CC BY
46
УДК 621.923
ДЕМПФИРУЮЩИЕ РЕЗЦЫ ПОСТОЯННОЙ ЖЕСТКОСТИ И УПРУГОЙ СВЯЗЬЮ С СИСТЕМОЙ «СТАНОК - ИНСТРУМЕНТ - ДЕТАЛЬ»
С.Г. Емельянов, В.В. Малыхин, Е.И. Яцун, С.Г. Новиков
Представлена линейка демпфирующих резцов, позволяющих повысить устойчивость и качество процесса резания материалов. Рассмотрено взаимодействие элементов системы «станок - приспособление - инструмент - деталь». Показаны причины возникновения колебаний и классификация по диапазону частот, а также возможные способы их уменьшения или устранения. Предлагается негативное влияние вибраций (колебаний) на качество механической обработки устранять изменением конструкции инструмента. Приведена разработанная линейка демпфирующих резцов с упругой демпфирующей вставкой в державку или с державкой в упругой вставке. Особенностью конструкции представленных резцов является виброизоляция их рабочей части через демпфирующие элементы от станка.
Ключевые слова: демпфирующий резец, токарная обработка, конструкция, устойчивость резания, качество обработки.
В процессах формообразования резанием технологическая система «станок-приспособление-инструмент-деталь» испытывает переменные воздействия от колебания режимов резания, силы резания, дисбаланса вращающихся деталей, колебания сил трения, что приводит к появлению вибраций всей технологической системы. Если она в рассматриваемом промежутке времени находится в равновесии или её состояние изменяется не в сторону увеличения колебаний, то такая система считается устойчивой. В противном случае, то есть при увеличении колебаний, система неустойчива. В режущем инструменте в процессе резания также появляются вибрации, которые ухудшают точность и качество обработки. Частота колебаний или вибраций технологической системы зависит от её жесткости] и величины радиальной составляющей силы резания - Ру.
Возникающие колебания могут быть низкочастотными (10-100 Гц) и высокочастотными (1,5 до 4, 5 кГц). Низкочастотные вибрации возникают, когда колебания получает металлорежущий станок [1]. Высокочастотные колебания возникают, когда вибрирует инструмент, в случае его малой жесткости, что приводит к увеличению шероховатости и уменьшению точности обработки. Следовательно, от тех и других вибраций следует избавляться или их минимизировать.
Одним из основных элементов определяющих производительность и качество обработки, является инструмент, а придание ему свойств, улучшающих выходные характеристики процессов формообразования, еще более повышает его значимость. Перспективным направлением повышения эффективности обработки является применение виброгасящего инструмента с демпфирующими свойствами.
К числу наиболее широко применяемых технологических операций в машиностроении относится токарная обработка. В настоящее время существует множество токарных резцов, в которых используются элементы для демпфирования или гашения вибраций при резании. Вибрации, возникающие при токарной обработке металлов, приводят к преждевременному износу инструмента, к нарушению правильной работы станка, к увеличению шероховатости обработанной поверхности и волнистости - образованию на ней волн с большим шагом [1].
Основными недостатками существующих конструкций демпфирующих резцов является то, что в большинстве своем они имеют жесткую связь со станком, это малоэффективно снижает колебания в процессе резания. Кроме того, многие демпфирующие резцы имеют очень сложные конструкции, а работоспособность некоторых вообще вызывает большие сомнения. Требуются новые разработки и модификации токарного инструмента для снижения вибраций при обработке, повышения качества поверхностей деталей и обеспечения устойчивости резания.
Нами разработана линейка демпфирующих резцов с упругой демпфирующей вставкой в державку или с державкой в упругой вставке.
Резцы с упругой демпфирующей вставкой в державку представлены на рис. 1 и 2.
