Особенности обработки сферических и конических поверхностей деталей на токарных станках с ЧПУ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ СФЕРИЧЕСКИХ И КОНИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ НА ТОКАРНЫХ СТАНКАХ С ЧПУ

SOME FEATURES OF SPHERICAL AND CONICAL SURFACES TREATMENT OF DETAILS ON CNC MACHINES

Н.Н. Попок* Р.С. Хмельницкий, В.С. Анисимов

Полоцкий государственный университет

УДК 621.91.01/02 N. Popok* R. Hmelnicky, V. Anisimov

Polotsk State University

РЕФЕРАТ

ABSTRACT

ТОКАРНАЯ ОБРАБОТКА, СТАНОК С ЧПУ, УПРАВЛЯЮЩАЯ ПРОГРАММА, ТОЧЕНИЕ КОНИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ, ТОЧЕНИЕ СФЕРИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ, СКОРОСТЬ РЕЗАНИЯ, ТЕМПЕРАТУРА, ПРИВЕДЕННЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ИНТЕНСИВНОСТИ, ШЕРОХОВАТОСТЬ

TURNING, CNC MACHINE, CONTROL PROGRAM, TURNING OF CONICAL SURFACE, TURNING OF SPHERICAL SURFACE, CUTTING SPEED, TEMPERATURE, REDUCED INTENSITY FACTOR, ROUGHNESS

Объект исследования - обработка конических и сферических поверхностей деталей на токарных станках с ЧПУ.

Целью работы является выработка рекомендаций по обработке сферических и конических поверхностей деталей на станках с ЧПУ.

Рассматривается токарная обработка конических и сферических поверхностей деталей. Выбрана и рассмотрена рациональная схема (последовательность) снятия припуска, сочетание значений линейных скоростей движений заготовки и инструмента, которые являются актуальными при разработке управляющих программ для станков с ЧПУ. Введен параметр приведенной интенсивности изменения температуры. Приведены результаты измерения шероховатости обработанной поверхности детали при различных базовых длинах измерений.

Turning of conical and spherical surfaces of the parts is reviewed. Rational scheme (sequence) of stock removal, the combination of values of linear velocities of the workpiece and tool movements that are relevant in the development of control programs for CNC machines is selected and considered. The parameter of given temperature change rate is introduced. The results of measurements of the machined surface roughness of the parts with different base length measurement are given.

У

Токарная обработка конических и сферических поверхностей деталей характеризуется переменной скоростью главного движения резания (вращение заготовки) и наличием продольного, поперечного и криволинейного движений подачи инструмента в связи изменением диаметра заготовки [1].

Выбор рациональной схемы (последователь-

ности) снятия припуска на черновых и чистовых переходах и сочетания значений скоростей движений заготовки и инструмента является актуальным при разработке управляющих программ для станков с ЧПУ [2]. Рассмотрим решение данной задачи на примере обработки конической поверхности детали «Штырь» (рисунок 1 а) и сферической поверхности детали «Палец ша-

* E-mail: rorctt@mail.ru (N. Popok)

вестник витебского государственного технологического университета, 2017, № 1 (32)

ровой» (рисунок 1 б) в условиях единичного и мелкосерийного производств.

Обработка проводится на модернизированном токарном станке модели 16К20 с системой ЧПУ фирмы Siemens с применением смазоч-но-охлаждающей жидкости (СОЖ) и без нее. Используются резец для контурной обработки фирмы Pafana SVJCR 2020К-11 и заготовки из круглого проката в стадии поставки для детали «Штырь» (рисунок 2 а) и предварительно обработанные для детали «Палец шаровой» (рисунок 2 б). В качестве контролируемых параметров приняты температура обрабатываемых поверхностей деталей, измеряемая пирометром модели Optris Lager Sight, и шероховатость обработанной поверхности, измеряемая профило-метром-профилографом модели Abris PM-7.

При написании управляющей программы обработки детали «Штырь» принята схема последовательного съема припуска с наибольшего

размера по длине к наименьшему за счет продольной подачи. За каждый проход снимается слой материала глубиной резания 1 мм. При этом резец имеет установочные движения в продольном и поперечном направлениях (рисунок 3 а). На рисунке указаны длина и время каждого прохода режущего инструмента, а также значения подачи на отдельных проходах и общее время обработки.

