@mail.ru)
В статье представлен анализ ограничений на конструктивные параметры при оптимизации протяжного инструмента, выполненный по результатам опубликованных результатов исследований отечественных научных школ.
Ключевые слова: протягивание, удельная сила резания, шаг зуба, подъем на зуб, передний угол.
Как следует из анализа работ [1, 2, 4, 6-8, 10-15], основными конструктивными параметрами, определяющими эффективность протяжного инструмента в целом, являются параметры его режущей части: подъем на зуб Sz или секцию ; шаг t , глубина и профиль стружечной канавки; высота зуба h0 ; длина режущей части: число зубьев в секции Zc при использовании групповой схемы съема припуска; число одновременно участвующих в резании зубьев; длина рабочей части.
Параметры Sz , t и h0 - взаимосвязаны. Уменьшить длину режущей части протяжки, а, следовательно, снизить ее стоимость и повысить производительность операции протягивания, можно за счет комплексного подбора параметров Sz , t и h0.
Так уменьшение шага протяжки приводит к уменьшению длины режущей части протяжки, в результате чего для заданной длины детали увеличивается число одновременно работающих зубьев и, следовательно, улучшение равномерности протягивания (плавности работы инструмента), что положительно влияет на качество обработанной поверхности. Однако, при этом возможно существенное осложнение с размещением стружки в стружечной канавке. Кроме того, увеличение числа одновременно работающих зубьев приводит к увеличению усилия протягивания, что может привести к проблемам с прочностью инструмента.
Увеличенный шаг уменьшает число одновременно работающих зубьев, что может привести к недостаточной устойчивости детали, базируемой на зубьях протяжки, и к снижению равномерности протягивания.
Как следует из рекомендаций [3, 5, 9, 15] , устойчивое базирование детали на зубьях протяжки обеспечивается при [Zmin] > 3, Максимальное число одновременно работающих зубьев не рекомендуется принимать более девяти.
Эти условия можно выразить следующими ограничениями - неравенствами:
11 / 1 > [7тт], (1)
12 / 1 < [7тах] , (2)
1 > 1тт, (3)
1 < 1тах. (4)
где 11 и 12 - соответственно, минимальная и максимальная длина заданного диапазона размеров протягиваемой поверхности: [2тт], [7тах] -допустимое, соответственно, минимальное и максимальное число одновременно работающих зубьев; 1тт, 1тах - допустимые, соответственно, минимальный и максимальный шаги режущих зубьев протяжки.
Минимальный и максимальный шаги режущих зубьев рекомендуется принимать согласно [3,5, 9], соответственно, в диапазоне от 4 до 32 мм .
Выбор величины подъема на режущий зуб протяжки имеет решающее значение для процесса протягивания. Чем больше величина подъема на зуб, тем короче будет режущая часть протяжки, меньше ее стоимость и выше производительность операции протягивания. Но вместе с тем, чрезмерно большая величина подъема на зуб приводит к увеличению осевой силы, приходящейся на мм длины режущей кромки.
Согласно [3, 5, 6, 15], минимальные значения подъема на зуб находятся в диапазоне от 0,004 до 0,025 мм. Однако, как следует из анализа [12, 13], при обработке легированных сталей с твердостью НВ 216...302 протяжками из быстрорежущей стали Р6М5 при величине подъема на режущий зуб до 0,08 мм удельные контактные нагрузки, возникающие на передней поверхности режущих, переходных и чистовых зубьев, превышают допустимые для инструментального материала рабочей части. Поэтому, минимальное значения величины подъема на зуб (Бтт) должно быть таким, чтобы удельные контактные нагрузки на передней поверхности режущих, переходных и чистовых зубьев протяжек не превышали допустимые для материала рабочей части протяжек, в противном случае возможен повышенный износ протяжки и будет затруднено ее изготовление.
Максимальные значения величины подъема на зуб (Бтах) следует ограничивать прочностью инструмента, объемом стружечной канавки, который должен быть достаточным для размещения стружки, лимитирующим усилием резания.
Объем стружечной канавки, достаточный для размещения стружки при Бтах для наибольшей длины протягивания 12, определяется из неравенства:
Бтах < л*И02 / 4*12 *Ктт , (5)
где Кт т ~ заданный минимально допустимый коэффициент заполнения стружечной канавки.