1 2 Б 3 4 5 6
Рис. 1. Резец с демпфирующей вставкой в державку
В процессе эксплуатации резца (рис. 1) вставка 5 из материала с высоким демпфированием воздействует на оправку 3 восстанавливающей силой ¥в, силой сопротивления ¥с и моментом сопротивления Мс, причем силы ¥в и ¥с вставки 5 направлены по одной прямой в противоположную
23
сторону от силы резания р', а момент сопротивления Мс противоположен изгибающему моменту Ми. Восстанавливающая сила пропорциональна величине линейного перемещения оправки 3, ¥е = с А, где с - жесткость вставки; А - величина линейного перемещения оправки, а момент сопротивления Мс = с-ф, где с' - жесткость вставки при кручении; ф - угол поворота державки. Вставка 5 выполнена из материала с высоким демпфированием, поэтому ее сила сопротивления пропорциональна второй или высшей степени линейной скорости перемещения оправки 3, т.е. Мс =ц- V2, где т - коэффициент сопротивления; V - скорость перемещения оправки.
Рис. 2. Резец с демпфирующей вставкой в державку с регулировочным винтом: а - общий вид резца при его монтаже; б - установочно-регулировочный винт; в - общий вид резца после завершения монтажа демпфирующей вставки
Державка 6 испытывает действующие усилия, равные разностям силы резания и суммы сил восстанавливающей и сопротивления, а также изгибающего момента и момента сопротивления материала вставки 5. Подбирая жесткость материала с высоким демпфированием вставки 5, можно минимизировать внешние воздействия на державку 6 и, следовательно, изгибы выступающего конца державки 6 без дополнительных кон-
1 2 Б 3 4 3
8 6
6)
структивных разработок, так как выборка в державке занимает незначительный объем и при низких внешних нагрузках практически не снижает жесткость и прочность державки.
Таким образом, демпфирующий резец позволяет достичь технического результата по повышению качества обработки и надежности устойчивого процесса резания, а также по упрощению конструкции резца и снижению его материалоемкости [2 - 4].
При изготовлении и испытании экспериментального образца универсального демпфирующего резца выявлено, что недостатком является большая трудоемкость монтажа резца, связанная со сложностью размещения оправки в тонкостенном контейнере с равномерными зазорами по его основанию и стенкам, заполнения зазоров материалом с высоким демпфированием, а также с неподвижным закреплением контейнера в выборке. С целью снижения трудоемкости монтажа резца разработана более совершенная конструкция (см. рис. 2).
Подготовку универсального демпфирующего резца к работе производят в следующей последовательности. Режущую пластину 1 узлом ее крепления 2 жестко фиксируют на верхней поверхности Б металлической оправки 3, изготовленной в виде прямоугольного параллелепипеда. В резьбовое отверстие 8 нижнего основания оправки 3 торцевым ключом, расположенным в центральном отверстии цилиндрической втулки 9, ввинчивают ее заподлицо (поверхность нижнего основания оправки 3 и торцевая втулки 9 составляют одну плоскость).
В сквозном резьбовом отверстии 6 прямоугольного основания выборки размещают трехступенчатый установочно-регулировочный винт 7, состоящий из последовательно расположенных резьбовой, цилиндрической и третьей ступени в виде прямоугольного параллелепипеда с основанием в форме многоугольника, которым может быть любая фигура, например, квадрат.
Диаметр й цилиндрической ступени и размеры основания третьей ступени меньше диаметра сквозного резьбового отверстия 8. Длина / цилиндрической ступени установочно-регулировочного винта 7 должна выступать над прямоугольным основанием выборки державки 5 на величину, равную толщине вставки из материала с высоким демпфированием.
Выступающую поверхность цилиндрической ступени предварительно смазывают маслом или разделительным составом, например, силиконом. Заполняют материалом с высоким демпфированием прямоугольное основание выборки до длины /выступающей над ним цилиндрической части, при этом контролируют отсутствие образования пустот.
