CC BY
151
ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ
УДК 621.941.025.7
ОБОСНОВАНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕЙ ЧАСТИ ТОКАРНЫХ РЕЗЦОВ ДЛЯ ЧИСТОВОЙ ОБРАБОТКИ
НЕЖЕСТКИХ ДЕТАЛЕЙ
В.В. Иванов, А. А. Пряжникова
Предложена конструкция СМП для чистовой токарной обработки с укороченной передней поверхностью и рифлениями на задней поверхности. Проведена серия экспериментов о возможности применения данной конструкции СМП.
Ключевые слова: чистовая токарная обработка, твердосплавные сменные многогранные пластины, укороченная передняя поверхность, площадь контакта, стружка, плоская передняя поверхность, угол при вершине, рифления.
Обработка резанием до настоящего времени является наиболее распространенным технологическим приемом при изготовлении различных деталей в машиностроении. В ряде случаев такие детали имеют форму тел вращения в виде тонкостенных труб, колец, длинных и тонких валов и т.п., которые характеризуются низкой жесткостью. В результате этого их обработка сопряжена с технологическими затруднениями при обеспечении требуемой геометрической точности, а также шероховатости обработанной поверхности, ухудшаемой из-за возникновения вибраций в технологической системе. Поэтому в данных условиях необходимо обеспечить минимальный уровень сил резания, зависящий от геометрических параметров инструмента, а также степени его изношенности.
Известно [1], что для токарной обработки нежестких деталей в большей степени пригодны резцы, оснащенные СМП формы V (угол при вершине е = 35°) с малым радиусом закругления переходной режущей кромки (г = 0,2 и 0,4 мм). Исследованиями [2] установлено, что применение таких СМП с плоской передней поверхностью при резании пластич-
45
ных материалов способствует уменьшению площади взаимного контакта инструмента со стружкой. В результате этого уменьшается температура резания, а износостойкость инструмента повышается. Кроме того, процесс точения в таких условиях характеризуется меньшей силовой нагрузкой. Все это подтверждает целесообразность использования СМП с предлагаемой конфигурацией ее рабочей вершины для токарной обработки нежестких деталей. Однако для образования дробленой стружки плоская передняя поверхность должна сочетаться с уступом, отстоящем на определенном расстоянии от вершины СМП. Такое конструкторское решение широко апробировано в отечественной металлообработке и разработано достаточное количество рекомендаций по назначению геометрических параметров уступа, приведенных, например, в [3].
Необходимо акцентировать внимание на том, что ограничение контакта стружки с плоской передней поверхностью за счет уменьшения угла при вершине СМП наблюдается при резании только пластичных материалов и превалирующем завивании стружки в плоскости передней поверхности. Такой характер стружкозавивания встречается при точении с малыми глубинами резания и подачами, применяемыми в условиях чистовой обработки.
При резании хрупких материалов, например, чугунов, такого эффекта ожидать не следует. Это можно объяснить следующим. Во-первых, при резании хрупких материалов площадки контакта стружки с передней поверхностью гораздо меньше, чем при резании пластичных [4]. Во-вторых, образуется стружка надлома и о ее завивании речи быть не может. Поэтому установленные преимущества СМП с углом при вершине 35° при резании сталей не проявляются при обработке чугуна.
Выше приведенные рассуждения подтверждаются результатами следующих экспериментов, проведенных при растачивании отверстия в заготовках из серого чугуна СЧ21 (НВ 109...150). Заготовки в виде кольца с наружным диаметром 100 мм, внутренним диаметром 50 мм и толщиной 44 мм закреплялась в 3-х кулачковом патроне станка мод. 1К625. Растачивание отверстия проводили при частоте вращения шпинделя п = 1000 об/мин, ? = 0,5 мм и £ = 0,11 мм/об без применения охлаждения за 40 проходов. В результате этого окончательный диаметр расточенного отверстия составил 90 мм. При этом скорость резания изменялась от 157 м/мин до 282 м/мин, а суммарное время обработки составило 16 мин. В качестве инструмента были использованы расточные резцы с углом в плане ф = ф1 = 60°, обеспечивающие передний угол у = 0° при плоской передней поверхности СМП. В экспериментах применяли СМП 3-х гранной формы 20080422 по ТУ 48-19-307-80 (с радиусом при вершине г = 0,2 мм) из твердого сплава МС3210 (К20 по ИСО). На одной из вершин такой СМП путем заточки был сформирован угол при вершине е = 35°. В результате сравнительных испытаний в данных условиях установлено, что износ задней по-
верхности вершин СМП с углом 60° и 35° оказался практически одинаковым, а именно, 0,33 мм и 0,32 мм соответственно. Такой результат как раз и обусловлен спецификой стружкообразования при резании хрупких материалов.
