CC BY
47
УДК 621.9.01.
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК (ТАНКА И ИНСТРУМЕНТА
В.А.Азаров, Л.М.Мышлевский, В.В.Соло»ьВв, В.И.Кравченя
Кафедра Технологии машиностроения, металлорежущих стайкой и инструментом Российского ушшсрсптста дружби народов /17198 Москва, уд. Миклухо-Маклая, 6
1) стіні,с приведены результаты анализа динамической хиракісриеіикн резания а нидс зиекгромсханической модели процесса резаиня и исследования влияния динамических еаойега еганкой на качеепш оОрпСкики изделий при точении; принципы создания етендон для статических испытаний сборных режущих ипсірумсіион, а также илияиие отклонений от прямолинейности опорной поверхности ре той на ич сшичеекую и динамическую жесткой.; результаты исследования процесса фрезоточенин и рекомендации по сю исполнению
Одним из основных направлений научных исследований кафедры "Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты1’ является исследование и испытание металлорежущих станков, а также процесса резания и инструмента как неотделимые составляющие при обработке деталей. Научные исследования станков базировались на теоретических работах Кудинова В.А. в области динамики станков (1), основанных на анализе динамических процессов, протекающих в металлорежущих станках при речании.
Динамическая характеристика резания как элемент динамической системы станка, полученная на основе анализа полного выражения силы резания, использована в работах кафедры по созданию установок для определения динамических свойств станков и режущего инструмента, работающие в ручном и полуавтоматическом режимах. В процессе разработки электромеханической модели процесса резания (Л. с. №405118) было показано, что электромеханическая модель процесса резания, являясь обратной связью в одноконтурной динамической системе "эквивалентная упругая система (ЭУС)- процесс резания (ГІР)", может быть представлена в виде безынерционного, интегрирующего, инерционного и реальною дифференцирующего звеньев, соединённых по последовательно-параллельной схеме (рис.1). Моделирующее устройство позволило возбудить колебания в контуре "ЭУС-ПР" и ввести её в режим автоколебаний на резонансных и околорезонаненых частотах. По полученным в результате такого испытания данным рассчитывается одна из основных динамических характеристик станка - предельная ширина срезаемого слоя, снимаемая на станке без вибраций.
Рис.1. Структурная схема электромеханической модели процесса резания.
В научно-технической литературе содержится много утверждений о зависимости стойкости одного и того же режущего инструмента от качества изготовления и технического состояния каждого конкретного станка, к показателям которого относятся его динамические свойства, геометрическая точность, статическая жёсткость, уровень колебаний холостого хода и т.д. Контролируют эти показатели в соответствии с методиками и рекомендациями, изложенными в работах [1*3 и др.].
При обработке детали свойства станка влияют через жёсткость на отклонения от кругло-сти и цилиндричности обработанных деталей, а через параметры колебательного процесса -на износ режущего инструмента но задней поверхности и шероховатость обработанной поверхности. Выявление этого влияния проводилось на четырёх токарпо-виито-резных с танках, которым для удобства изложения присвоены соответственно номера 1 4.
В соответствии с ГОСТ станки подвергались проверке на геометрическую точность и испытаниям на жёсткость. Результаты испытания станков на геометрическую точность показали полное их соответствие параметрам, указанным в стандарте. Критерием оценки жёсткости станка служит допустимое относительное перемещение между резцедержателем и оправкой, которое дня станков нормальной точности с наибольшим диаметром обработки 400мм при нагружении силой 5600Н должно быть менее 0,2мм при установки оправки в конус шпинделя и менее 0,27мм - в конус пиноли задней бабки. Испытания на жёсткость выявили её изменение от 34 до 59к11/мм у передней бабки и от 16 до 46кН/мм у задней бабки, а также отсутствие корреляции между жёсткостью, измеренной по ГОСТ, и жёсткостью передней опоры шпинделя и что по возрастанию этого параметра они располагаются: 4,1,2,3 - передняя бабка и 3,4,1,2 - задняя бабка. Дополнительно оценивалась величина зазора-натяга по графикам, построенным в координатах "сила-деформация", и рассчитывалась жёсткость передней опоры шпинделя. Величина натяга в передней опоре изменялась от 0,7 до 2,7мкм, а её жёсткость - от 270 до 700кН/мм.