В выборке, выполненной по форме оправки 3 и ориентированной по нормали к верхней плоскости В переднего конца державки 5, устанавливают оправку 3 с режущей пластиной 1 и втулкой 9 с расположением соос-но втулке 9 и установочно-регулировочного винту 7. Центральное отверстие втулки 9 совпадает по форме и поперечным размерам с третьей ступенью установочно-регулировочного винта 7 и имеет глубину больше
длины этой ступени, втулка 9 установлена заподлицо с нижним основанием оправки 3. Поэтому происходит точное базирование оправки 3 по торцевой поверхности Г цилиндрической ступени и третьей ступенью указанного винта 7 в отверстии втулки 9 с обеспечением по основаниям и стенкам выборки и оправки равномерных зазоров. Оправку 3 устанавливают в выборке так, чтобы отсутствовало контактирование режущей пластины 1 и узла ее крепления 2 на оправке 3 с державкой 5. Зазоры по стенкам выборки и оправки 3 заливают материалом с высоким демпфированием, контролируя качество заполнения зазоров. После полимеризации материала образуется вставка 4, заполняющая зазоры, но не создается жесткого соединения установочно-регулировочного винта 7 со вставкой 4, так как его поверхность, контактирующая со вставкой 4, промазана. При этом третья ступень установочно-регулировочного винта 7 является торцевым ключом для цилиндрической втулки 9. Так как диаметр цилиндрической ступени установочно-регулировочного винта 7 меньше диаметра сквозного резьбового отверстия 6, а диаметр втулки 9 равен диаметру цилиндрической ступени или меньше его, то при вывинчивании установочно-регулировочного винта 7 из отверстия 6 державки 5 одновременно втулка 9 освобождается из оправки 3 и державки 5. После этого оправка 3 оказывается во вставке 4 из материала с высоким демпфированием без контактирования с державкой 5.
Возможно заполнение зазоров не только заливкой, но и расположением в них полимеризованных пластин из материала со свойством высокого демпфирования, при этом монтаж резца не является трудоемким [5].
Повысить надежность устойчивого процесса резания и качества обработки, а также упростить конструкцию инструмента позволяет резец с державкой в упругой вставке, представленный на рис. 3.
Режущая пластина 1 закреплена узлом ее крепления 2 в державке 3, имеющей выборку, выполненную равномерно по периметру конца державки 3 на длине Ь от ее торца до выступающей части с режущей пластиной 1. Конец державки 3 с выборкой размещен в изготовленном в виде прямоугольного параллелепипеда металлическом стакане 4 с одинаковыми зазорами ? по его основанию и стенкам, при этом зазоры ? заполнены вставкой 5 из материала с высоким демпфированием, а державка 3 установлена без возможности контактирования со стаканом 4.
Данный демпфирующий резец позволяет:
1. Повысить надежность устойчивого процесса резания за счет возможности минимизации воспринимаемых державкой сил резания путем подбора жесткости материала с высоким демпфированием вставки.
2. Повысить качество обработки изделий, так как державка без возможности контактирования со стаканом размещена во вставке, заполняющей зазоры между основанием, стенками стакана и державкой, поэтому происходит высокоэффективное демпфирование продольных и поперечных вибраций и ударных нагрузок, возникающих в процессе резания.
3. Упростить конструкцию резца из-за отсутствия необходимости дополнительных разработок по увеличению жесткости и прочности державки [6,7].
Рис. 3. Демпфирующий резец с державкой в упругой вставке
При испытании экспериментального образца демпфирующего резца выявлены недостатки: трудоемкость демонтажа резца для замены демпфирующей вставки и неравномерное заполнение зазоров между стенками стакана и державкой композиционным демпфирующим материалом. Устранить отмеченные недостатки позволяет резец, представленный на рис. 4.
Режущая пластина 1 закреплена узлом ее крепления 2 в державке 3, имеющей выборку, выполненную равномерно по периметру конца державки 3 на длине от ее торца до выступающй части с режущей пластиной 1. Конец державки 3 с выборкой размещен в выполненном в виде прямоугольного параллелепипеда металлическом стакане с одинаковыми зазорами по его основанию и стенкам, стакан изготовлен сборным из верхнего и нижнего сопрягаемых между собой полустаканов 4 и 5, симметричных относительно горизонтальной плоскости, проходящей через продольную ось конца державки 3 с выборкой, в основаниях обоих полустаканов 4, 5 выполнено по одному, а в стенках по два сквозных резьбовых отверстия.