Объем стружечной канавки возрастает с увеличением шага и номера профиля. Однако, чрезмерно глубокая стружечная канавка уменьшает площадь поперечного сечения тела протяжки. Это снижает прочность и
жесткость протяжного инструмента, что особенно важно при изготовлении протяжек небольшого диаметра. Для обеспечения достаточной жесткости протяжек, имеющих диаметр сечения по дну стружечной канавки меньше 40 мм, глубина стружечной канавки определяется из условия [7]:
И0 = (0.2...0.23)Б0 (6)
где Б0 - диаметр отверстия под протягивание, мм.
Меньшее значение коэффициента в зависимости (6) принимают для В0 <20 мм. При этом целесообразная форма стружечной канавки, которая не должна препятствовать свободному образованию и перемещению стружки при завивании ее в виток, обеспечивается определенным соотношением высоты и шага зубьев, определяемой номером профиля стружечной канавки [5], который предусматривает для каждого шага режущих зубьев в диапазоне от 4,5 до 32 мм три вариантов глубины профиля стружечной канавки.
Наибольший подъем на черновые зубья согласно рекомендациям [5] для изделий из стали при перетачивании протяжек по передней поверхности и работе с охлаждением следует выбирать: для первой и второй групп обрабатываемости из диапазона 0.03.0.4 мм; для третьей группы обрабатываемости из диапазона 0.03.0.20 мм; для четвертой группы обрабатываемости из диапазона 0.03.0.14 мм; для пятой группы обрабатываемости из диапазона 0.03.0.10 мм.
Согласно рекомендациям [5], наибольший подъем на черновые зубья для изделий из стали при перетачивании протяжек по передней поверхности и работе с охлаждением для первой, второй, третьей и четвертой групп обрабатываемости полностью соответствует рекомендациям [3], а для пятой группы обрабатываемости диапазон рекомендуемых максимальных подач уменьшен более чем в два раза - до 0.03.0.05 мм.
В работе [7] так же отмечено, что зубья протяжек, работающих по генераторной схеме, не имеют деления на черновые и чистовые. Следовательно принцип "равной стойкости", используемый при проектировании протяжек с черновыми, переходными и чистовыми зубьями, к ним не применим. Наработка протяжек в этом случае определяется с учетом скорости резания, подъема зубьев последней ступени и поправочных коэффициентов.
Для изменяющихся условий протягивания в работах [5,9] приведены шесть поправочных коэффициентов на наибольший подъем на черновые зубья: К1- в зависимости от вида и группы качества протягиваемой поверхности (для гранных отверстий изменяется в диапазоне от 0,7 для первой группы качества до 2-х для четвертой группы качества); К2 - в зависимости от используемой схемы резания (1 - при переменной, 0,5- профильной); К3 - в зависимости от вида заготовки и подготовки поверхности под протягивание (изменяется от 1для штамповки обработанной до 0,8 для штамповки необработанной); К4 - в зависимости от материала рабочей
части протяжки (от 1,3 для стали Р9К10 до 0,5 для стали ХВГ); К5 - в зависимости от доводки зубьев протяжки (1 - для доведенной, 0,75 - для не доведенной); К6 - в зависимости от вида СОТС изменяется от 0,8 до 1).
Как было показано выше, корректировать длину протяжки, в пределах возможного, можно только за счет изменения длины ее рабочей части. При заданном припуске на протягивание длина режущей части протяжки функционально зависит от подъема на зуб , шага зубьев, числа зубьев в группе. Они определяют, согласно [5], угол наклона © образующей конуса, на котором располагаются режущие кромки зубьев протяжки .
Чем больше угол наклона ©, тем короче будет режущая часть протяжки. Это условие выражается зависимостью, определяющей тангенс угла ©:
tg © = Б / ^с ^ тах - (7)
Выражение (7) является целевой функцией оптимизации, обеспечивающей наименьшую длину какой-либо группы зубьев (черновых, переходных, чистовых) режущей части протяжки.
Выражение (7) рекомендуется использовать в качестве целевой функции для сравнительной оценки вариантов конструкций протяжек с фиксированным числом зубьев в секции.
Для сравнительной оценки вариантов конструкций протяжек с произвольным числом зубьев в группе (секции) в качестве целевой функции следует рассматривать длину режущей части протяжки в явном виде:
1р = 1чр + 1п + 1чс, (8)
где 1чр, 1п, 1чс ~ соответственно, длина черновой, переходной и чистовой частей протяжки.
