CC BY
37
ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ
УДК 621.941.025.7
А.А. Пряжникова, асп., 8-910-151-75-20, [email protected]
(Россия, Тула, ТулГУ)
ЧИСТОВАЯ ТОКАРНАЯ ОБРАБОТКА ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС И ВАЛОВ РЕЗЦАМИ С СМП ФОРМЫ V
В статье рассматриваются экспериментальные исследования особенностей чистового точения в условиях ограниченного контакта инструмента со стружкой и заготовкой. Рассматривается возможность применения результатов исследования применительно к обработке посадочных отверстий зубчатого колеса и шевера, а также валов.
Ключевые слова: чистовая токарная обработка, твердосплавные сменные многогранные пластины, усадка стружки, плоская передняя поверхность, угол при вершине, зубчатое колесо.
Любой двигатель состоит из последовательных зубчатых передач. А от того, как точно выполнены венцы зубьев зависят точность зацепления зубьев, уровень шума двигателя во время работы и т.д. Однако, точность зубьев это не единственный параметр, влияющий на указанные характеристики работы двигателя. На уровень шума и другие параметры влияет также и биение, возникающее в соединении вал-шестерня. Поэтому немаловажным параметром, при изготовлении цилиндрических зубчатых колес, является качество поверхности посадочного отверстия, как зубчатого ко-
142
леса, так и зуборезного инструмента, например, шевера (рис. 1). Данное требование также касается и валов, на которые насаживаются инструмент и зубчатое колесо.
1 шедер
) Т/2 А
V N
) Ц Т/2 А
1 зу5чатое
колесо
Рис. 1. Схема обработки зубчатого колеса шевером
Теперь обратимся к вопросу, каким способом получить требуемое качество этих деталей. Одним из распространенных способов обработки деталей данного вида является чистовая токарная обработка. А эффективность чистовой обработки во многом определяется эксплуатационными показателями применяемых инструментов, такими как стойкость, допускаемая скорость резания, стружкодробящая способность, обеспечение заданной шероховатости обработки. В наибольшей мере этим показателям отвечают инструменты со сменными многогранными пластинами (СМП). В настоящее время различные производители, как российские, так и зарубежные, предлагают широкий ассортимент СМП. Применение СМП зарубежных производителей зачастую способствует повышению себестоимости производимой продукции в среднем на 15%. А существенным недостатком СМП российского производства является то, что при разработке геометрии передней поверхности она в большинстве случаев копируется с зарубежных аналогов. А создание новых конкурентоспособных СМП должно основываться не только на совершенствовании металлургических процессов их производства, но и геометрической конфигурации передней поверхности, от которой во многом зависит стружкодробящая способность инструмента, а также его износостойкость [3, 5]. Поэтому данная задача является весьма актуальной для отечественных производителей СМП и определяет цель проводимых исследований.
В данном случае совершенствование геометрической конфигурации рабочей части СМП предусматривает, во-первых, ограничение взаимного контакта инструмента со стружкой. При этом ограничение контакта инструмента со стружкой можно достигнуть путем уменьшения угла при вершине СМП. В такой ситуации естественная длина контакта стружки с передней поверхностью будет искусственно отсечена плоскостью вспомогательной задней поверхности (рис. 2, а), что реализует известный принцип укороченной передней поверхности, но в совершенно иной интерпретации.
Во-вторых, для повышения стабильности стружкодробления необходимо учитывать фрикционное взаимодействие витка стружки с задней поверхностью резца [1]. Это достигается за счет специальной конфигурации задней поверхности СМП (рис. 2, б), которая выполняет роль своеобразного «протектора», увеличивающего сцепление со стружкой.
С учетом выше изложенного, для достижения поставленной цели на основе предлагаемых технических решений необходимо решение следующих задач:
1. Установить связь между изнашиванием инструмента и величиной угла при вершине СМП с различной формой передней поверхности.
2. Оценить стружкодробящую способность СМП в условиях повышенного фрикционного взаимодействия стружки с задней поверхностью.
3. Определить влияние величины угла при вершине резца на толщину стружки в условиях чистового точения.