27
1 2 6
О
5
а]
Рис. 4. Демпфирующий резец с державкой в упругой вставке с регулировочными винтами: а - вид резца в процессе его монтажа; б - поперечное сечение державки резца в процессе эксплуатации
Зазоры заполнены вставкой 6 из материала, обладающего свойством высокого демпфирования. В сквозных резьбовых отверстиях полустаканов 4, 5 размещены установочно-регулировочные винты 7, выступающие в материал вставки 6 на величину зазоров ? между концом державки 3 с выборкой и собранным стаканом, с возможностью освобождения устано-вочно-регулировочных винтов 7 из резьбовых отверстий.
Державка 3 установлена без контактирования со сборным стаканом. Подготовка демпфирующего резца к работе происходит в такой последовательности. В сквозных резьбовых отверстиях верхнего и нижнего полустаканов 4, 5 размещают установочно-регулировочные винты 7 и регулируют их выступание от внутренних стенок полустаканов 4, 5 на величину ? необходимых зазоров между концом державки 3 с выборкой и полустаканами 4, 5. Выступающие концы установочно-регулировочных винтов 7 предварительно смазывают маслом или разделительным составом, например, силиконом. Устанавливают конец державки 3 с выборкой в любом из полустаканов, например, в верхнем полустакане 4, при этом конец державки 3 с выборкой базируется по торцевым поверхностям установочно-регулировочных винтов 7 с выдерживанием необходимых зазоров между державкой и полустаканом 4.
Производят подготовку материала со свойствами высокого демпфирования и заливают им необходимые зазоры, при этом контролируют качественное заполнение зазоров материалом без образования пустот, обращая особое внимание на область вблизи основания полустакана 4. Этот контроль легко осуществим в полустакане. Возможно заполнение зазоров не только заливкой, но и расположением в них полимеризованных пластин из материала со свойством высокого демпфирования.
Производят работы в такой же последовательности и с нижним полустаканом 5. Полустаканы 4, 5 сопрягают друг с другом с образованием полного стакана в сборке. Тогда конец державки 3 с выборкой оказывается во вставке 6 из материала со свойствами высокого демпфирования и выступающими в него на величину заданных зазоров ? концами установочно-регулировочных винтов 7. После полимеризации материала не образуется жёсткого соединения установочно-регулировочных винтов 7 со вставкой 6, так как концы винтов предварительно смазаны, что обеспечивает освобождение установочно-регулировочных винтов 7 из сквозных резьбовых отверстий верхнего и нижнего полустаканов 4, 5.
После вывинчивания установочно-регулировочных винтов 7 конец державки 3 с выборкой оказывается как бы в «коконе»-вставке 6, разделяющей державку 3 и полустаканы 4, 5, причем неконтролируемые незаполненные полости во вставке 6 отсутствуют. Наличие в конструкции ус-тановочно-регулировочных винтов 7 для выдерживания одинаковых зазоров по основанию и стенкам сборного стакана и концом державки 3 с выборкой значительно снижает трудоёмкость монтажа резца [8].
Новизна и оригинальность всех представленных конструкций подтверждена полученными патентами РФ на изобретение.
Выводы
1. Проведённые обзор и анализ существующего состояния токарной обработки лезвийным инструментом выявили имеющиеся недостатки и подтвердили тезис, что в современном машиностроении основные усилия исследователей и производителей режущего инструмента направлены на совершенствование и создание новых, более эффективных с точки зрения производительности и качества обработки конструкций и технологий.
2. Авторами предложено несколько конструкций резцов с упругой связью с технологической системой, при этом в одних резцах режущая пластина с узлом ее крепления демпфирующей вставкой изолирована от державки, а в других - вставка из материала с высоким демпфированием разделяет державку с режущей пластиной от резцедержателя, что позволяет:
- снизить уровень вибрации в процессе за счет возможности минимизации воспринимаемых державкой сил резания путем подбора жесткости материала с высоким демпфированием вставки;
- повысить качество обработки изделий, так как демпфирующая вставка не дает возможности контактирования режущей пластины с державкой или державки с резцедержателем, поэтому происходит высокоэффективное демпфирование продольных и поперечных вибраций и ударных нагрузок, возникающих в процессе резания.
Список литературы
1. Инструментальное обеспечение процессов механической обработки твердыми сплавами и композитами: монография / Е.И. Яцун, В.В. Малыхин, О.С. Зубкова [и др.]. Курск: ЗАО «Университетская книга». 2016. С. 160 - 124.
