CC BY
95
УДК 621.923.01
А. В. Липов, Г. С. Большаков, А. Л. Чернов
ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ СМЕННЫХ МНОГОГРАННЫХ ПЛАСТИН РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА БЕЗ ЦЕНТРАЛЬНЫХ ОТВЕРСТИЙ
Аннотация.
Актуальность и цели. Сменные многогранные пластины (СМП) режущего инструмента могут подвергаться вибрационной обработке в среде абразивного наполнителя для повышения прочности режущих кромок путем их округления. Величина радиуса округления зависит от материала и диаметра вписанной окружности. При использовании вибрационной обработки по схеме «вна-вал» СМП и наполнителя в рабочей камере станка из-за столкновения деталей между собой возможно возникновение их брака в виде сколов и выкрашиваний на режущих кромках. Для исключения брака предложено проводить обработку СМП в отдельных локальных полостях рабочего барабана, свободно загружаемого в рабочую камеру станка. Цель работы - определение для предложенной конструкции вибрационного устройства рациональных геометрических размеров элементов и технологических параметров, обеспечивающих обработку СМП без брака.
Материалы и методы. Использованы основные положения геометрии, теоретической механики и статистической обработки результатов экспериментальных исследований. Эксперименты проводились на пластинах из твердого сплава Т15К6 с использованием вибрационного станка мод. ВМ12.
Результаты. Предложены зависимости для расчета геометрических параметров рабочего барабана в зависимости от размеров рабочей камеры станка.
На примере конкретного вибрационного устройства разработана методика экспериментального определения технологических параметров, обеспечивающих обработку СМП без брака.
Выводы. Выработаны принципы реализации предложенной конструкции вибрационного устройства для повышения прочности СМП, позволяющие проводить обработку без брака с использованием без дополнительной доработки промышленного оборудования.
Ключевые слова: сменная многогранная пластина (СМП), режущая кромка, вибрационное устройство, рабочая камера, рабочий барабан, абразивный наполнитель, обрабатывающая среда, локальная полость, коробчатый контейнер, технологические параметры, режимы обработки.
A. V. Lipov, G. S. Bol'shakov, A. L. Chernov
STUDY OF VIBRATION TREATMENT OF CHANGEABLE POLYHEDRAL PLATES OF CUTTING TOOLS WITHOUT CENTRAL HOLES
Abstract.
Background. Changeable polyhedral plates (CPP) of cutting tools can be subjected to vibration treatment in the environment of abrasive fillers to increase durability of the cutting edges by rounding. The rounding radius value depends on the material and diameter of the inscribed circle. When using the vibration treatment on a "pie" CPP and a filler in the working chamber of the machine, due to the collision
of parts, there may occur flaws in the form of chips and ritting on cutting edges. To prevent flaws it is suggested to process CPP in separate local cavities of a working drum, easily insertable in the working chamber of the machine. The aim of the study is to determine for the suggested vibration device design rational geometrical sizes of elements and technological parameters, providing CPP processing without flaws.
Materials and methods. The authors used the main provisions of geometry, theoretical mechanics and statistical processing of experimental research results. The experiments were carried out on plates of T15K6 hard alloy using the vibrating machine of mod. VM. 12.
Results. The researches suggested dependencies for calculation of geometric parameters of a working drum depending on the dimensions of the working chamber of the machine. By example of the particular vibration device the authors developed a method of experimental determination of technological parameters, providing CPP processing without flaws.
Conclusions. The researchers developed the principles of implementation of the proposed design of a vibration device to increase the strength of CPP, which allow to process materials without flaws on industrial equipment without any additional modification.
Key words: changeable polyhedral plates (CPP), edge, vibrating device, working chamber, work dryer, abrasive fillers, manufacturing environment, local cavity, box-shaped container, technological parameters, processing modes
Введение
Сменные многогранные пластины (СМП) режущего инструмента широко применяются в современном машиностроительном производстве. На их долю приходится около 70 % всей срезаемой стружки. Одним из способов повышения прочности твердосплавного инструмента является округление его режущих кромок. Однако с увеличением радиуса округления р также повышаются силы резания и температура рабочих поверхностей инструмента, что в дальнейшем отрицательно сказывается на его работоспособности.
В соответствии с ГОСТ 19086-80 требуемая величина р задается в зависимости от марки твердого сплава, диаметра вписанной окружности СМП и находится в пределах от 0,02 до 0,1 мм. При этом для округления режущих кромок рекомендуется использовать вибрационную обработку в среде абразивного наполнителя.