Динамические свойства станка, оцениваемые по амплитудно-фазовой частотной характеристике [2], показали, что для всех станков характерно уменьшение амплитуды вектора перемещения Ат. на резонансной частоте ][■ при сравнении характеристик станков с неподвижным и вращающимся шпинделем; увеличение фазового угла (р с увеличением частоты вращения шпинделя; отставание вектора А<ус, измеренного по координате 2, от вектора по координате У; отсутствие существенного влияния частоты вращения шпинделя на величину вектора Аиус, измеренного на резонансной частоте/.
Характеристикой виброустойчивости станка является величина предельной стружки -доя токарного станка это предельная глубина резания [3]. Достижение предельной глубины резания контролировалось с помощью малоинерционной аппаратуры с графическим построением АЧХ в полуавтоматическом режиме. Испытания на виброустойчивость выявили изменение предельной глубины резания от 0,7 до 2,2мм и распределение станков по этому параметру в порядке возрастания параметра в виде 2,1,3,4.
Анализ результатов исследования колебаний холостого хода станков показывает, что с повышением частоты вращения для всех станков характерен рост амплитуды вынужденных относительных колебаний А** между шпинделем и резцедержателем и что все станки отвечают требованиям стандарта (по возрастанию параметра А» станки располагаются в порядке 1,2,3,4). Однако, с увеличением жёсткости передней бабки происходит увеличение амплитуды относительных колебаний по координате У, что объясняется снижением диссипативных свойств стыков опор шпинделя.
Влияние свойств исследуемых станков на процесс резания выявлялось по стойкостным испытаниям в условиях продольного точения заготовок из стали резцами с твердосплавными пластинами из Т15К6. Стойкость твердосплавных режущих пластин и характер нарастания ширины фаски износа по задней поверхности инструмента при работе на всех исследованных станках были одинаковы, хотя показатели качества станков отличались значительно. Иначе, между свойствами станка и стойкостью твердосплавного инструмента отсутствует корреляционная связь.
Опыты с наложением колебаний при резании показали, что с увеличением амплитуды радиальных колебаний относительный износ сначало несколько снижается, а затем при амплитуде колебаний 4^25+ЗОмкм (в опытах менее 10+15мкм) резко увеличивается; становятся ясными причины нечувствительности результатов стойкостиых испытаний к различиям в значениях показателей качества станков.
По мере приработки резцов шероховатость обработанных поверхностей уменьшалась и резко возрастала при ширине фаски износа порядка А, 0,(н 0.8мм. Отклонение от круглости и шероховатость поверхности более полно и четко коррелиронаны с показателями качества станков, чем износ и стойкость режущего инструмента.
За время проведения исследований были разработаны ряд измерительные устройств, в частности для измерения и регистрации силы резания при растачивании и чубофречеропа-нии, защищённых авторскими свидетельствами (А. с»-»а 510320, 1155879). Авторы одного из изобретений - измерительная борштанга - были награждены золотой, серебрянной и бронзовой медалями ВДНХ СССР. Кроме этого созданы лабораторные стенды по исследованию и измерению вибраций и шума технологического оборудования и машин, а также стенд для динамических исследований станка по внешнему возмущению.
За истекшие годы на кафедре закончен комплекс госбюджетных и хоздоговорных работ по разработке способа контроля (А.с.№905735) и созданию стендов контроля качества сборного режущего инструмента. В основу разработок положена научно-исследователь-ские работы кафедры, посвященные изучению влияния колебаний режущей пластины сборного режущего инструмента на его стойкость. Было установлено, что стойкость режущего инструмента возрастает с уменьшением амплитуды колебаний, величина которой определяется жёсткостью стыка «режущая пластина-державка». Эти результаты исследований иснользо-ваны при разработке способа и стенда для неразрушающего контроля качества сборного металлорежущего инструмента.
