CC BY
37
turing Technologies and Equipment: Mechanical Engineering and Materials Science (ICMTMTE 2019). Sevastopol State University, National University of Science and Technology «MISIS», Polzunov Altai State Technical University, Crimean Federal University, Inlink Ltd. and International Union of Machine Builders. 2020. С. 044087.
5. Чукарин А.Н., Щерба Л.М. Обеспечение комфортных условий труда при виброударной отделочной обработке фасонных деталей за счет снижения вибраций и шума // Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении: сб. ст. по мат-лам Всерос. науч.-техн. конф. Нижний Новгород; Арзамас, 2002. С. 352-355.
Исаев Александр Геннадьевич, канд. техн. наук, докторант, isaev278@mail.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет
PROCESSES OF EXCITATION OF VIBRATIONS AND NOISE GENERATION DURING ABRASIVE PROCESSING OF WELDS OF FRAME STRUCTURES REPRESENTING ROUND RODS
A.G. Isaev
This article presents the results of theoretical studies of the processes of vibration excitation and noise generation during abrasive processing of welds offrame structures representing round rods of solid and hollow profile. Processing of welded joints of frame structures is a mandatory stage of such work, and abrasive treatment of welds is the most popular operation. However, the process of processing welded joints in the operator's work area is accompanied by increased noise generation and dustiness, when processing in an enclosed space. The expressions of sound pressure levels for abrasive treatment of welds of elements offrame structures, which are round rods of solid and hollow profile, are obtained in the work. Differential equations of oscillations for various conditions of solid and hollow rod fixing are presented. The results obtained allow us to confirm the validity of the theoretical approach to the description of the regularities of the noise formation process of the processing of welded seams offrame structures.
Key words: abrasive treatment, sound pressure levels, noise spectra, welds, frame structures.
Isaev Alexander Gennadievich, candidate of technical sciences, doctoral student, isaev278@mail.ru, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University
УДК 621.322
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-247-252
ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ ТОНКОГО ТОЧЕНИЯ ИЛИ ФРЕЗЕРОВАНИЯ НА СТАНКАХ С ЧПУ
В.В. Жмурин, В.В. Хрячкова
В статье представлены аналитические исследования, направленные на повышения технологичности изготовления деталей в машиностроении путем внедрения технологии тонкой обработки. В результате их выполнения й была установлена необходимость в разработке новой методики назначения режимов резания, которая учитывает, динамические особенности многоцелевых станков.
Ключевые слова: тонкое точение, шероховатость поверхности, режимы резания, финишная обработка, дисбаланс.
Для получения поверхностей с низкой шероховатостью и точностью размеров по 8-му - 6-му квалитету в машиностроении используется шлифование. Основным недостатком данного метода обработки является высокая трудоёмкость и относительно низкая производительность. Поэтому начиная с конца 70-х начала 80-х годов в качестве альтернативы операции шлифования в машиностроении стали внедряться технологии тонкого точения и фрезерования, предназначенные для финишной или отделочной стадии обработки детали. По точности размеров и качеству получаемых поверхностей эти технологии превосходят развертывание, протягивание и в некоторых случаях шлифование [3, 5].
247
Суть рассматриваемой технологии заключается в обработке поверхности лезвийным инструментом с высокими скоростями резания и подачи при глубине, не превышающей 0,5 мм. Целью обработки является получение поверхностей с шероховатостью Ra 1,25...0,63 мкм для сталей и Ra 0,32.0,16 мкм. для цветных металлов и сплавов, с получением размеров, точность которых соответствует 8-му— 6-му квалитету [1,2,3,4,5,6].
При реализации технологии тонкой обработки в качестве режущего инструмента широко используются резцы или фрезы, оснащенные сменными режущими многогранными пластинками с искусственным алмазом, эльбором, гексанитом, лейкосапфиром, рубином и другими сверхтвердыми синтетическими режущими материалами. Каждый материал имеет свою область применения [3, 5, 6, 7].
