CC BY
12
ТЕХНИКА, ТЕХНОЛОГИЯ, УПРАВЛЕНИЕ
УДК 621.923.4
А. В. Липов, П. Г. Павловский, В. А. Липов
ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНО-РОТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ КОНЦЕВОГО ТВЕРДОСПЛАВНОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
Аннотация. Рассматриваются различные способы обработки с использованием свободного абразивного наполнителя для округления режущих кромок твердосплавного инструмента и указываются их достоинства и недостатки. Приводятся описание оснастки и результаты исследований центробежно-ротацион-ной шпиндельной обработки концевого режущего инструмента на примере торцевой фрезы со вставными твердосплавными ножами.
Ключевые слова: режущий инструмент, твердый сплав, центробежно-ротационная обработка, радиус округления, режущая кромка, шероховатость рабочих поверхностей инструмента.
Режущий инструмент из твердых сплавов по сравнению с инструментом из быстрорежущих сталей находит все большее применение при механической обработке [1]. Это происходит благодаря наличию у такого инструмента более высоких характеристик износостойкости, твердости, теплостойкости и допустимых скоростей резания. Однако из-за хрупкости твердых сплавов при различных видах обработки (особенно при черновой обработке и прерывистом резании) на его режущих кромках могут появляться сколы и выкрашивания, которые ухудшают качество обрабатываемой поверхности. Эти дефекты появляются из-за недостаточной прочности режущего клина инструмента. Одним из способов ее повышения является округление режущих кромок [2, 3]. При этом также повышается производительность обработки, износостойкость инструмента и упрощается нанесение различных покрытий на рабочие поверхности.
Одним из распространенных способов округления режущих кромок является способ обработки в свободном абразивном наполнителе (виброабразивная обработка, шпиндельная обработка в подвижных и неподвижных контейнерах, магнитно-абразивная обработка, дробеструйная обработка и т.д.) [2-5]. Выбор вида обработки определяется прежде всего видом инструмента, который бывает цельным, т.е. полностью изготовленным из твердого сплава, и со сменными или напайными режущими пластинами. Кроме того, он бывает однолезвийным, многолезвийным, стержневым, концевым и т.д.
Так, шпиндельный вид обработки свободным абразивом в неподвижных (Drag Finishing) и подвижных (Stream Finishing) контейнерах применяется для округления режущих кромок на концевом инструменте. При этом данный вид округления режущих кромок инструмента не позволяет обрабатывать твердосплавные пластины, особенно пластины без центральных отверстий.
Для обработки сменных многогранных пластин (СМП) из твердых сплавов согласно ГОСТ 19086-80 «Пластины сменные многогранные твердосплавные. Технические условия» рекомендуется использовать виброабразивную обработку. Данный вид обработки свобод-
© Липов А. В., Павловский П. Г., Липов В. А., 2020.
ным абразивом можно осуществлять по нескольким схемам [3, 6]: обработка твердосплавных пластин «внавал», обработка поштучно в отдельных ячейках ложементов, обработка пластин с центральным отверстием в кассетном барабане и обработка пластин без центральных отверстий в барабанах. Главным недостатком виброабразивной обработки твердосплавных пластин является значительное время обработки, которое в некоторых случаях может достигать 4-6 ч [3].
Для округления режущих кромок как твердосплавных пластин, так и концевого многолезвийного инструмента можно использовать центробежно-ротационную обработку (ЦРО). Данный вид обработки осуществляется на центробежно-ротационных станках (ЦРС), у которых рабочая камера выполнена в виде неподвижной цилиндрической или граненой обечайки, футерованной полиуретаном, и вращающегося дна - ротора, который в наиболее распространенном варианте имеет форму тарелки. Суть обработки заключается в том, что обрабатываемые сменные многогранные и напайные твердосплавные пластины помещаются вместе с абразивным наполнителем в рабочую камеру ЦРС. За счет вращения ротора станка загрузка рабочей камеры вовлекается в сложное тороидально-винтовое движение. ЦРО режущих кромок инструмента можно осуществлять по нескольким схемам с использованием одного и того же ЦРС: обработка «внавал», шпиндельная обработка и обработка в емкостях. Схемы ЦРО приведены на рис. 1.