В зависимости от способа крепления СМП они бывают с центральными отверстиями и без них. При вибрационной обработке с размещением деталей обоих видов и наполнителя в U-образных рабочих камерах станков по схеме «внавал» возможно появление сколов и выкрашиваний режущих кромок СМП. Это происходит из-за столкновений деталей между собой при обработке. При определенных величинах сколов и выкрашиваний, а также при их расположении такие дефекты могут привести к браку деталей.
Для исключения столкновений СМП с центральными отверстиями они устанавливаются в кассетных барабанах различной конструкции, которые закрепляются либо свободно размещаются в рабочих камерах станков. Наиболее рациональны в эксплуатации свободно размещаемые кассетные барабаны [1, 2]. Их основными достоинствами являются отсутствие необходимости доработки промышленных вибрационных станков, их остановки для загрузки-выгрузки барабанов, а также возможность совмещения времени об-
работки СМП в одном барабане с их установкой в другом. Использование таких барабанов для обработки СМП без центральных отверстий требует значительного усложнения их конструкций, а в некоторых случаях и невозможно.
1. Устройство для вибрационной обработки СМП без центральных отверстий
Для исключения столкновений СМП без центральных отверстий между собой при вибрационной обработке и появления при этом брака деталей в виде сколов и выкрашиваний на их режущих кромках была разработана конструкция рабочего барабана [3] (рис. 1). Барабан выполнен в виде пакета контейнеров коробчатого типа 1, которые соосно и последовательно скреплены между собой центральной осью 2 с гайками. Последний контейнер снабжен крышкой 3.
1 2 4
Рис. 1. Рабочий барабан
Каждый контейнер имеет глухие цилиндрические камеры 4, которые служат для размещения в них по одной обрабатываемой детали и порции обрабатывающей среды (абразивного наполнителя и рабочей жидкости). В собранном виде камеры 4 наглухо перекрываются дном соседнего контейнера, а в последнем контейнере - крышкой 3. Таким образом, в собранном виде в рабочем барабане образуются локальные полости, в которых размещены детали по отдельности от других деталей со своей порцией обрабатывающей среды.
Устройство работает следующим образом. Перед обработкой осуществляется сборка рабочего барабана. В первый нижний контейнер (в каж-
дую локальную полость) закладываются по одной детали и по порции обрабатывающей среды. Далее на центральной оси монтируется второй контейнер и «заряжается» и т.д. Собранный барабан скрепляется гайками по оси и размещается в рабочей камере вибрационного станка (рис. 2). Затем включается вибратор, обычно в виде вращения вала эксцентрика.
Рис. 2. Устройство для вибрационной обработки
Под действием вибрации рабочий барабан 1, детали 2 и обрабатывающая среда 3 совершают колебательно-вращательные движения в направлении вращения эксцентрика 4. В результате этих движений в каждой локальной полости производится перемешивание детали с обрабатывающей средой и осуществляется обработка деталей без их контакта друг с другом.
Геометрические размеры барабана, локальных полостей, диаметр окружности, по которой они расположены в контейнере, их количество и количество контейнеров определяются из рис. 1 и 2. При этом для обеспечения обработки наружный диаметр рабочего барабана й выбирается из условия
й = (0,7 -0,95)) , (1)
где В - внутренний диаметр округлой части и-образной рабочей камеры.
Наибольшая длина рабочего барабана I (без учета возможного размещения за его габаритами центральной оси с гайками) определяется из следующего условия:
l < 0,9L , (2)
где L - длина рабочей камеры.
Рабочая длина и диаметр локальной полости соответственно 1д и dд выбираются из условия
1д > 3а ; dд > 3а, (3)
где а - наибольший геометрический размер обрабатываемой СМП.
С учетом толщины дна локальной полости b длина коробчатого контейнера 1к определится как
1К = 1П + b . (4)
Количество коробчатых контейнеров n в рабочем барабане определяется по формуле
n = ‘-^, (5)
lK
где 1кр - толщина крышки рабочего барабана.
При выборе размеров 1кр и b при проектировании рабочего барабана необходимо учитывать вид материала, из которого изготовлены коробчатый контейнер и крышка, а также технологии их изготовления. Обычно принимают 1кр = 5...7 мм и b = 3...5 мм.