В качестве технологического оборудования для технологии тонкой обработки применяются высокооборотные станки, обладающие высокой жесткостью, виброустойчивостью и возможностью реализации малой, плавной подачи. Станки должны обеспечивать частоту вращения шпинделя от 15000 до 20000 об/мин и диапазон подач 0,02—0,2 мм/об для точения и 0,01—0,25 для фрезерования [2, 6, 7].
Изначально технология тонкой обработки была ориентирована на использование в космической и авиастроительной отрасли промышленности для повышения производительности изготовления высокоточных деталей. Увеличение номенклатуры изготавливаемых деталей, повышение требований к точности размеров и качеству обработанных поверхностей существенно расширили области её применения. Высокие темпы развития станкостроения и инструментального производства, а также преобладание в станочном парке большинства металлообрабатывающих предприятий станков с ЧПУ обеспечивающих частоту вращения шпинделя 12000-18000 об/мин сделали технологию тонкой обработки еще более доступной [2, 3, 5, 6, 7].
На начальном этапе внедрения технологии тонкого точения и фрезерования в производство они в основном применялись для обработки легированных и инструментальных сталей с твердостью 57-64 HRC. Расширение технологических возможностей станков, режущего инструмента, а также переход многих предприятий на мелкосерийное и единичное производство привело к существенному расширению номенклатуры обрабатываемых материалов. В настоящее время рассматриваемая технология применяется для обработки высокоточных поверхностей в деталях изготовленный из различных видов нержавеющих, конструкционных, легированных и инструментальных сталей с твердостью от 50 до 64 HRC, а также различных видов цветных металлов и сплавов.
Для эффективной реализации технологии тонкого точения или фрезерования необходимо наличие гибкой методики назначения режимов резания, которая отражает не только саму суть процесса, но и особенности технологического оборудования, наладки, режущего инструмента и особенности обработки конкретного материала. С целью разработки таких методических рекомендаций проводятся различные многочисленные исследования как отечественными, так и зарубежными учеными. На основе их результатов создано множество методик оптимизации режимов резания. Однако, эти методики рассматривают процесс тонкого точения или фрезерования только с одной точки зрения, которая, как правило базируется на геометрических параметрах инструмента, его стойкости, глубине резания, скорости резания и подачи.
Таким образом, учитывая вышеизложенное можно сделать вывод о том, что разработка методики назначения оптимальных режимов резания, является важной технико-экономической задачей требующей комплексного подхода к её решению. Для решения поставленной задачи необходимо выполнить анализ используемого в настоящее время режущего инструмента и режимов резания предназначенного для реализации технологии тонкого точения или фрезерования как отечественного, так и зарубежного изготовления.
Среди множества зарубежных инструментальных фирм лидирующие позиции по разработке и изготовлению инструмента для технологии тонкой обработки занимают такие фирмы как: Seco, Iscar, Mitsubishi. Они предлагают широкий ассортимент и типоразмер токарного и фрезерного инструмента, оснащенного сменными многогранными режущими пластинками. В зависимости от обрабатываемого материала наибольшее распространение получили режущие пластинки с искусственным алмазом или поликристаллическим кубическим нитридом бора [611].
Синтетический поликристаллический алмаз сочетает в себе высокую твердость и стойкость к абразивному износу. Поэтому он широко используется для обработки алюминия, латуни, меди, бронзы и сплавов на их основе. В настоящее время инструмент с искусственным алмазом интенсивно внедряется в обработку неметаллических композитных материалов и армированных пластмасс [6-11].
Поликристаллический кубический нитрид бора является вторым по твердости синтетическим режущим материалом. Он обладает устойчивостью к высоким температурам и окислению. Кубический нитрид бора предназначен для обработки различных марок закаленных сталей в том числе нержавеющих жаропрочных сталей, никелевых сплавов и чугуна [6-11].