а)
б)
в)
Рис. 1. Схемы центробежно-ротационной обработки: а - обработка «внавал», б - обработка в контейнерах, в - шпиндельная обработка; 1 - обечайка; 2 - абразивный наполнитель; 3 - обрабатываемая деталь; 4 - ротор; 5 - емкость;
6 - шпиндельное приспособление
Проведенные исследования ЦРО СМП «внавал» показали [7], что такой вид обработки значительно производительней по сравнению с виброабразивной обработкой. Однако он не исключает взаимного соударения пластин между собой в процессе обработки, которое может приводить к повреждению режущих кромок в виде сколов и выкрашиваний. Для исключения соударений пластин между собой необходимо обеспечивать соотношение обрабатываемых пластин и абразивного наполнителя 1:25 [7], что в некоторых случаях может быть экономически нецелесообразным. Полного исключения соударений между сменными многогранными или напайными твердосплавными пластинами можно добиться используя ЦРО в емкостях (см. рис. 1,6) [8]. При ЦРО по такой схеме пластины вместе с абразивным наполнителем загружают в емкости 5, которые затем свободно размещают в рабочей камере ЦРС. Достоинством данной обработки является возможность размещения в каждой емкости различных пластин и абразивного наполнителя, что расширяет технологические возможности ЦРО. При этом по сравнению с обработкой «вна-вал» производительность снижается на 10-15 % из-за уменьшения величин скоростей и давлений воздействия на пластины.
Описанные схемы ЦРО твердосплавных пластин не позволяют обрабатывать концевой многолезвийный инструмент. Для обработки такого режущего инструмента подходит шпиндельная ЦРО (см. рис. 1,в).
Обрабатываемый режущий инструмент (сверла, зенкеры, фрезы и т.д.) устанавливается в специальном шпиндельном приспособлении 6. Затем инструмент вводится в тороидально-винтовой поток под углом а к оси рабочей камеры ЦРС. Значение угла а выбирают из обеспечения требуемого угла соударения абразивного наполнителя с обрабатываемой поверхностью [9]. Для максимального съема металла необходимо обеспечить угол соударения наполнителя с обрабатываемой поверхностью в пределе от о до 30°.
Оценка производительности ЦРО концевого инструмента с твердосплавной рабочей частью осуществлялась на примере торцевой фрезы 2214-0153 со вставными ножами 2021-0013, размеры и конструкции которых выполнены в соответствии с ГОСТ 9473-90. В качестве режущей части ножей использовались пластины 20050, выполненные из твердого сплава ВК8 в соответствии с ГОСТ 25408-90.
Обработка торцевых фрез проводилась на ЦРС с объемом рабочей камеры 50 л. Привод вращения ротора станка оснащен асинхронным электродвигателем с частотным преобразователем модели УГО037Е43А и преобразователем интерфейсов модели АС-4, который позволяет управлять частотой вращения ротора с компьютера.
Кинематическая схема специального шпиндельного приспособления приведена на рис. 2. Оно оснащено двигателем постоянного тока модели Д-500МФ, управляемым от источника питания модели Б5-21. Контроль частот вращения ротора и вала шпиндельного приспособления осуществлялся лазерным тахометром модели АЯ-926.
Торцевую фрезу со вставными ножами в сборе затачивали на универсально-заточном станке модели 3Е642Е. В качестве абразивного наполнителя были выбраны фарфоровые шары диаметром 5 мм. В процессе обработки в рабочую камеру подавалась жидкость в виде 5 % раствора средства «Флай-2» (ТУ 2383-004-5372 1969-00). В ходе проведения исследований контролировались следующие параметры режущей части инструмента: радиус округления режущей кромки р и шероховатость Яа передних и задних поверхностей ножей. Для измерения радиуса р использовался инструментальный микроскоп модели ММИ-2, а для измерения шероховатости - профилограф-профилометр модели 201.
Рис. 2. Кинематическая схема шпиндельного приспособления
Проведение экспериментальных исследований осуществлялось при следующих условиях: частота вращения ротора ЦРС ю изменялась от 15 до 20 с"1, частота вращения шпиндельного приспособления - от 1 до 8 с"1, угол а принимался постоянным и равным 12°, абразивный наполнитель загружался в рабочую камеру станка в объеме 15 л. Измерения р и Яа проводились через 5 мин.
На рис. 3 приведены зависимости изменения радиуса округления режущих кромок р торцевой фрезы от времени обработки t при различных частотах вращения шпиндельного приспособления и вала ротора станка. Из рисунка видно, что с увеличением частоты вращения шпиндельного приспособления и с уменьшением частоты вращения вала ротора производительность обработки несколько увеличивается. Кроме того, было установлено, что при частоте вращения ротора ю = 20 с"1 наблюдалось дробление абразивного наполнителя, а на рабочих поверхностях обрабатываемого режущего инструмента появлялись сколы и задиры. Таким образом, для данных условий обработки частоту вращения ротора следует назначать менее 20 с"1.