Другим примером могут служить результаты экспериментов при обработке малопластичного алюминиевого сплава В96Ц1-Т1 (5 = 5%). Так, на рис. 1 показаны контактные площадки стружки с передней поверхностью СМП с углами при вершине е = 90° и е = 35°, а также образцы стружки.
Эти результаты получены при продольном точении без охлаждения с режимами резания: V = 178 м/мин, £ = 0,21 мм/об и ? = 1,0 мм. Геометрические параметры режущей части резца с СМП из твердого сплава МС321 (аналог ВК8): ф = 75°, ф1 = 15°, у = +6°, а = 6°, г = 0,8 мм.
є = 90° є = 35°
б
Рис. 1. Площадки контакта (а) и форма стружки (б) при точении
сплава В96Ц-1 Т1
Из приведенных фотографий следует, что контактные площадки на передней поверхности сравниваемых вершин с углами 90° и 35° по форме и размерам идентичны. Их малые размеры как раз и обусловлены малой пластичностью обрабатываемого сплава. По этой же причине преобладает завивание стружки в плоскости, перпендикулярной передней поверхности. Поэтому полученные образцы стружки имеют форму цилиндрической
47
спирали. Далее, оценка усадки стружки, проведенная путем измерения ее толщины, показала следующее. Толщина стружки, сформированная в условиях данных экспериментов на передней поверхности СМП с углами при вершине е = 90° и 35°, оказалась практически одинаковой, соответственно 0,33 мм и 0,35мм. Проверка по 1-критерию Стьюдента по результатам многократных измерений подтверждает, что это различие статистически незначимо (табл.). Этот факт дополнительно свидетельствует об одинаковых условиях контакта стружки с передней поверхностью со сравниваемыми углами при вершине при резании малопластичных материалов.
При обработке же пластичных материалов, таких как медь и сталь (табл.), отличие в толщине образующейся стружки статистически значимо. При этом меньшее значение соответствует вершине с углом е = 35°, что дополнительно подтверждает выводы, сделанные с [2], о более благоприятных условиях резания при данном значении угла е.
Условия обработки и полученные результаты
Условия обработки Средняя толщина стружки ас, мм при є° Статистическая значимость отличия Характер завивания стружки
35 60 90
Сталь 08Х18Н10Т ¥=72 м/мин; £=0,15 мм/об; /=0,5 мм; ф=90°; у=0°; г=0,4 мм 0,22 0,26 - значима В плоскости передней поверхности
Сталь 38Х2МЮА ¥=111 м/мин; £=0,15 мм/об; /=0,5 мм; Ф=90°; у=0°; г=0,4 мм 0,38 0,43 - значима В плоскости передней поверхности
Алюминиевый сплав В96Ц-1 Т1 ¥=178 м/мин; £=0,21 мм/об; /=1,0 мм; Ф=75°; 7=+6°; г=0,8 мм 0,33 - 0,35 не значима В плоскости перпендикулярной передней поверхности
Медь М3 а) ¥=245 м/мин; £=0,11 мм/об; /=0,5 мм; ф=60°; 7=0°; г=0,2 мм 0,63 0,64 - значима В плоскости передней поверхности
б) ¥=227 м/мин; £=0,07 мм/об; /=0,5 мм; ф=75°; 7=+6°; г=0,8 мм 0,45 - 0,43 не значима В плоскости передней поверхности
В работе [5] теоретически обоснована необходимость повышения фрикционного взаимодействия витка стружки с задней поверхностью токарного резца для стабилизации стружкодробления при точении. Конст-
рукторское решение для реализации данного предложения заключается в том, что на задней поверхности резца или СМП выполняется своеобразный «протектор», увеличивающий сцепление со стружкой. Так, при превалирующем завивании стружки в плоскости, перпендикулярной передней поверхности, на задней поверхности СМП можно нанести рифления, параллельные главной режущей кромке. Такой характер завивания наблюдается при срезании широких стружек, что свойственно для чернового точения. В условиях чистового точения превалирует завивание стружки в плоскости передней поверхности и такой «протектор» на задней поверхности абсолютно не эффективен, что можно видеть из фотографии, приведенной на рис. 2а. Анализ взаимодействия стружки с задней поверхностью в данном случае показывает, что рифления «протектора» должны располагаться перпендикулярно главной режущей кромке (рис. 2 б). Это повышает сцепление стружки, образующейся при чистовых режимах резания, с задней поверхностью и, как следствие, стружкодробящую способность резца. Реализация этого решения позволила расширить диапазоны изменения глубины резания и подачи, в которых достигается стабильное стружкодробление [6].