Результаты анализа режимов резания, рекомендованные инструментальными фирмами Seco, Iscar, Mitsubishi для тонкой обработки сталей и цветных металлов представлены в таблице. Согласно полученным данным для тонкого точения различных видов стали твердостью 4564 HRC рекомендуются скорости резания 40-120 м/мин, скорости подачи от 0,05 до 0,2 мм/об при глубине резания не более 0,3 мм. Обработку цветных металлов рекомендуются выполнять на скоростях резания 450-2500 м/мин с подачей 0,05-0,4 мм/об с максимальной глубиной резания, не превышающей 3 мм.
Указанные инструментальные фирмы рекомендуют выполнять тонкое фрезерование сталей твердостью 45-64 HRC со скоростями резания 80-400 м/мин с подачей на зуб 0,02-0,25мм/зуб, при этом глубина резания должна быть в интервале от 0,01 мм до 0,3 мм. Для фрезерования цветных металлов рекомендуется диапазон скоростей резания от 300 м/мин до 3500 м/мин с подачей на зуб 0,02-0,25 мм/зуб при максимальной глубине резания 2 мм.
Таким образом, результаты анализа режимов резания, рекомендуемые зарубежными инструментальными фирмами для реализации технологии тонкой обработки, показали, что они назначаемый ими диапазон скоростей резания и подачи имеет достаточно широкие границы. При этом между ними отсутствует явная взаимосвязь, что усложняет назначение указанных параметров обработки. В рассмотренных работах [8-11] отсутствуют рекомендации по назначению глубины резания при конкретных значениях скорости резания и подачи. Максимальное значение глубины резания определяется геометрическими параметрами режущего инструмента.
Режимы резания, рекомендуемые для реализации технологии тонкой обработки
Параметры Инструментальные фирмы
резания Seco Iscar Mitsubishi
Тонкое точение сталей твердостью 45— 64 HRC
Скорость резания, м/мин 40—160 60—100 50—120
Подача, мм/об 0,05—0,15 0,05—0,2 0,05—0,15
Глубина резания, мм 0,008—0,3 0,75—0,12 0,1—0,3
Тонкое точение цветных металлов
Скорость резания, м/мин 450—2500 600—2500 700—1500
Подача, мм/об 0,05—0,2 0,05—0,2 0,1—0,4
Глубина резания, мм 0,01—0,5 0,05—3 0,5—3
Тонкое >резерование сталей твердостью 45— 64 HRC
Скорость резания, м/мин 120—400 80—220 120—350
Подача, мм/зуб 0,05—0,2 0,1—0,25 0,02—0,2
Глубина резания, мм 0,05—0,3 0,05—0,2 0,01—0,15
Тонкое фрезерование цветных металлов
Скорость резания, м/мин 600—3500 300—3000 450—3000
Подача, мм/зуб 0,05—0,5 0,1—0,25 0,05—0,3
Глубина резания, мм <0,5 0,5—2 0,1—0,5
Анализ методик расчета режимов резания представленный в работах [6-11] установил, что в их основе заложен критерий максимальной производительности. Его эффективность оценивается объёмом металла снимаемого в единицу времени. Таким образом, рассмотренные методики рекомендуют в качестве первоначальных режимов резания назначать максимально допустимые значения скорости резания, подачи и глубины резания, а затем корректировать их в меньшую сторону.
В рекомендациях, по назначению режимов резания, представленных в работах [6-11] нет четких взаимосвязей между выбором скорости резания, подачей и глубиной резания. Значение максимальной глубины резания определяется геометрическими параметрами инструмента при которых обеспечивается стабильное дробление и отвод стружки из зоны обработки.
Отечественные машиностроительные справочники рекомендуют тонкое точение сталей выполнять на скоростях резания от 303 м/мин до 487 м/мин с подачей на зуб от 0,02 мм/зуб до 0,09 мм/зуб. Для указанных режимов рекомендуется интервал глубины резания от 0,15 мм до 1 мм. Тонкое точение цветных металлов рекомендуется выполнять со скоростями резания 204-577 м/мин с подачами на оборот 0,03-0,2 мм/об. При этом рекомендуется назначать глубину резания в интервале от 0,15 мм до 2 мм [12].