а)
б)
Рис. 3. Зависимости изменения радиуса округления режущих кромок р от времени обработки V. а - при ю = 15 с"1; б - при «1 = 8 с"1
На рис. 4 приведены зависимости изменения шероховатости рабочих поверхностей торцевой фрезы Яа от времени обработки t при различных частотах вращения вала ротора станка и шпиндельного приспособления. Из рисунка видно, что шероховатость передней поверхности значительно повышается при увеличении числа оборотов вала ротора; изменение частоты вращения шпиндельного приспособления практически не влияет на изменение шероховатости передней поверхности. Значительная разница изменения шероховатости задней и передней поверхностей объясняется тем, что задняя поверхность у торцевой фрезы расположена снаружи, а передняя - внутри корпуса, тем самым затрудняя доступ к ней абразивного наполнителя.
Рис. 4. Зависимости изменения шероховатости рабочих поверхностей Яа
от времени обработки t: а - при ю = 15 с"1 и «1 = 1 с"1; б - шероховатости передней поверхности при ю = 15 с"1; в - шероховатости передней поверхности при «1 = 8 с"1
Проведенные предварительные экспериментальные исследования подтвердили возможность применения шпиндельной ЦРО для округления режущих кромок концевого многолезвийного инструмента за сравнительно незначительное время для назначаемых величин р. При этом также снижается шероховатость рабочих поверхностей режущего инструмента. Предлагаемая конструкция шпиндельного приспособления проста, легко демонтируется со станка, позволяя задействовать его для реализации других схем ЦРО. В дальнейшем необходимо проведение экспериментальных исследований с увеличением изменяемых параметров обработки (вида абразивного наполнителя, угла наклона приспособления и т.д.), дающих возможность получить зависимости для расчета условий обработки и режимов работы ЦРС.
Библиографический список
1. Режущий инструмент : учебник / Д. В. Кожевников, В. А. Гречишников, С. В. Кирсанов, С. Н. Григорьев. - 4-е изд. - Москва : Машиностроение, 2014. - 520 с.
2. Denkena, B. Cutting Edge Geometries / B. Denkena, D. Biermann // CIRP Annals - Manufacturing Technology. - 2014. - № 63. - P. 631-653.
3. Сборный твердосплавной инструмент / Г. Л. Хает, В. Л. Гах, К. Г. Громаков и др. ; под общ. ред. Г. Л. Хаета. - Москва : Машиностроение, 1989. - 256 с.
4. Бабаев, А. С. Исследование влияния условий буксирного полирования режущих инструментов на изменение микрогеометрии режущих кромок / А. С. Бабаев, В. П. Чарторийский, Н. В. Лаптев // Актуальные проблемы в машиностроении. - 2017. - № 1. - С. 75-80.
5. Силантьев, В. С. Магнитно-абразивная обработка твердосплавного режущего инструмента /
B. С. Силантьев, Д. Ю. Кружалин, В. Ю. Басов // Инновационная наука. - 2015. - № 8. -
C.69-73.
6. Липов, А. В. Отделочно-зачистная обработка сменных многогранных пластин режущего инструмента / А. В. Липов, Г. С. Большаков, А. Л. Чернов // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2013. - № 1 (5). - С. 160-164.
7. Липов, А. В. Центробежно-ротационная обработка сменных многогранных пластин режущего инструмента / А. В. Липов, Н. Н. Нырков // Проблемы исследования и проектирования машин. Новые химические технологии, защитные и специальные покрытия: производство и применение : сб. ст. XII Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Приволжский Дом знаний, 2019. -С. 6-11.
8. Липов, А. В. Особенности центробежно-ротационной обработки сменных многогранных пластин режущего инструмента / А. В. Липов, П. Г. Павловский, В. А. Липов// Инновации технических решений в машиностроении и транспорте : сб. ст. VI Всеросс. науч.-техн. конф. для молодых ученых и студентов с междунар. участием (19-20 марта 2020). - Пенза : РИО ПГАУ, 2020. -С. 100-102.
9. Трилисский, В. О. Повышение эффективности отделочно-зачистных операций путем создания теории, оборудования и технологии объемной центробежно-ротационной обработки деталей : автореф. дис. ... д-ра техн. наук / Трилисский В. О. - Москва, 1992. - 38 с.
Липов Александр Викторович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой компьютерного проектирования технологического оборудования, Пензенский государственный университет. E-mail: mrs3@pnzgu.ru
Павловский Павел Геннадьевич, старший преподаватель, кафедра компьютерного проектирования технологического оборудования, Пензенский государственный университет. E-mail: mrs@pnzgu.ru
Липов Виталий Александрович, магистрант, Пензенский государственный университет. E-mail:hwm3ios@gmail.com
Образец цитирования:
Липов А. В. Исследование центробежно-ротационной обработки концевого твердосплавного режущего инструмента / А. В. Липов, П. Г. Павловский, В. А. Липов // Вестник Пензенского государственного университета. - 2020. - № 4 (32). - С. 89-94.