а б
Рис. 2. Взаимодействие стружки с задней поверхностью: а - рифления нанесены параллельно режущей кромке; б - рифления нанесены перпендикулярно режущей кромке
Обобщая полученные результаты, можно предложить следующую конструкцию СМП для чистовой токарной обработки деталей нежесткой конструкции, внешний вид которой приведен на рис. 3.
Ее можно рекомендовать для обработки большинства конструкционных сталей групп Р и М по классификации ИСО. Наиболее целесообразно освоение их промышленного выпуска на специализированных предприятиях, например, ОАО «КЗТС». Это позволит расширить номенклатуру отечественных СМП для токарных работ. Так, по данным 2012 г. [7] в но-
49
менклатуре ОАО «КЗТС» присутствуют всего две конструкции СМП с углом при вершине е = 35°: УММО 160408-М2 и УСМТ 160408-М5, геометрия передней поверхности которых рекомендуется для получистовой обработки. Причем только последняя форма имеет задний угол а = 7°, что в первую очередь рекомендуется для обработки нежестких деталей. Однако достаточно большой радиус ее вершины г = 0,8 мм будет ограничивать ее применение для обработки данного класса деталей.
Рис. 3. Предлагаемая конструкция СМП
Эффективность применения серийно выпускаемых СМП можно повысить путем доработки стандартной конфигурации задней поверхности. Так, в [6] предложено на задней поверхности СМП в районе ее вершины вышлифовывать небольшую канавку, которая будет ограничивать дальнейшее развитие площадки линейного износа задней поверхности. Это позволяет повысить ресурс инструмента без ухудшения точности и шероховатости обработки. Допустимая величина износа задней поверхности определяется индивидуально для каждого конкретного случая обработки, т.к. она зависит от множества факторов, таких как жесткость детали, физико-механические свойства ее материала, состояние оборудования и т.п.
Таким образом, вышеприведенные результаты исследований позволяют обосновать геометрическую конфигурацию и параметры рабочей части токарных резцов с СМП, которые учитывают специфические особенности при обработке деталей нежесткой конструкции. Это позволит повысить эффективность процессов точения при обработке данного класса деталей.
Список литературы
1. Основной каталог 8апёу1к СоготаП;. 2012. ЦЕЬ:
http://www.sandvik.coromant.com
2. Иванов В.В., Пряжникова А. А. Особенности изнашивания СМП с различными углами при вершине и формой передней поверхности в условиях чистового точения. // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 354-360.
3. Прогрессивные режущие инструменты и режимы резания металлов: справочник / В.И. Баранчиков, А.В. Жариков, Н.Д. Юдина [и др.]; под ред. В.И. Баранчикова. М.: Машиностроение, 1990. 400 с.
4. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975. 344 с.
5. Васин С. А., Иванов В.В. Стружкодробление при точении. Тула: Изд-во ТулГУ, 2001. 151 с.
6. Иванов В.В., Пряжникова А.А., Сметанин А.С. Пути повышения конкурентоспособности отечественных инструментов с СМП для чистовой токарной обработки. // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. Научно-технический журнал. № 2. 2 (292) 2012. С. 8-13.
7. ОАО «Кировградский завод твердых сплавов». Каталог. Пластины сменные многогранные твердосплавные. 2012. URL: http://www.kzts.ru.
Иванов В.В., д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Пряжникова А.А., аспирант, [email protected]. Россия, Тула, Тульский государственный университет
RATIONALE GEOMETRICAL PARAMETERS OF THE WORKING PART OF A LATHE TOOL FOR FINISHING NONRIGID PARTS
V. V. Ivanov, A.A. Pryazhnikova
A design of the replaceable insert for finish turning with a short front and grooved surface on the back. A series of experiments on the possible use of this design of the replaceable insert.
Key words: finishing machining, carbide changeable polyhedral plates, shortened front surface contact area, chips, flat front surface, the angle at the vertex, corrugations.
Ivanov V. V., doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Pryazhnikova A.A., postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