Рис. 2. Конфигурация рабочей части СМП: а - геометрия передней поверхности; б - геометрия задней поверхности
Эксперименты, проведенные при решении I задачи показали, что в случае применения СМП с плоской передней поверхностью и углов при
вершине в = 35° и 60 ° наблюдается меньшее значение площадки контакта
при в = 35°. Это видно из фотографий, приведенных на рисунке 3.
V
Рис. 3. Площадка контакта стружки с передней поверхностью (сталь 38Х2МЮА, форма СМП 2008-0153 по ТУ 48-19-307-80 (TPGN 160304) сплав Т5К10, V = 110 м/мин (п = 500 об/мин); t = 0,5 мм; S = 0,15 мм/об;
ф = 60°): а - г = 35°; б - г = 60°
Меньшие размеры контактной площадки способствуют меньшим значениям температуры и силы резания, что весьма важно при чистовой обработке. Проведенные эксперименты подтверждают это. Так, на рисунке 4 приведены результаты сравнения температуры резания по термо-ЭДС, полученные при точении стали 38Х2МЮА с t = 0,5 мм, £ = 0,15 мм/об,
V = 110 м/мин резцами с углами при вершине СМП в = 35° и 60°. Из них видно, что меньшее значение температуры резания соответствует резцам с
углом е = 35°. Поэтому такие резцы подвержены меньшему изнашиванию. Однако недостатком плоской передней поверхности является неудовлетворительная форма стружки. При наличии стружкозавивающих канавок на передней поверхности формируется более компактная стружка (рис. 5).
Однако в этом случае при угле в = 35° развивается большая температура резания, поскольку наличие канавки полностью локализует контакт в пределах узкой вершины, что сводит на нет преимущества плоской передней
поверхности. Следовательно, для резцов с в = 35° целесообразно рекомендовать плоскую переднюю поверхность в сочетании с уступом для формирования компактной стружки (рис. 2, а).
я --»
—■— £ = 60 a
-щ -4-Е = 35 a
Г4*
■15 30 45 00 75 90 105 120 t35 150 1S5 130 105 210 225 2-В 255 270 2S5 300 Бремя работы резца . ceii.
Рис. 4. График изменения термо-ЭДС в зависимости от времени работы резца
145
Рис. 5. Образование стружки при наличии на передней поверхности
стружкозавивающих канавок
При решении II задачи исследований было проведено компьютерное моделирование процесса стружкодробления, которое показало, что для повышения сцепления витка стружки с задней поверхностью следует отказаться от классической плоской задней поверхности, применяемой на стандартных токарных СМП. С этой целью на задней поверхности СМП формы 2008-0442 (ТУ 48-19-307-87) были нанесены рифления, перпендикулярные главной режущей кромке. Кроме того, путем заточки при вершине СМП был сформирован угол в = 35 °, соответствующий стандартной величине СМП формы V, а также заточен уступ с плоской передней поверхностью для реализации ее преимуществ при такой величине в. На рисунке 6 приведены диапазоны дробления стружки в координатах из которых просматривается превосходство геометрии рабочей части предлагаемой конструкции СМП над стандартной геометрией.
1, мм 1.5 1.0 0.5 0,3
Новая СМП на базе 2008-0422 (р=90°
г 1 V
^ V*. г\
сэ ^ ^ ^ ^ с^г ^
без рифлений С рифЛЕНиЯМи
Стандартная СМП 2008-0422 (Ш? 160304/ (р=90°
1, мм 1.5 10 0.5 0.3
5 мм/об
зона нестабильного стружкодробления зона стабильного стружкодробления
& ^ * ^ ^ ^ ^ ^
5 мм/об
Рис. 6. Зоны стружкодробления
Учитывая тесную взаимосвязь процессов и явлений, происходящих в зоне контакта инструмента с заготовкой, в рамках решения III задачи, было проведено сравнение толщины стружки, сформированной на вершинах с углами в = 35 ° и в = 60 °. При этом принимали во внимание следую-
146
щее. Известно [2], что уменьшение длины контакта стружки с передней поверхностью уменьшает значение коэффициента усадки стружки. В рассматриваемом случае об усадке стружке судили по ее толщине ас, измерение которой проводили с применением микрометра. Так, на рисунке 7 графически приведены результаты измерения толщины стружки ас, сформированной при обработке стали 38Х2МЮА при следующих режимах резания: подача ОД 5 мм/об, глубина резания / = 0,5 мм, скорость резания У= 110 м/мин, главный угол в плане ф = 90°.