При обработке детали «Палец шаровой» съем припуска осуществляется или по схеме последовательной продольной и поперечной подачи инструмента на черновом переходе и подачи по дуге на чистовом переходе (рисунок 3 б), или по схеме подачи инструмента по дуге с изменяющемся радиусом при каждом последующем рабочем ходе с глубиной резания 0,8 мм (рисунок

3 в).

При обработке конической поверхности принято ступенчатое изменение скорости резания,

Рисунок 3 - Последовательность съема припуска при изготовлении деталей: а) «Штырь», б), в) «Палец шаровой»

а

б

в

Рисунок 4 - Зависимость изменения линейной скорости резания от диаметра обрабатываемой поверхности детали

представленное на графике (рисунок 4). Это изменение скорости резания обусловлено,в первую очередь, большим перепадом размеров диаметра детали с 40 до 10 мм и изменением мощности резания.

Измерение температуры обрабатываемой конической поверхности детали показало (рисунок 5 а), что при черновой обработке без применения СОЖ максимальная температура достигает значения 185 оС, при обработке с применением СОЖ максимальная температура составляет 125 оС. Скачкообразное изменение значения температуры на графике обусловливается характером обработки: при резании значения температуры возрастают до максимальных значений, а при установочном движении инструмента температура поверхности детали уменьшается, так как отсутствует контакт резца с деталью.

Обработка результатов измерения температуры для условно разбитых участков обрабатываемой поверхности детали, соответствующих различным размерам диаметров детали от мак-

симального (40 мм) до минимального (10 мм), показывает (рисунок 5 б), что значения температуры растут до примерно 12-13 участков, а затем падают. Это объясняется изменением значений линейной скорости вращения детали (Бт = 293, 390, 400, 480 мм/мин), времени обработки на участках (г = 1...19 с) и тепловыделением в зоне резания (см. рисунок 3). Причем применение СОЖ существенно снижает значения температуры (от 45 до 65 %).

При чистовой обработке конической поверхности без применения СОЖ наблюдается нарастание температуры до значений 160170 оС (рисунок 6). На последних обрабатываемых участках температура падает за счет сокращения времени обработки. Применение СОЖ снижает максимальные значения температуры до 100 оС. При чистовой обработке с предварительным остыванием заготовки максимальная температура составляет 90 оС. Скачкообразное изменение значений температуры при чистовой обработке и постоянном контакте инструмента с

Черновая обработка без применения СОЖ Черновая обработка с применением СОЖ

Черновая обработка без применения СОЖ Черновая обработка с применением СОЖ

Рисунок 5 - Зависимости температуры от времени обработки (а) и на различных участках (б) обрабатываемой конической поверхности детали

деталью связано с явлением наростообразова-ния.

При обработке сферической поверхности детали «Палец шаровой» по дуге при глубине резания 0,8 мм без применения СОЖ установлено (рисунок 7), что максимальная температура поверхности при частоте вращения заготовки п = 800 мин-1 достигает значения 120 "С, при частоте вращения заготовки п = 1000 мин-1 состав-

ляет 105 оС, а при частоте вращения заготовки n = 1200 мин-1 равна 145 оС. Скачкообразное изменение значений температуры обусловливается характером обработки, а именно, при установочном движении температура поверхности падает, так как отсутствует контакт резца с деталью, а при резании наблюдается рост температуры за счет увеличения тепловыделения.

- СприменениемСОЖ

- Без применения СОЖ

• После остывания заготовки с применением СОЖ

Рисунок 6 - Зависимости температуры от времени при чистовой обработке конической поверхности детали

и SO" мми . f- 0.2 мм/об ri 800 мин-..«. 0.2мчо0 ;1У|00 Mfffl"',.;j|=4Sí,2 мм/об

Рисунок 7 - Зависимости значений температуры от времени при обработке сферической поверхности детали

К.

Чистовая обработка сферической поверхности характеризуется нарастанием температуры поверхности детали при частоте вращения заготовки п = 800 мин-1 до значения 112 оС (рисунок 8), при частоте вращения заготовки п = 1000 мин-1 максимальная температура достигает значения 103 оС, а при частоте вращения заготовки п = 1200 мин-1 - составляет 122 оС. Скачкообразное изменение значений температуры при чистовой обработке связано с явлением наростообразования.

