CC BY
6Экспериментальная методика по определению шероховатости при торцевом точении
Ягопольский Александр Геннадиевич
старший преподаватель кафедры «Металлорежущие станки», МГТУ им. Н.Э. Баумана
Мишин Никита Сергеевич
студент кафедры «Металлорежущие станки», МГТУ им. Н.Э. Баумана
Фролов Владимир Андреевич
студент кафедры «Металлорежущие станки», МГТУ им. Н.Э. Баумана
Андрюхин Николай Дмитриевич
студент кафедры «Металлорежущие станки», МГТУ им. Н.Э. Баумана, nikolay2198@mail.ru
Известно, что при торцевании на токарном станке из-за изменения скорости резания по радиусу заготовки возможно образование нароста. С практической точки зрения важно иметь информацию о влиянии некоторых входных факторов процесса торцевания на значения параметров шероховатости, которые соответствуют поверхностям, полученным с помощью такого процесса обработки. Статья посвящена экспериментальному исследованию оценки влияния скорости резания, скорости подачи и радиуса угла поворота токарного инструмента на значения параметров шероховатости поверхности Ra и Rz. Путем математической обработки экспериментальных результатов определены некоторые эмпирические математические модели. Показано, что низкое значение шероховатости поверхности может быть получено за счет использования высокой скорости вращения заготовки и адекватных значений скорости подачи и радиуса при вершине инструмента.
Ключевые слова: торцевое точение, определение шероховатости, анализ детали, точность обработки, точность токарного станка, образование нароста, повышение эффективности обработки, надежность инструмента, долговечность оборудования.
Введение.
Шероховатость поверхности можно рассматривать как совокупность мелких микровыступов, характеризующихся относительно малым шагом по сравнению с глубиной и определяющим рельеф реальной поверхности детали. Фактически шероховатость поверхности — это ошибка поверхности, соответствующая так называемому отклонению третьего порядка, имеющему периодический характер, и ошибкам четвертого порядка, не имеющим периодического характера. В настоящее время параметры шероховатости поверхности определяются относительно так называемой средней линии, которая разделяет профиль поверхности так, чтобы сумма квадратов ординат, соответствующих линии профиля, была минимальной.
Основными факторами, способными повлиять на значения параметров шероховатости поверхности, являются параметры точения, геометрия активной зоны токарного инструмента, степень износа режущей кромки инструмента, физико- механические свойства инструмента. материал заготовки, жесткость и стабильность станка и т. д. [1].
Целью исследования является выявление вариации значения параметра шероховатости поверхности в случае торцевания. Из-за непрерывного изменения скорости резания при наросте возможно изменение значения параметров шероховатости поверхности по радиусу обточенной поверхности.
Теоретические соображения.
Торцевание — это метод обработки, при котором основное вращательное движение выполняется заготовкой, а вторичное движение достигается токарным инструментом, с глубиной резания ap, измеряемой в направлении,перпендикулярном обрабатываемой поверхности, как показано на рисунке 1.
Как и случае точения поверхностей вращения, основными факторами, способными повлиять на размеры параметров шероховатости поверхности, являются скорость вращения V, скорость подачи Dr и радиус Гэ при вершине резца. В соответствии с результатами теоретических и экспериментальных исследований, увеличение скорости подачи
х
X
о
го А с.
X
го т
о
м о м
будет определять увеличение размеров параметров шероховатости поверхности относительно высоты неровностей, а увеличение радиуса при вершине инструмента приведет к уменьшению параметров шероховатости поверхности. [2].
см о см
о
О!
о ш т
X
<
т О X X
Рис. 1. Процесс торцевания
Ожидается, что в области низких скоростей вращения непрерывное образование и удаление наростов на кромке будет определять увеличение параметра шероховатости поверхности. В области более высоких значений скорости резания наросты на кромке еще не появляются, и значения параметра шероховатости поверхности могут незначительно уменьшаться, а в дальнейшем останутся примерно постоянными.
Принимая во внимание значимость различных параметров шероховатости поверхности, которые могут характеризовать обработанную поверхность и доступные измерительные средства шероховатости поверхности, в качестве параметров выбран один параметр, изменение которого можно исследовать в случае торцевания поверхности. Среднее арифметическое отклонение оцениваемого профиля Ra, соответствующее среднему арифметическому абсолютных значений ординат профиля, и среднеквадратичное отклонение расчетного профиля Rz, соответствующее стандартному отклонению распределения профилей высот.
В качестве основных входных факторов процесса, значения которых можно легко изменять в производственных условиях и во время экспериментальных исследований, скорость подачи Dr, скорость резания V и радиус при вершине токарного инструмента Гэ. Было замечено, что для значений глубины резания «ap», находящихся в общей области, этот входной фактор процесса практически не влияет на значения параметров шероховатости поверхности. Если глубина резания имеет очень низкие значения, в процессе точения
могут регистрироваться неоднородности, и в таком случае могут быть получены более высокие значения параметров шероховатости поверхности. С другой стороны, при более высоких значениях глубины резания из-за больших сил резания нестабильность может повлиять на процесс точения, могут возникнуть сильные вибрации и значения высоты неровностей поверхности могут увеличиться. [3].
