CC BY
16
УДК 621.914.2.02:691.328
А.И. Фоломкин, С.Л. Мурашкин
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ТОРЦОВЫХ ФРЕЗ С КОРПУСАМИ ИЗ СТАЛЕФИБРОБЕТОНА
Одна из характерных тенденций развития технологических систем — увеличение скоростей резания. Это приводит к снижению запаса устойчивости технологических систем из-за сближения частоты возмущающей силы с собственными частотами колебаний в системе, что вызывает увеличение амплитуды относительных колебаний режущего инструмента и заготовки. Возникновение колебаний в технологической системе приводит к снижению качества поверхности детали, уменьшает стойкость инструмента, увеличивает износ станка, является причиной повышенного уровня шума.
В свою очередь, повышение скорости резания при фрезеровании приводит к увеличению ударных нагрузок на режущие кромки, что не позволяет использовать некоторые износостойкие, но хрупкие инструментальные материалы.
Известны конструкции инструмента, которые демпфируют колебания режущих кромок, однако многие из них существенно снижают жесткость инструмента, нетехнологичны, поэтому они не получили широкого распространения. Кроме того, при изготовлении фрез существенной проблемой является обеспечение минимального биения режущих кромок относительно оси вращения.
Один из путей совершенствования конструкций режущего инструмента — применение композиционных материалов для изготовления корпусов инструмента. Однако уже разработанные конструкции инструментов из композиционных материалов остаются нетехнологичными и не решают проблемы изготовления качественного и надежного инструмента.
Обе проблемы удается решить при изготовлении корпусов торцовых фрез из сталефибро-бетона. Существенная особенность таких конструкций — уменьшение ударных нагрузок и вибраций за счет высоких демпфирующих характеристик сталефибробетона. Кроме того, простота конструкции и технологии изготовле-
ния таких фрез позволяют сократить до минимума издержки при их производстве.
Анализ научно-технической литературы показал, что прерывистый характер процесса резания при фрезеровании вызывает существенные ударные нагрузки на режущую кромку инструмента, что затрудняет использование таких перспективных инструментальных материалов, как безвольфрамовые твердые сплавы, которые отличаются высокой износостойкостью, но хрупки. Применение этих материалов особенно затруднительно при обработке высокопрочных материалов. Установлено, что разработка новых конструкций фрез, обеспечивающих эффективное демпфирование ударных нагрузок и вибраций при резании, — достаточно актуальная задача.
Кроме того, весьма важно для снижения нагрузки на режущие кромки фрез создать технологичные конструкции инструмента с пониженным биением режущей кромки.
Наиболее перспективно для использования в машиностроении применение сталефибробе-тона, армированного фиброй вибрационного точения. Стальные волокна (фибра), получаемые вибрационным точением по способу, предложенному в СПбГПУ, отличаются чрезвычайной дисперсностью (площадь поперечного сечения от 0,01 мм2), что позволяет создавать сталефибробетонные композиции с уникальными физико-механическими свойствами.
Для эффективного проектирования фрез необходимо иметь модель, позволяющую определять свойства высоконаполненного сталефибро-бетона и его оптимальный состав. Для этих целей автором разработана экспериментальная модель предела прочности материала, армированного фиброй вибрационного точения:
стсж = 49 + 4Ь +1,25-10^м - 1,03-103Б, (1)
где Ь — длина волокна; Б — площадь поперечного сечения волокна; — массовая концентрация волокон.
4-
Машиностроение
Установлено, что оптимизацией состава ста-лефибробетона его прочность на сжатие может быть приближена к прочности серого чугуна.
Оптимизация состава сталефибробетона исходя из требований максимального демпфирования при заданной прочности показала, что оптимальным составом материала для изготовления корпусов фрез с диаметрами менее 200 мм является сталефибробетон с параметрами: Ь = 5 мм, £ = 0,026 мм2, = 18 %. Декремент продольных колебаний такого сталефибробетона достигает величины 0,34 неп. При этом удельный коэффициент вязкости такого материала составляет коб = 6,8^ 105 Н-с/м4.
На рис. 1 показана конструкция фрезы и схема формовки сталефибробетонного корпуса. Фреза состоит из твердосплавных пластин 2, державок 1, втулки 4, обечайки 6. При сборке такой фрезы режущие кромки при помощи специального приспособления 3 предварительно устанавливаются и фиксируются в положении, обеспечивающем их минимальное биение. Основной объем корпуса и промежутки между державками режущих элементов заполняются сталефибробе-тонной смесью 5, отвердевание которой обеспечивает их закрепление.
Общая методика проектирования фрез с корпусами из сталефибробетона предполагает следующие основные этапы:
определение в соответствии с существующими методиками геометрии режущей части инструмента, выбор количества г зубьев фрезы и ее диаметра В;
выбор геометрии поперечного сечения державок;
определение высоты обечайки фрезы исходя из состава сталефибробетона и выбор анкирую-щих элементов;
Рис. 1. Общая конструкция фрезы с корпусом из сталефибробетона
построение трехмерной модели фрезы и проверка ее на прочность и жесткость.
Расчеты, проведенные методом конечных элементов, показали, что наиболее благоприятно напряжения в корпусе торцовой фрезы распределены в случае применения державок круглого поперечного сечения. Наименее благоприятно напряжения распределены в корпусах с державками треугольного поперечного сечения. В корпусах с державками прямоугольного и шестигранного поперечного сечения напряжения распределены примерно одинаково. По интенсивности напряжений в опасных зонах эти корпуса занимают промежуточное положение между корпусами с державками треугольного сечения и с державками круглого сечения.