При выборе диаметра окружности dn , по которой следует располагать локальные полости, необходимо учитывать, что при максимально допустимой его величине представляется возможность либо увеличения их количества, что повышает производительность обработки, либо их геометрических размеров, что расширяет технологические возможности использования рабочего барабана. Обычно величину dn определяют из условия
dn < d - dn-(...10), мм. (6)
2. Технологические параметры вибрационной обработки СМП без центральных отверстий
Технологические параметры вибрационной обработки СМП характеризуются условиями и режимами ее проведения. При этом к условиям обработки относятся вид и размеры наполнителя, степень заполнения локальных полостей, состав и количество рабочей жидкости. К технологическим режимам относятся амплитуда, частота колебаний рабочей камеры и время обработки.
Установлено, что величина скорости вращения рабочего барабана влияет на производительность обработки, а равномерность вращения - на ее качество. При этом с повышением скорости производительность увеличивается, а при равномерном вращении барабана создается направленное равномерное перемешивание деталей и обрабатывающей среды в локальных полостях, что обеспечивает необходимое качество обработки.
Таким образом, для обеспечения качественной производительной обработки СМП необходимо определенным сочетанием ее параметров задавать
равномерное вращение барабану, создающее интенсивное направленное перемешивание деталей и наполнителя. При этом необходимо учитывать, что в промышленных вибрационных станках обычно задают только амплитуду колебаний рабочей камеры при постоянной частоте.
В связи с вышеизложенным необходимо экспериментально исследовать влияние на процесс обработки СМП таких параметров, как амплитуда колебаний рабочей камеры, вид наполнителя, степень заполнения локальных полостей и вес барабана.
3. Экспериментальные исследования
Экспериментальные исследования проводились в два этапа. На предварительном этапе было определено влияние вышеуказанных параметров на работоспособность предлагаемого устройства. На втором этапе была проведена обработка конкретных СМП с определенным временем до получения требуемого радиуса округления режущих кромок. Для исследований использовался промышленный вибрационный станок мод. ВМ 12 с амплитудой колебаний рабочей камеры 1,5; 2,5 и 3,5 мм при постоянной частоте 25 Гц.
Для предварительных исследований был изготовлен экспериментальный барабан (рис. 3).
2
1
Рис. 3. Экспериментальный барабан
Вместо локальных полостей в барабане использовались шесть полипропиленовых труб 1 с наружным диаметром 50 мм, которые равномерно по окружности были скреплены между собой и установлены в полипропиленовую трубу 2 диаметром 200 мм для обеспечения формы барабана. Торцы барабана закрывались крышками 3 из органического стекла для возможности визуального наблюдения за процессом перемешивания деталей и наполнителя. Для этих же целей длина барабана составляла 0,7 длины рабочей камеры.
Для исследования влияния амплитуды колебаний рабочей камеры на процесс обработки в каждом эксперименте трубы равномерно загружались на 75 % только наполнителем ПТ 10x10. Вес барабана составлял 3 кг. В процессе обработки с помощью секундомера и продольной линии, нанесенной на боковую поверхность барабана, определялась его угловая скорость. Вид вращения барабана и перемешивания наполнителя оценивался визуально.
Установлено, что при амплитуде 2,5 мм вращение барабана осуществляется с остановками, что приводит к неравномерному перемешиванию наполнителя. При амплитуде колебаний рабочей камеры 3,5 мм вращение барабана происходит в режиме с «подбрасыванием», что вызывает хаотическое перемешивание наполнителя по сечению трубы. При амплитуде 1,5 мм наблюдается вращение барабана с постоянной угловой скоростью, вызывающей направленное перемешивание обрабатывающей среды, что в дальнейшем будет соответствовать качественной обработке по сравнению с двумя ранее проведенными экспериментами.
Для исследования влияния вида наполнителя, степени заполнения локальных полостей и массы барабана на процесс обработки были проведены эксперименты с использованием вышеуказанного устройства. В качестве наполнителя применялись фарфоровые шары 013..15 мм (насыпной вес 1,3 • 103 кг/м3) и гранулы электрокорунда ПТ 10x10 (насыпной вес
1,3 • 103 кг/м3). Для значительного увеличения массы барабана были использованы стальные шары 05...7 мм (насыпной вес 4,5 • 103 кг/м3), которые не применяются для обработки СМП. Степень заполнения труб в каждом эксперименте составляла соответственно 25, 50, 75 и 100 %. Для получения достоверных результатов каждый эксперимент был проведен 5 раз. Во всех исследуемых случаях, кроме 100 % заполнения труб, визуально наблюдалось направленное перемешивание наполнителя.
На рис. 4 приведены зависимости величины угловой скорости вращения от вида наполнителя и степени заполнения локальных полостей, полученные с доверительным интервалом 5 %.