2 0.5 £ 0.45
£ 0.4 Б 0.35 I 0.3 | 0.25 £ 0.2
\ ч 1 * Л * А г л 1 ► 4;
V4 * 1г 1 И * Л ■ < } м Г ч V 1*' V V
Л f1 t ' 1 ч 1 ы л ч' г И 2 ■ ■ • 1 »1 щ- 1 К
- е = 35 е -£= 60е
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59
Номер измерения
Рис. 7. Результаты измерения толщины стружки
В следствие случайного характера результатов испытаний и неизбежного разброса их значений, оценку этих результатов проводили по средним значениям (табл.).
Результаты расчета оценки существенности различия между двумя средними значениями
Наименование показателя 8 = 60° 8 = 35°
Объем выборок, п 60 60
Среднее арифметическое значение ас 0,382 0,431
Среднее стандартное отклонение 52 0,020 0,032
Оценка среднего квадратического отклонения 5 0,0004 0,0010
Вероятность значения величины Р 0,95
Расчетное значение критерия Стьюдента t 10,015
Табличное значение критерия Стьюдента ^ 2,04
То есть осуществляли проверку гипотезы о том, что средние различаются случайно. Эта проверка производится при помощи I критерия Стьюдента [4] по формуле
а
с2
1
+ ■
ГЦ 147
где ac и aC2 - средние арифметические значения толщин стружек, полученных при точении вершинами е = 60° и е = 35° соответственно; S2 и
S 2 - средние стандартные отклонения толщин стружек, полученных при точении вершинами е = 60° и е = 35° соответственно; щ и П2 - объем выборок толщин стружек, полученных при точении вершинами е = 60° и е = 35° соответственно.
Из таблицы видно, что расчетное значение критерия Стьюдента больше табличного. Следовательно, различие в значениях средней толщины стружки существенно.
Таким образом, подводя итог проведенных исследований, можно сказать следующее:
1. Ограничение взаимного контакта инструмента со стружкой за счет применения СМП формы V способствует меньшему прогреванию этой вершины инструмента.
2. Наличие рифлений на задней поверхности способствует расширению зоны стабильного стружкодробления.
3. Уменьшение площади контакта приводит к уменьшению усадки стружки и температуры резания, что положительно сказывается на повышении износостойкости инструментов.
Следовательно, проведенный комплекс исследований позволил обосновать конструктивные геометрические элементы рабочей части СМП для чистового точения. Они определяют ее улучшенное функционирование по сравнению с существующими аналогами для чистовой обработки посадочных отверстий зубчатых колес и зуборезного инструмента, а также валов.
Список литературы
1. Васин С.А., Иванов В.В. Стружкодробление при точении. Тула: ТулГУ, 2001. 151 с.
2. Зорев Н.Н. Исследование элементов механики процесса резания. М.: Машгиз, 1952. 363 с.
3. Иванов В.В., Пряжникова А.А. Перспективы применения режущих инструментов с СМП российского производства. // Технический науки: проблемы и перспективы: сб. статей Международной заочной научной конференции. С-Пб.: Молодой ученый, 2011. С. 134-137.
4. Кацев П.Г. Статистические методы исследования режущего инструмента. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1974. 231 с.
5. Пряжникова А.А., Сорокин Е.В. Замещение импорта инструментов с СМП при производстве машиностроительной продукции в условиях малого инновационного предпринимательства. // Ползуновский альманах.
Барнаул: Алтайский государственный технический ун-т им. И.И. Ползуно-ва, 2010. № 2. С. 292-296.
A.A. Pryazhnikova
FINISHING TURNING GEARS AND SHAFTS CUTTERS WITH REPLACEABLE INSERTS FORM V
The article deals with experimental studies of the finish turning in tight contact with the shaving tool and the workpiece. The possibility of application of research results in relation to the processing of landing gear holes and shaver and shafts.
Key words: fair turning, hard-alloy replaceable many-sided plates, shaving shrinkage, flat forward surface, corner at top, a cogwheel.
Получено 28.09.12