Если учесть влияние скорости подачи, обычно ожидается, что увеличение значения этого коэффициента приведет к увеличению значений, характеризующих высоту неровностей поверхности. В то же время если значения скорости подачи очень низкие, высота неровностей может увеличиться, в том числе из-за трудностей с образованием стружки, а это означает, что уменьшение значения скорости подачи не всегда могло определяют уменьшение параметров шероховатости поверхности, характеризующих высоту неровностей поверхности.
Увеличение скорости резания определяет небольшое уменьшение значений, соответствующих параметрам шероховатости поверхности. В случае некоторых материалов, таких как углеродистые стали, в области низких скоростей резания процесс образования и удаления нароста означает непрерывное изменение функциональных углов режущего инструмента и высоты режущего инструмента. неровности обработанной поверхности [4]. Когда скорость резания превышает поле скоростей, которое соответствует образованию нароста кромки, ожидается небольшое уменьшение значений, соответствующих параметрам шероховатости поверхности, и последующая стабилизация этих значений до размера, специфичного для определенных значений скорость подачи и радиус при вершине.
Увеличение радиуса токарного инструмента приводит к уменьшению параметров шероховатости поверхности, характеризующих высоту неровностей. Соответствие между функциональными требованиями и проектными параметрами отражено в таблице 1. В качестве режущего инструмента рассматривался отогнутый подрезной резец с твердосплавными пластинками. Профилометр (прибор измерения шероховатости) Mitutoyo использовался для измерения значений параметров шероховатости поверхности Ra и Rz. Как известно, значения параметров шероховатости поверхности будут изменяться по радиусу обработанной поверхности испытательного образца, что может вызвать затруднения при измерении значений параметров шероховатости поверхности [5]. Учитывая эту ситуацию, было решено измерять значения параметра шероховатости поверхности при заранее установленных значениях радиуса исследуемого образца (которые соответствуют определенным значениям скорости резания).
Поскольку профилометру требуется определенный рабочий ход (значение которого устанавливается с учетом вероятного значения параметра шероховатости поверхности), было понятно, что таким способом можно получить общее изображение, касающееся значений параметров шероховатости поверхности [6]. Практически из-за изменения скорости резания по радиусу испытуемого образца значения, отображаемые профилометром, скорее соответствуют средним значениям параметра шероховатости поверхности вдоль рабочего хода датчика. Условия и результаты экспериментов представлены в таблице 1.
Таблица 1
n, R, мм V, м/мин f, мм/об гэ, мм Ra, мкм Rq, мкм
об/мин
5 31,4 1,70 2,22
10 62,8 0,96 1,20
15 94,2 1,44 1,79
20 125,6 0,2 0,4 1,56 1,96
25 157 1,06 1,35
30 188,4 1,19 1,62
35 219,8 0,90 1,14
5 31,4 3,00 3,69
10 62,8 2,40 2,97
15 94,2 2,32 2,82
20 125,6 0,4 0,4 1,87 2,33
25 157 1,84 2,42
30 188,4 1,74 2,19
35 219,8 0,98 1,21
1000 5 31,4 4,50 5,26
10 62,8 3,26 4,11
15 94,2 3,03 3,82
20 125,6 0,2 0,8 2,00 2,46
25 157 1,16 1,50
30 188,4 1,08 1,34
35 219,8 1,19 1,56
5 31,4 1,95 2,32
10 62,8 2,48 3,05
15 94,2 1,51 1,85
20 125,6 0,4 0,8 1,72 2,17
25 157 2,24 2,78
30 188,4 1,71 2,08
35 219,8 1,53 1,89
5
4.5
4
3.5
3
£ V 2.5
2. 2
CJ СК 1.5
1
0.5
0
^f = 0.2 ММ/о5; --, = 0.8 м
-----
f = D.4 мм/oS: г, = 0.4 мм
31.4
62.8
94.2 125.6 157 186Л 219.8 V, м/мин
Рис. 2. Влияние скорости точения на значение среднего параметра шероховатости
ч
f = Э.2 мм/оВ; Г-, = 0.8 мм I
f = OA мм/00; Г = 0,4 Mf
31.4 62.J
94.2 125.6
157
18Й.4 219.Е
Скорость подачи и радиус при вершине пластинок были выбраны как входные факторы процесса. Два значения выбранных факторов входящего процесса были установлены с учетом рекомендаций, содержащихся в справочниках, используемых при определении условий токарного инструмента.
Таким образом, были установлены следующие
с „ „ мм с „ . мм
значения: ¡тЫ = 0.2 —;/таж = 0.4 —; гэ тЫ = 0.4 мм; гэ тах = 0.8 мм. Для третьего входного фактора процесса (скорость резания V) было установлено отклонение между текущими предельными значениями (31,4-219,8 м/мин).