Из результатов проведенных экспериментов видно, что:
1) рациональная степень заполнения локальных полостей находится в диапазоне от 50 до 80 %, что не противоречит результатам исследований, приведенных в работе [4];
2) при использовании различных видов наполнителя примерно с одинаковым насыпным весом (фарфоровые шары и ПТ 10x10) величина угловой скорости вращения барабана при всех исследуемых степенях заполнения труб практически не изменяется;
3) масса барабана неоднозначно влияет на величину его угловой скорости вращения. При всех степенях заполнения труб стальными шарами (кроме 100 %) ее величина значительно выше, чем при использовании других видов наполнителя. При 100 % заполнении труб всеми видами наполнителя, т.е. когда не происходит их перемешивание, угловые скорости вращения барабана совпадают.
Для исследования влияния массы барабана на величину его угловой скорости вращения были проведены эксперименты при следующих условиях:
1. Три трубы из шести через одну загружались наполнителем ПТ 10x10 на 75 %. Три трубы оставались незагруженными. Вес барабана составлял 4,3 кг.
2. Оставшиеся свободными три трубы на 100 % загружались наполнителем ПТ 10x10. Вес барабана составлял 6,6 кг.
3. Трубы, заполненные наполнителем ПТ 10x10 на 100 % через одну, освобождались и в них загружался наполнитель в виде «дикого камня» со степенью заполнения 100 %. Вес барабана составлял 7,3 кг.
4. В трубы вместо «дикого камня» загружались стальные шары 05.. .7 мм со степенью заполнения 100 %.
стальные шары
фарфоровые
шары
абразивные
гранулы
Рис. 4. Зависимости величины угловой скорости вращения рабочего барабана ю от вида наполнителя и степени заполнения у его локальных полостей
Загрузка труб со степенью 100 % позволяет избежать влияния на результаты исследования сыпучести наполнителя.
На рис. 5 приведена зависимость величины угловой скорости вращения барабана для вышеописанных случаев загрузки труб, полученная с доверительным интервалом 5 %.
Из результатов проведенных экспериментов установлено, что для данного устройства при вышеприведенных условиях величина угловой скорости вращения барабана увеличивается до его массы примерно 6,6 кг и далее не изменяется.
Для исследования вибрационной обработки конкретных СМП было проведено округление режущих кромок двухсторонних пластин £^Ц^-090308, изготовленных из твердого сплава Т15К6, с диаметром вписанной окружности 9,525 мм и наибольшим линейным размером 12,81 мм.
Рабочий барабан длиной 330 мм, диаметром 200 мм состоял из шести коробчатых контейнеров, в каждом из которых находилось шесть локальных полостей с йл = ¡л = 48 мм, расположенных по окружности диаметром
142 мм. Диаметры барабана, локальных полостей и их расположения в коробчатых контейнерах соответствовали размерам барабана, используемого при предварительных исследованиях.
Рис. 5. Зависимость величины угловой скорости вращения рабочего барабана ю от его массы т
Обработка проводилась также на промышленном вибрационном станке ВМ 12 при амплитуде колебаний рабочей камеры 1,5 мм и частоте 25 Гц. В качестве обрабатывающей среды использовался абразивный наполнитель ПТ 10x10 и рабочая жидкость - 3 % раствор кальцинированной соды, которая служит для смачивания СМП и наполнителя. Загрузка локальных полостей осуществлялась на 75 %.
В первом эксперименте обработка проводилась при всех загруженных деталями и обрабатывающей средой локальных полостях. Вес барабана составлял 5,5 кг.
Во втором эксперименте в каждом коробчатом контейнере три полости через одну загружались стальными шарами диаметром 5...7 мм на 100 %, а остальные три - деталями и обрабатывающей средой. Сборка коробчатых контейнеров проводилась таким образом, чтобы полости, загруженные шарами и деталями с обрабатывающей средой, совпадали. Вес барабана составлял
10,3 кг.
В третьем эксперименте разгружались полости, загруженные на 100 % стальными шарами, и в них загружался наполнитель в виде «дикого камня» также на 100 % степени заполнения. Вес барабана составлял 6,7 кг.
В соответствии с ГОСТ 19086-80 радиус округления режущих кромок р этой пластины должен находиться в пределах от 0,03 до 0,05 мм. В процессе проведения экспериментов величина р измерялась через каждые 20 мин обработки, а через 40 мин ее проведения - через каждые 10 мин. Измерения проводились с помощью инструментального микроскопа ММИ-2 с блоком цифровой индикации мод. УЦМ. Первоначальный радиус округления р СМП в стадии поставки находился в пределах от 0,005 до 0,01 мм.