Предложенный способ состоит в нафужении режущего инструмента усилием, по величине и направлению совпадающим с силой резания, и измерении относительной деформации режущей пластины и державки. По полученным величинам рассчитывают жёсткость стыка "режущая пластина - державка", по которой судят о стойкости режущего инструмента. Для реализации этого способа были разработаны и изготовлены специальные стенды с ручным управлением и автоматизроваиные, также защищённые авторскими свидетельствами и патентами (А.с-ва №№924985, 1292431, 1361841, патент №2023542). Вариант одного из таких стендов для статических испытаний сборных токарных резцов в производственных условиях посвящена работа.
Созданные стенды позволили выявить через отклонения от прямолинейности опорной поверхности державки корреляцию вогнутости - выпуклости опорной поверхности сборного токарного резца с его стойкостью при резании. Оказалось, что наименьшая величина статической податливости около (10-г16)-103мкм/Н наблюдалось у державок с величиной отклонения от прямолинейности опорной поверхности от 25 до 250мкм в виде вогнутости. В то время как при наличии выпуклости увеличение отклонения от прямолинейности до 150мкм вызывает резкий рост податливости до 80-103мкм/Н. При наложении силового воздействия на режущую пластину с частотой, равной собственной частоте державки (око-ло 3500Гц), минимальное значение динамической податливости было около 1,2-102мкм/Н при отклонении от прямолинейности до 50мкм в виде вогнутости и при увеличении последнего до 150 мкм податливость резко возрастает и достигает 2,8-102мкм/Н. При наличии выпуклости динамическая податливость резко выросла до 4-102мкм/Н при увеличении отклонения от прямолинейности до 125мкм. Стойкостные испытания подтвердили вывод, что наибольшая стойкость резца имела место при отклонении от прямолинейности опорной поверхности державки в пределах 5+50мкм при наличии вогнутости.
В конце 80-х годов на кафедре начали научно-исследовательскую работу по исследованию перспективного процесса резания - фрезоточения, иначе, процесса, совмещающего элементы процессов точения и фрезерования. Процесс обработки обеспечивает образование элементной стружки вместо сливной, возможность съёма за один проход припуска большой
величины лезвием значительно меньшим по размеру, чем глубина резания, повышение производительности обработки и стойкости инструмента. В работе использовалась схема торцового фрезерования со взаимно перпендикулярными осями заготовки из и фрезы. Обработка заготовки из стали 45 велась торцовыми фрезами с механически закрепляемыми режущими пластинами из твёрдого сплава Т14К8, минералокерамики ВОК-71 и композита 05.
Опыты показали, что наименьшие значения шероховатости обработанной поверхности Rz 1,6-:-10мкм получены при обработке с глубиной резания в пределах 2*3мм со скоростью продольной подачи 0,01*0,5мм/об и частоте вращения заготовки 16*63мин’1. Увеличение и уменьшение глубины резания приводит к росту шероховатости, обусловленное виброустой-чивостыо системы; рост шероховатости наблюдался также при увеличении скорости продольной подачи до 1,5мм/об. В зависимости от условий обработки отклонение от круглости составила 6*50мкм, волнистость - 8*60мкм; при критерии износа режущих пластин 0,8мм получена стойкость фрез 350*400мин.
В ходе выполнения исследований создана фреза с установленными на её коническом корпусе режущих вставок и элементов их крепления по архимедовой спирали, достигая тем самым разбивку общего припуска на обработку на съём каждой режущей кромкой одинакового объёма металла. При фрезеровании первой вступает в работу вставка, расположенная на максимальном радиусе удаления от оси фрезы, и дополнительные вставки, обеспечивая тем самым повышение стойкости фрезы за счёт разбивки припуска на обработку. Получены рекомендации для черновой обработки деталей тел вращения из стали 45 методом фрезото-чения на станках мод.16К20 при точении фрезами с пластинами из твёрдого сплава Т5К10: скорость резания - 250*280м/мин, частота вращения заготовки - 125* *100мин"‘, скорость продольной подачи фрезерной головки - 0,8*1,8мм/об, глубина резания - 0,5*5мм, подача на зуб фрезы - -0,1*0,4мм. При этом мощность привода фрезерной головки не превысила 3*5кВт, что подтверждается исследованиями других авторов.