В процессе численного моделирования была определена также жесткость корпусов с державками различной геометрии (табл. 1). Наиболее жесткими и прочными державками, обеспечивающими и большую прочность корпуса, явля-
Таблица 1
Коэффициент жесткости для корпусов с державками различного поперечного сечения
Геометрия поперечного сечения державки Максимальное перемещение, м, режущей кромки при нагрузке Р= 1600 Н Коэффициент жесткости, Н/м
Треугольник 7,07-10-5 2,3-10+7
Квадрат 3,405-10-5 4,610+7
Шестигранник 3,585 10-5 4,5-10+7
Круг 2,212-10-5 7,2*10+7
ются державки круглого и прямоугольного поперечного сечения. Кроме того, такие державки более технологичны в изготовлении.
Для проектирования фрез с корпусами из сталефибробетона важно определить высоту Н корпуса фрезы. От этого размера в значительной степени зависит прочность и жесткость фрезы, а также габариты, масса и, как следствие, инерционность корпуса. Для определения оптимального размера высоты Н1 был использован статический анализ (COSMOSWorks) и алгоритм метода половинного деления. Получение решения поставленной задачи для некоторых размеров фрез представлены в табл. 2.
Прочностные расчеты методом конечных элементов показали, что по торцу державок, противоположному месту закрепления режущих элементов, следует предусматривать слой сталефибробетона не менее 5 мм.
Высокий уровень напряжений и деформаций в местах контакта державок и матрицы не должен нарушать механический и адгезионный контакт между ними. В связи с этим для более надежной фиксации державок в корпусе целесообразно предусматривать анкирующие элементы.
Одной из основных задач при проектировании фрез является определение оптимальных геометрических размеров державок, обеспечивающих максимальное демпфирование колебаний, которые возникают в технологической си-
Таблица 2
Характеристики для различных диаметров фрез
^1, мм Р, Н Н1, мм
100 1600 40
125 2000 45
160 2560 52
200 3200 64
стеме. При моделировании было установлено: чем меньше масса державки, тем больше логарифмический декремент колебаний конструкции. Полученные результаты позволили рекомендовать применение полых державок, что незначительно снижает их прочность и жесткость, но значительно повышает демпфирующую способность конструкции.
Многолетние испытания на виброустойчивость фрез с корпусами из предлагаемого материала и полученные при этом теоретические и экспериментальные виброграммы позволяют сделать вывод о том, что колебания режущей кромки в сталефибробетонном корпусе затухают за время, равное И времени действия силы, в то время как затухание в стальном корпусе происходит все время действия силы резания. Амплитуда колебаний режущей кромки в сталефибробетонном корпусе в 2-3 раза меньше, чем в стальном корпусе.
Рис. 2. Осциллограммы изменения переходных динамических процессов при скорости резания
V = 250 м/мин, 5 = 50 мм/мин, ^ = 2 мм: а — для корпуса из стали; б — для корпуса из сталефибробетона
Машиностроение
Исследование влияния быстропротекающих ударных процессов на режущую кромку (рис. 2) производились при помощи пьезоэлектрических датчиков, устанавливаемых под твердосплавные пластины. Экспериментальным путем установлено, что применение корпусов фрез из сталефибробетона снижает ударные нагрузки на лезвие инструмента в 1,5—2 раза.
При использовании фрез с корпусами из сталефибробетона стойкость режущих лезвий в зависимости от скорости резания можно повысить до двух раз по сравнению с фрезами с корпусами из стали (рис. 3).
Таким образом, при использовании фрез с корпусами из сталефибробетона производительность процесса резания за счет скорости резания может быть увеличена до 20 %. Демпфирование ударных нагрузок снижает циклические напряжения в инструментальном материале, что значительно увеличивает стойкость инструментального материала. Проведенные исследования показали, что при использовании конструкций фрез с корпусами из сталефибро-
Т, мин 200
150 100 50 0
Рис. 3. Зависимость стойкости фрез от скорости резания:
1 — с корпусом из сталефибробетона; 2 — с корпусом из стали
бетона стойкость режущих кромок увеличивается в 1,4—2 раза. Кроме того, применение корпусов фрез из сталефибробетона позволяет за счет демпфирования ударных нагрузок использовать твердые, но хрупкие инструментальные материалы, такие, как безвольфрамовые метал-локерамические твердые сплавы и другие сверхтвердые материалы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коротких, М.Т. Конструкционные особенности торцовых фрез с корпусами из сталефибробетона [Текст ] / М.Т. Коротких, А. И. Фоломкин // Металлообработка.— 2005. № 4.— С. 8-11.
2. Брайловский, М.И. Сталебетонные станины современных высокоточных токарных станков без внешней металлической оболочки [ Текст ] / М.И. Брайловский, А.М. Интин // Вестник машиностроения. — 2003. № 7. — С 64-68.
УДК 621.51
А.В. Зуев, В.К. Юн, М.А. Фафинов
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СУХИХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ УПЛОТНЕНИЙ С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАГНЕТАТЕЛЯХ ПРИРОДНОГО ГАЗА
Сухие газодинамические уплотнения (СГУ) нашли широкое применение в центробежных компрессорах. Преимущества СГУ перед масляными уплотнениями неоспоримы: низкие капитальные затраты; отсутствие загрязнения рабочего газа маслом; уменьшение механических потерь мощности; высокая надежность
работы; снижение издержек на обслуживание; большой срок службы.
СГУ представляют собой упорный подшипник с глухими канавками глубиной 2-10 мкм и щелевое торцевое уплотнение с малым осевым зазором. Течение газа в щели СГУ происходит в радиальном направлении от периферии к цен-