Проведенные исследования показали, что в первом эксперименте время обработки составило 60 мин, во втором и третьем случаях - 70 мин, что соответствует результатам, приведенным на рис. 5. Следует отметить, что трудоемкость проведения экспериментов (последовательная разборка и сборка рабочего барабана, измерение р каждой СМП для установления нахождения его величины в требуемом диапазоне и т.д.) в данном случае не позволила более точно определить время обработки, но показала качественную картину ее изменения.
Заключение
Предложена конструкция рабочего барабана для вибрационного устройства, обеспечивающая округление режущих кромок СМП в его отдельных локальных полостях, что позволяет исключить дефекты в виде сколов и выкрашиваний на элементах обрабатываемых деталей, появление которых возможно при реализации традиционных схем обработки. Получены выражения для определения рациональных параметров элементов рабочего барабана в зависимости от габаритных размеров рабочих камер промышленных вибрационных станков. Приведены методика проведения и результаты экспериментальных исследований, позволяющие для конкретного вибрационного устройства назначать условия и режимы вибрационной обработки. Полученные результаты необходимы также для разработки модели предложенной обработки, которая позволит определять расчетом ее режимы проведения для различных типоразмеров используемого оборудования.
Список литературы
1. Пат. 2286239 РФ, С1В24В31/06. Устройство для вибрационной обработки деталей / Трилисский В. О., Панчурин В. В., Большаков Г. С. - № 2005126278 ; заявл. 18.07.2005; опубл. 27.10.06, Бюл. № 3.
2. Тр илисский, В. О. Финишная обработка сменных многогранных пластин с центральными отверстиями / В. О. Трилисский, Г. С. Большаков, А. В. Липов, Е. Н. Ярмоленко // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. - № 2 (14). - С. 131-137.
3. Пат. 2502590 РФ, С1В24В31/06. Устройство для вибрационной обработки деталей / Липов А. В., Кирин Е. М., Большаков Г. С., Чернов А. Л., Артемова Н. Е. -№ 2012146172 ; заявл. 29.10.2012 ; опубл. 27.12.13, Бюл. № 36.
4. Зверовщиков, В. З. Динамические характеристики уплотненной массы рабочей загрузки при объемной центробежной обработке деталей / В. З. Зверовщиков, А. Е. Зверовщиков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2007. - № 1. - С. 140-150.
References
1. Pat. 2286239 Russian Federation, S1V24V31/06. Ustroystvo dlya vibratsionnoy obrabotki detaley [Device for vibration treatment of parts]. Trilisskiy V. O., Panchurin V. V., Bol'shakov G. S. No. 2005126278; zayavl. 18 Yul. 2005; opubl. 27.10.06, bull. no. 3.
2. Trilisskiy V. O., Bol'shakov G. S., Lipov A. V., Yarmolenko E. N. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2010, no. 2 (14), pp. 131-137.
3. Pat. 2502590 Russian Federation, S1V24V31/06. Ustroystvo dlya vibratsionnoy obrabotki detaley. [Device for vibration treatment of parts]. Lipov A. V., Kirin E. M., Bol'shakov G. S., Chernov A. L., Artemova N. E. No. 2012146172; zayavl. 29 Oct. 2012; opubl. 27 Dec. 13, bull. no. 36.
4. Zverovshchikov V. Z., Zverovshchikov A. E. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2007, no. 1, pp. 140-150.
Липов Александр Викторович
кандидат технических наук, доцент, кафедра металлообрабатывающих станков и комплексов, декан факультета машиностроения и транспорта, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: mrs@pnzgu.ru
Большаков Герман Сергеевич кандидат технических наук, доцент, кафедра металлообрабатывающих станков и комплексов, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: mrs@pnzgu.ru
Чернов Алексей Леонидович
аспирант, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: mrs@pnzgu.ru
Lipov Aleksandr Viktorovich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of metal-working machinery and complexes, dean of the faculty of mechanical engineering and transport, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Bol'shakov German Sergeevich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of metal-working machinery and complexes, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Chernov Aleksey Leonidovich Postgraduate student, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
УДК 621.923.01 Липов, А. В.
Исследование вибрационной обработки сменных многогранных пластин режущего инструмента без центральных отверстий / А. В. Липов, Г. С. Большаков, А. Л. Чернов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. - № 2 (30). - С. 127-137.