Научно-исследовательская работа в области гидроприводов металлорежущих станков концентрировалась на исследовании рабочих процессов в объёмных насосах и гидродвигателях. Работы относились в основном к пластинчатым насосам и пружинно-гидравлическим устройствам, используемым для зажима заготовок или режущего инструмента. Результаты этих работ были изложены в 21 публикации в центральных изданиях и изданиях РУДН и в монографии [4]; получено 14 авторских свидетельств и патентов.
Выполнение научно-исследовательских работ кафедра проводила на основе договоров о научно-техническом сотрудничестве с ГСПКТБ "Оргприминструмент", НИИинструмент, НПО ЭНИМС, ПО "Красный пролетарий", ПО "Станкостроительный завод им. С.Орджони-кидзе", Харьковский инструментальный завод, Н-Краматорский завод тяжёлого станкостроения и др.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кудинов В.Л. Динамика станков. -М.: Машиностроение, 1967. -367с
2. Методика испытания токарных станков средних размеров общего назначения на виброустойчивость при резании. -М.: ЭНИМС, 1961. -37с.
3.Определение амплитудно-фазовой частотной характеристики станков средних размеров и её анализ. Методические рекомендации. -М.: ЭНИМС, 1974. -78с.
4.Пружинно-гидравлическая зажимная оснастка для металлорежущих станков. Под общ. ред. Л.М.Мышлевского. -М.Машиностроение, 1983. -149с.
RESEARCH OF MACHINE AND CUTTING TOOLS PROPERTIES V.A.Azarov, L.M.Mishlevski, V.V.SoIoviev B.B., V.I.Kravchenya
Department of Mechanical Engineering, Machine Tools and Tooling Peoples’ Friendship University of Russia Miklukho-Maklccya st., 6, 117198 Moscow, Russia
Here is given results of analysis of the cutting process dynamic property as an electromechanical simulation of the cutting process and research of machine tool dynamic properties upon the quality of turned parts; principal aspects of
creation of stands for built-up cutting tool tests and investigations in static conditions and iniluenec of deviations from straightness of cutting tool base surfaces upon their static and dynamic rigidity as well; results of exploration of turning process with face mills and recommendations for its realization.
Владимир Афанасьевич Азаров родился « 1939 г., окончил в 1966 г. РУДН. Канд. техн. наук, доцент кафедры Технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментом РУДН. Автор 50 научных работ.
V.A. Azarov (h. 1939) graduated lroni Peoples’ Friendship University of Russia in 1966. PhD(Kng), ass. prolessor of “Mechanical 1 engineering, Machine Tools and Tooling" Department of Peoples’ Friendship University of Russia. Author of 50 publications.
Леонид Маркович Мышлевский родился н 1928 г., окончил в 1952 г. МАИ. Канд. техн. наук, доцент кафедры Технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов РУДН. Автор 27 научных работ.
L.ML Mishlevskee (b. 192Н) graduated from Moscow Institute of Air Plane Design in 1952.. PhD(F.ng), ass. professor of “Mechanical Engineering, Machine Tools and Tooling” Department of Peoples1 Friendship University of Russia. Author of 27 publications.
І ' if
f . $
Виктор Викторович Соловьёв родился в 1945 г., окончил в 1971 г. СТАНКИН. Канд. техн. наук, доцент кафедры Технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов РУДН. Автор 8 научных работ.
V.V. Solovjev (b. 1945) graduated from Moscow Institute of Machine Tool and Tooling Design in 1971. PhD(Eng), ass. professor of “Mechanical Engineering, Machine Tools and Tooling” Department of Peoples’ Friendship University of Russia. Author of 8 publications.
Валерий Иванович Кравченя родился в 1949 г., окончил в 1977 г. РУДН. Канд. техн. наук, доцент кафедры Технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов РУДН. Автор 6 научных работ.
V.I. Kravtchenya (b. 1949) graduated from Peoples’ Friendship University of Russia in 1977. PhD(Eng), ass. professor of “Mechanical Engineering, Machine Tools and Tooling” Department of Peoples’ Friendship University of Russia. Author of 6 publications.