Список литературы
1. Горецкая, З.Д. Протягивание с большими подачами [Текст] / З.Д. Горецкая. М.: Машгиз, 1960. 204 с.
2. Гречишников, В. А. Автоматизированное проектирование и прогрессивные конструкции режущего инструмента [Текст] / В.А. Гречишников, С.В. Лукина // СТИН, 2000. № 9. С. 30-33
3. Единые нормативные материалы по расчету режимов резания и конструктивных элементов различных типов протяжного инструмента / [Текст]. М.: ВНИИТЭМР, 1986. 92 с.
4. Жигалко, Н.И. Протяжки для обработки поверхности большой длины [Текст] / Н.И. Жигалко, В.Д. Лемешонок, Н.И. Ковзель. Минск: Вышейшая школа, 1973. 130 с.
5. Локтев, А. Д. Справочник [Текст]: в 2т. Т. 2 Общемашиностроительные нормативы режимов резания / А. Д. Локтев [и др.]. М.: Машиностроение, 1991. с. 178-211.
6. Лукина, С.В. Совершенствование конструкции и условий эксплуатации протяжного инструмента на основе математического моделирования [Текст]: дис. канд. техн. наук / С.В. Лукина. М., 1995.
7. Маргулис, Д.К. Проектирование протяжек переменного резания по методу равной стойкости [Текст] / Д.К. Маргулис. М.: ПБТИ, 1961. 42 с.
8. Михеева, Л. А. Исследование стойкостных и силовых зависимостей процесса протягивания [Текст]: дис. канд. техн. наук / Л.А. Михеева. М., 1962.
9. Общемашиностроительные нормативы резания, износа и расхода круглых протяжек. Массовое ... единичное производства [Текст]. М.: НИИмаш, 1982. 65 с.
10. Пат. № 2263009 Российская федерация. Протяжка для обработки многогранных отверстий [Текст] / Селезнев Ю.Н. [и др.]
11. Пронкин, Н.Ф. Протягивание труднообрабатываемых материалов [Текст] / Н.Ф. Пронкин. М.: Машиностроение, 1978. 119 с.
12. Селезнев, Ю.Н. Совершенствование конструкций протяжек для шлицевых отверстий с целью интенсификации их эксплуатации и изготовления [Текст]: [посвящ. 90-летию со дня рождения В.Ф. Боброва] / Ю.Н. Селезнев // Труды Международной юбилейной научно-технической конференции «Наука о резании материалов в современных условиях». Ч. 1. Вып. 1. Инструментальные и метрологические системы. Известия Тул-ГУ. Тула: ТулГУ, 9-11 февраля 2005 г. С. 229-232. ISBN5-7679-0585-1.
13. Селезнев, Ю.Н. Эффективность работы протяжного инструмента с большими подачами [Текст]: [посвящ. 90-летию со дня рождения В.Ф. Боброва] / Ю.Н. Селезнев // Труды Международной юбилейной научно-технической конференции «Наука о резании материалов в современных условиях». Ч. 1. Вып. 1. Инструментальные и метрологические системы. Известия ТулГУ. ТулГУ, 9-11 февраля 2005 г. С. 237-241. ISBN5-7679-0585-1.
14. Семенченко, И.И. Проектирование металлорежущих инструментов [Текст] / И.И. Семенченко, В.Н. Матюшин, Г.Н. Сахаров; под ред. И.И. Семенченко. М.: Машгиз, 1962. с.215 -273.
15. Щеголев, В.А. Конструирование протяжек [Текст] / В.А. Щеголев. М.: Машгиз, I960. 352 с.
UDC 621.919.2
ANALYSIS OF LIMITATIONS ON THE MAIN CONSTRUCTIVE PARAMETERS AT THE OPTIMIZATION OF THE EXTENSIONAL TOOL
Evseev Evgeniy Yurievich, post-graduate Southwest State University, Kursk city, Russia
(e-mail: zhenja-evseev@mail.ru) Kochergin Vitaliy Sergeevich, post-graduate Southwest State University, Kursk city, Russia (e-mail: Koshergin@mail.ru)
The article presents an analysis of constraints on design parameters for the optimization of a broach tool, performed based on the results of published research results of Russian scientific schools.
Key words: pulling, specific cutting force, tooth pitch, lifting on tooth, front angle.