Обработка результатов экспериментов.
На основании результатов экспериментов, представленных в таблице 1, были разработаны графические изображения (рис. 2 и 3).
V. м/мин
Рис. 3. Влияние скорости точения на значение среднеквадратичного параметра шероховатости
Исследование этих графических представлений и эмпирических математических моделей подтвердило уменьшение параметров шероховатости поверхности Ra и Rz при увеличении скорости резания v и увеличение значений, соответствующих параметры Ra и Rz при увеличении скорости подачи f соответственно. Об определенном противоречии можно говорить в связи с влиянием радиуса Гэ, увеличение которого приводит к увеличению параметров шероховатости поверхности Ra и Rz. Объяснение этого факта могло быть основано на сильном влиянии, оказываемом, однако, наростом; из-за непрерывного изменения скорости резания максимальные значения параметра шероховатости поверхности достигаются, когда надлежащие условия точения благоприятствуют интенсивному развитию нароста на кромке.
Заключение
Экспериментальное исследование проводилось, чтобы выявить изменение высоты неровностей поверхности в радиальном направлении плоской поверхности, полученной торцеванием, в случае испытательных образцов, изготовленных из среднеуглеродистой стали. Из-за непрерывного изменения скорости резания и, как следствие, образования и удаления налетов, было подтверждено существование высоких значений параметров шероховатости поверхности в области низких скоростей точения. Эмпирические математические модели были разработаны путем математической обработки экспериментальных результа-
х
X
о
го А с.
X
го m
о
м о м
тов, и эти модели подтвердили уменьшение значений, соответствующих параметрам шероховатости поверхности Ra и Rz, при увеличении скорости резания и увеличение тех же значений параметров при увеличении скорости подачи соответственно.
Литература
1. Атлас конструкций узлов и деталей ма-шин./Под ред. Ряховского. М.: МГТУ имени Баумана, 2007 г.
2. Ягопольский, А. Г. Имитационное моделирование производственных систем машиностроительных производств / А. Г. Ягопольский, Н. Д. Ан-дрюхин, Д. Г. Тутукин // Инновации и инвестиции. -2020. - № 11. - С. 254-256.
3. Васильев Г.Н., Методическое пособие по курсу Проектирование автоматизированных станочных комплексов, МГТУ.
4. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL. М.: Издательский дом «Додека - XXI», 2007.
5. Ягопольский, А. Г. Оптимизация несущий системы металлорежущего станка / А. Г. Ягопольский, Д. Г. Тутукин, Н. Д. Андрюхин // Инновации и инвестиции. - 2020. - № 12. - С. 144-147.
6. Иванов А.С. Нормальная, угловая и касательная контактные жесткости плоского стыка // Вестник машиностроения. 2007. №7. С. 34 - 37.
Experimental technique for determining the roughness during end turning.
Alexander G.Ja., Mishin N.S., Frolov V.A., Andryukhin N.D.
Bauman Moscow State Technical University
It is known that when facing on a lathe, due to a change in the cutting speed along the radius of the workpiece, the formation of an excrescence is possible. From a practical point of view, it is important to have information about the influence of some input factors of the faceting process on the values of the roughness parameters that correspond to the surfaces obtained using such a processing process. The article is devoted to an experimental study of the evaluation of the influence of the cutting speed, feed rate and turning angle radius of the turning tool on the values of the surface roughness parameters Ra and Rz. Some empirical mathematical models have been determined by mathematical processing of experimental results. It is shown that a low value of surface roughness can be obtained by using a high rotation speed of the workpiece and adequate values of the feed rate and radius at the top of the tool. Keywords: end turning, roughness determination, part analysis, machining accuracy, lathe precision, build-up formation, increased processing efficiency, tool reliability, equipment durability. References
1. Atlas of structures of assemblies and machine parts./Ed. Ryakhovsky. M.:
Bauman Moscow State Technical University, 2007.
2. Yagopolsky, A. G. Simulation modeling of production systems of machine-
building productions / A. G. Yagopolsky, N. D. Andriukhin, D. G. Tutukin // Innovations and investments. - 2020. - No. 11. - pp. 254-256.
3. Vasiliev G.N., Methodological guide for the course Design of automated
machine complexes, MSTU.
4. Evstifeev A.V. AVR microcontrollers of Tiny and Mega families of ATMEL
company. Moscow: Dodeka - XXI Publishing House, 2007.
5. Yagopolsky, A. G. Optimization of the bearing system of a metal-cutting
machine / A. G. Yagopolsky, D. G. Tutukin, N. D. Andriukhin // Innovations and investments. - 2020. - No. 12. - pp. 144-147.
6. Ivanov A.S. Normal, angular and tangential contact stiffness of a flat joint
// Bulletin of Mechanical Engineering. 2007. No. 7. pp. 34-37.
CN О СЧ
0
01
О Ш
m
X
<
m о x
X