2. Повышение устойчивости процесса точения демпфирующим резцом / Новиков С.Г., Малыхин В.В., Яцун Е.И. [и др.] // Известия Юго-Западного государственного университета. №3(36). Курск, 2011. С.
122 -125.
3. Малыхин В.В., Новиков С.Г., Новиков Ф.В. Резец с демпфирующими свойствами для станков с ЧПУ // В1СНИК Харквського нащонального техшческого ушверситету сшьского господарства 1меш Петра Василенка. Техшчш науки. Випуск 118. «Техшчний сервю АПК, Техшка ТА технологи у сшьскогосподарському машиноборудованш. Харкв, 2013. С.147 - 148.
4. Патент РФ 2 457 078, МПК51 В23В27/00. Универсальный демпфирующий резец/ Новиков С.Г., Малыхин В.В., Яцун Е.И. [и др.]; патентообладатель ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет». № 2010 145193/02, заявл. 03.11.2010. Опубл. 27.07.2012. Бюл. № 21.
5. Патент РФ 2 596 546, МПК51 В23В27/00. Демпфирующий резец/ Новиков С.Г., Малыхин В.В., Яцун Е.И.[и др.]; патентообладатель ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет» № 2015114 463/02. Заявл. 20.04.2015. Опубл.10.09.2016. Бюл. № 25.
6. Малыхин В.В., Яцун Е.И., Новиков С.Г. Повышение эксплуатационных характеристик демпфирующих резцов // Известия Юго-Западного государственного университета. Сер. «Техника и технологии». Курск, №2. 2012. С. 43-46.
7. Патент РФ 2 457 077, МПК51 В23В27/00. Демпфирующий резец/ Новиков С.Г., Малыхин В.В., Яцун Е.И. [и др.]; патентообладатель ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет». № 2011 106 621/02. Заявл. 22.02.2011. Опубл. 27.07.2012. Бюл. № 21.
8. Патент РФ 2582403, МПК51 В23В27/00, Демпфирующий резец/ Новиков С.Г., Малыхин В.В., Яцун Е.И. [и др.]; патентообладатель ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет». № 2015 103203/02. Заявл. 03.02.2015. Опубл.27.04.2016. Бюл. № 12.
30
Емельянов Сергей Геннадьевич, д-р техн. наук, проф., ректор, rectoraswsu.ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Малыхин Виталий Викторович, канд. техн. наук, доц., malykhin1946@,mail.ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Яцун Елена Ивановна, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, mtioakurskstu.ru, Россия, Курск, Юго-Западный Государственный Университет,
Новиков Сергей Георгиевич, канд. техн. наук., доц., зав. кафедрой, novikov1950sergey@yandex.ru, Россия, Курск, Региональный открытый социальный институт
DAMPING INCISOR CONSTANT STIFFNESS AND THE ELASTIC CONNECTION TO THE
SYSTEM "MACHINE - TOOL - ITEM"
S.G. Emelyanov, V.V. Malykhin, E.I. Yatsun, S.G. Novikov
Developed a range of damping incisors, which allows to increase the sustainability and quality of cutting process of materials. The interaction of the elements of the system "machine - fixture - tool - item" and their relationship. The causes offluctuations and classification by frequency range, and possible ways of their reduction or elimination. Offers the negative impact of vibration (fluctuations) on the quality of machining is eliminated by changing the design of the tool. Given developed a range of cutters with damping elastic damping insert in a tool holder or tool holder in an elastic insert. The design feature of incisors is represented vibration to the working part via the damping elements of the machine.
Key words: damping cutter, turning, design, sustainability, cutting, processing quality.
Emelyanov Sergey Gennadyevich, doctor of technical sciences, professor, rector, rectoraswsu.ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Malykhin Vitaly Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, malyk-hin1946@,mail.ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Yatsun Elena Ivanovna, candidate of technical sciences, docent, manager of department, mtioakurskstu.ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Novikov Sergey Georgievich, candidate of technical sciences, docent, manager of department, novikov/950sergeya,vandex. ru, Russia, Kursk, Regional open social Institute