При обработке сферической поверхности с частотой вращения заготовки п = 1200 мин-1

максимальная температура была зафиксирована на завершающем этапе обработки поверхности, что обусловлено накоплением теплоты в процессе резания и опережающим ее распространением в заготовке. Этот вывод иллюстрируют данные, представленные на рисунке 9 - максимальные значения температуры соответствуют меньшим значениям линейной скорости резания.

При обработке сферической поверхности детали в связи с изменением направления вектора скорости подачи в различных точках (секущих плоскостях) сферы будут изменяться значения

"Л

а

б

Рисунок 8 - Зависимости значений температуры от времени при чистовой обработке сферической поверхности с частотой вращения детали: 800 мин-1 (а), 1000 мин-1 (б) и 1200 мин-1 (в)

ч_

114

Рисунок 9 - Зависимость значений температуры от линейной скорости резания при чистовой обработке сферической поверхности с частотой вращения заготовки п = 1200 мин-1 и подаче инструмента в = 0,2 мм/об

\_/

Рисунок 10 - Схема изменения главного и вспомогательного углов в плане резца

ч.

главного ф и вспомогательного ф1 углов в плане резца (рисунок 10) соответственно с 142 и 3° до 0 и 145°. Надо также учитывать так называемые «перебеги» резца при его входе в заготовку и выходе из нее, которые изменяют размеры сечения срезаемого слоя. Эти изменения оказывают существенно влияние на направление схода стружки, явление наростообразования, отведение теплоты из зоны резания, шероховатость обработанной поверхности детали.

При обработке сферической поверхности детали «Палец шаровой» без применения СОЖ по дуге при t = 0,2 мм было установлено (рисунок 11), что максимальная температура поверхности при частоте вращения заготовки п = 1200 мин-1 составляет 125 оC. Скачкообразное изменение полученных значений температуры обусловливается характером обработки, а именно при установочном движении инструмента температура поверхности падает, так как отсутствует резание.

Чистовая обработка сферической поверхности на последнем рабочем ходе характеризовалась (рисунок 12) нарастанием температуры поверхности при частоте вращения заготовки п = 1200 мин-1 до значения 65 оC. Скачкообразное изменение значений температуры при чистовой обработке связано с явлением наро-

стообразования.

Падение значений температуры нагрева детали на рисунках 5, 6, 8, 9, 12 на завершающих этапах обработки объясняется изменением углов лезвия инструментов и размеров сечения срезаемого слоя (см. рисунок 10).

При обработке деталей различных конфигураций, например, как в нашем случае конуса и сферы, можно ввести понятие коэффициента приведенной интенсивности изменения температуры [3, 4], который оценивается как отношение изменения температуры к единице объёма или площади снимаемого слоя, или длине пути инструмента и единице времени, то есть соответственно:

а

Г" =

1 в

— в.

тах тт

град

V • т ' мм3 • с

в - тах в . тт град

/»'• Я- Т мм2 ■ с

Й тах град

1-х

мм- с

где V - объём снимаемого слоя, мм3; F - площадь снимаемого слоя, мм2; l - длина пути инструмента, мм.

л

Рисунок 11 - Зависимость значений температуры от времени при черновой и чистовой обработке

сферической поверхности детали ,_/

Рисунок 12 - Зависимость значений температуры от времени при чистовой обработке сферической поверхности детали

V.

Таблица 1 - Коэффициенты приведенной интенсивности изменения температуры при обработке конической поверхности детали

Эскизы заготовок и детали

Заготовка

Заготовка после черновой обработки

Деталь

Расчетные параметры: Масса, г / Объем, см3

1326,632 / 169,646

640,026 / 81,8448

579,844 / 74,1488

Условия обработки

Значения характеристик обработки

Приведенный коэффициент I, "С/мин'см3

д , оС

Черновая + чистовая + СОЖ

д . , оС

Т, с

128

30

220

0,28

д , оС

тах'

Черновая + СОЖ

дт.п, оС

Т, с

124,6

20

210

0,34

дтах, оС

тах'

Черновая без СОЖ

д , оС

тт

Т, с

187,1

30

210

0,51

дтах, оС

Чистовая без СОЖ

д , оС

тт

Т, с

172

40,3

30

34,23

дтах, оС

Чистовая + СОЖ

дт.п, оС

Т, с

123,8

33,6

30

23,44

Чистовая + СОЖ + предварительное остывание

V_

дтах, оС

дт.п, оС

Т, с

98,1

21,3

30

19,96

В этом случае можно сравнивать обработку различных конфигураций деталей и с различным припуском с точки зрения интенсивности нагрева детали, инструмента и стружки.

В таблицах 1 и 2 приведены данные расче-

тов приведенных коэффициентов интенсивности изменения температуры при обработке конической и сферической поверхностей деталей. Анализ данных при обработке конической поверхности детали показывает (рисунок 13),

Таблица 2 - Приведенные коэффициенты интенсивности изменения температуры при обработке сферической поверхности детали

Эскизы заготовок и детали

Заготовка

Заготовка с припуском под чистовую 0,8 мм

Заготовка с припуском под чистовую 0,2 мм

Деталь

Расчетные параметры: Масса, г / Объем, см3

309,228 / 39,5432

236,564 / 30,2511

217,151 / 27,7687

210,903 / 26,9697

Условия обработки

Значения характеристик обработки

Приведенный коэффициент

I, оС/мин • см3

Режим резания: 5 = 0,2 мм/об; 4 = 0,8 мм

Черновая + чистовая при п = 800 мин-1

дтах, оС

118,5

дт.п, оС

22

Т, с

150

3,07

Черновая + чистовая при п = 1000 мин-1

дтах, оС

104,8

дт.п, оС

22

Т, с

125

3,16

Черновая + чистовая при п = 1200 мин-1

дтах, оС

146,9

дт.п, оС

22

Т, с

110

5,42

Чистовая при п = 800 мин-1

дтах, оС

112,1

дт.п, оС

22

Т, с

21

78,45

Чистовая при п = 1000 мин-1

дтах, оС

102,8

дт.п, оС

32,8

Т, с

15

85,33

Чистовая при п = 1200 мин-1

дтах, оС

122,3

дт.п, оС

28,6

Т, с

9

190,37

Режим резания: 5 = 0,2 мм/об; 4 = 0,2 мм

Черновая + чистовая при п = 1200 мин-1

дтах, оС

126

дт.п, оС

20

Т, с

300

26,53

Чистовая при п = 1200 мин-1

V.

дтах, оС

64,3

дт.п, оС

32,3

Т, с

267,01

118

9

что применение СОЖ снижает приведенную интенсивность тепловыделения как при черновой (с 0,51 до 0,28), так и при чистовой (с 34,23 до 19,96) обработке. Снижению интенсивности также способствует остывание заготовки перед окончательной чистовой обработкой.

При обработке сферических поверхностей с увеличением частоты вращения детали приведенная интенсивность изменения температуры возрастает (рисунок 14). Причем при чистовых проходах резца приведенная интенсивность температуры выше, чем при черновых (рисунок 14 б, в) в связи с уменьшением объема снимаемого слоя и времени обработки.

Сравнение приведенной интенсивности изменения температуры при обработке конической и сферической поверхностей показывает (см. рисунки 13 и 14), что ее значения гораздо выше при обработке сферы. Это объясняется меньшими значениями объема снимаемого слоя и времени обработки, а также большими значениями частоты вращения сферической поверхности в сопоставлении с обработкой конической поверхности.

При установленных значениях температуры нагрева как конической, так и сферической поверхностей деталей в пределах 90-170 оС, рост приведенной интенсивности изменения температуры не оказывает существенного влияния на структуру и фазовый состав материала детали. Однако в случае высокоскоростной обработки

поверхности детали необходимо снижать приведенную интенсивность изменения температуры путем применения СОЖ и теплоотвода в стружку.

Данные измерений шероховатости обработанной поверхности детали при различных базовых длинах измерений имеют значения, которые находятся в пределах Яа 3,45-5,8 мкм. Такая шероховатость соответствует общепринятым значениям при токарной чистовой обработке поверхностей. Причем для сферических поверхностей отмечается увеличение шероховатости поверхности вблизи оси вращения детали, что связано с уменьшением значений ее линейной скорости. ВЫВОДЫ

1. Установлены рациональные схемы обработки, заключающиеся в последовательном съеме припуска вдоль оси при обработке длинных конических и по дуге при обработке сферических поверхностей деталей, и диапазоны режима резания (п = 800-1200 мин-1; Б = 0,2-0,5 мм/об; t = 0,2-1,0 мм), обеспечивающие уменьшение упругих отжатий заготовки и резца, исключение вибрации, что позволило сократить машинное время обработки длинных конических и сферических поверхностей на 10-15 %.

2. Определены условия обработки (п = 800-1200 мин-1, Б = 0,2 мм/об, геометрия инструмента - пластина с углом при вершине е = 35°, применение СОЖ), при которых обеспе-

1з

0,60

0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00

0,51

1

I

II

0,34

0,28

7?У\

ш ж ж

//у,

Уе.нчян! обработки

£3 коэффициент при черн. без СОЖ

Ш коэффициент при черн.+СОЖ

коэффициент мри черн.+чист.+СОЖ

40,00

30,00

20,00

10,00

0.00

34,23

К коэффшщент при тает, без СОЖ

Ц Ц

щ

ж

23,44.

19,96

Ж У

ЕВ коэффшщент при

МЙЩЩЩ

коэффициент при чисвшш+предвар

Условия обработки ительное остывание

б

Рисунок 13 - Диаграммы приведенной интенсивности изменения температуры при различных условиях обработки конической поверхности детали: а - черновая обработка; б - чистовая обработка

ч.

I

3

а

г

^\

Рисунок 14 - Диаграммы приведенной интенсивности изменения температуры при различных условиях обработки сферической поверхности детали: а - черновая обработка при 4 = 0,8 мм; б - чистовая обработка при 4 = 0,8 мм; в - черновая и чистовая обработка при 4 = 0,2 мм

I

I

д

д

а

I

д

в

чивается минимальное тепловыделение в зоне резания и нагрев детали до 90-170 "С.

3. Установлен эффект опережающего распространения теплоты в сферических поверхностях по отношению к изменению линейной скорости вращения детали, что позволяет управлять процессом резания и оптимизировать режимы обработки.

4. Предложено сравнивать обработку деталей различной конфигурации и с различным при-

пуском по приведенной интенсивности изменения температуры, что позволяет снижать нагрев детали путем управления тепловыделением за счет изменения режимов резания, применения СОЖ и так далее. Расчет коэффициента приведенной интенсивности изменения температуры также позволяет увеличивать производительность обработки без критического (предельного) нагрева поверхностей деталей, приводящих к изменению их структуры и фазового состава.

ТЕХНОЛОГИЯ и ОБОРУДОВАНИЕ ЛЁГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И МАШИНОСТРОЕНИЯ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ REFERENCES

ИСТОЧНИКОВ

1. Данилов, В.А. (1995), Формообразующая обработка сложных поверхностей резанием, Минск, Наука и техника, 264 с.

2. Жолобов, А.А. (2009), Программирование процессов обработки поверхностей на станках с ЧПУ, Могилев, Беларусско-российский университет, 338 с.

3. Резников, А.Н., Резников, Л.А., (1990), Тепловые процессы в технологических системах, Москва, Машиностроение, 288 с.

4. Попок, Н.Н., Хмельницкий, Р.С., Анисимов, В.С., Сидикевич, А.В. (2017), Интенсивность тепловыделения при обработке конических и сферических поверхностей деталей на станках с ЧПУ, Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки, Тезисы докладов международной научно-технической конференции, Минск, Бизнес-софсет, 2017, С. 181-183.

V

1. DaniLov, V.A. (1995), Form-forming treatment of complexsurfaces by cutting [Formoobrazujushhaja obrabotka sLozhnyh poverhnostejrezaniem], Minsk, Nauka i tehnika, 264 p.

2. ZhoLobov, A.A. (2009), Programming of surface treatment processes on CNC machines [Programmirovanie processov obrabotki poverhnostejna stankah s ChPU], MogiLev, BeLarusian-Russian university, 338 p.

3. Reznikov, A.N., Reznikov, L.A. (1990), Thermal processes in technological systems [TepLovye processy v tehnoLogicheskih sistemah], Moscow, Mashinostroenie, 288 p.

4. Popok, N.N., KhmeLnitsky, R.S., Anisimov, V.S., Sidikevich, A.V. (2017), Intensity of heat reLease during processing of conicaL and sphericaL surfaces of parts on CNC machines [Intensivnost' tepLovydeLenija pri obrabotke konicheskih i sfericheskih poverhnostej detaLej na stankah s ChPU], Perspective directions of deveLopment of technoLogy of machine buiLding and metaLworking, Abstracts of the International scientific and technical conference, Minsk, Biznessofset, pp. 181-183.

Статья поступила в редакцию 15. 03. 2017г.

ВЕСТНИК ВИТЕБСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА, 2017, № 1 (32)