Для выполнения технологии тонкого фрезерования сталей машиностроительные справочники рекомендуют назначать скорости резания от 196 м/мин до 311 м/мин, а подачи от 0,05 мм/зуб до 0,08 мм/зуб. При этом глубина резания должна составлять от 0,5 мм до 1,15 мм. для тонкого фрезерования цветных металлов рекомендуется диапазон скоростей резания 137355 м/мин, с подачей на зуб от 0,10 мм/зуб до 0,57 мм/зуб. Глубину резания рекомендуется назначать от 0,5 мм до 3 мм [12].
В отечественных методиках назначения режимов резания в отличие от зарубежных имеется четкая взаимосвязь между скоростью резания, подачей и глубиной резания. На основании требуемой чистоты поверхности назначается глубина резания. Для неё выбирается скорость резания. На основании выбранной скорости резания и глубины назначается подача. В качестве ограничения при назначении глубины резания используется силовой критерий. Он основан на том, что отношение силы резания к потребляемой приводом мощности не должно превышать определенного значения, которое выведено для каждой стадии обработки, (черновой, получистовой, чистовой и отделочной).
Выполненный анализ зарубежных и отечественных методик назначения режимов установил, что они не учитывают динамические характеристики используемого оборудования и инструментальной системы.
Впервые требования к станкам, предназначенным для реализации технологии тонкого точения были сформулированы в работе [2]. Для её реализации станки должны отвечать следующим основным требования:
1. Обеспечение приводом подачи реализации плавного перемещения рабочего органа станка в диапазоне малых подач от 0,02 мм/об до 0,2 мм/об.
2. Высокая точность и жесткость шпиндельного узла. Максимальное значение его радиального биения не должно превышать 0,005 мм.
3. Реализация высоких оборотов шпинделя без снижения его динамических характеристик и точности.
Эти требования были отражены в конструкции станков, предназначенных для тонкого точения. Они имели массивную чугунную станину, а стол снабжался дополнительными ребрами жесткости. В кинематической цепи привода главного движения и привода подачи для передачи движения на исполнительный орган станка вместо зубчатых передач использовались кли-ноременные передачи. Такие конструктивные решения обеспечивали высокую жесткость и виброзащищенность станка, но при этом имелись и недостатки основными из которых являются высокая металлоёмкость и достаточно сложная конструкция кинематических цепей привода, требующая сложной регулировки [2].
В настоящее время для реализации технологии тонкой обработки используются многоцелевые станки сверлильно-фрезерно-расточной и токарной группы. Их конструкция существенно отличается от конструкции станков, предназначенных только для тонкой обработки. Это обусловлено тем, что в современных рыночных условиях при частой смене номенклатуры выпускаемых изделий на одних и тех же станках приходится реализовывать различные технологии обработки. В кинематической цепи привода главного движения и подачи используется бесступенчатое регулирование, которое достигается установкой асинхронных двигателей. В приводах подачи для передачи движения от двигателя к исполнительному органу станка используются высокоточные передачи винт-гайка. Они обеспечивают его высокую плавность и равномерность перемещения в широком диапазоне скоростей [6].
Конструкция шпиндельного узла современного многоцелевого станка зависит от реализуемой им частоты вращения. В станках с частотой вращения до 12000-15000 об/мин вращение от вала двигателя на вал шпинделя передаётся ременной передачей. В передней опоре устанавливаются высокоточные подшипники качения. В МЦС обеспечивающих частоту вращения более 20000 об/мин установлены мотор-шпиндели. В них вращение от вала двигателя на вал шпинделя передаётся напрямую без использования других кинематических элементов. Для обеспечения высокой точности необходимо минимизировать тепловые деформации и обеспечить постоянную величину зазора в передней опоре. Для этого шпиндельный узел оснащается системами охлаждения и смазывания. Они осуществляют, обдув подшипников сжатым воздухом и подачу на них смазки под давлением. Перед установкой на станок любой шпиндельный узел проходит балансировку. Её целью является уменьшение влияния дисбаланса, вызванного смещением центра масс относительно оси, на динамические характеристики шпинделя [6].
Согласно стандарту, ГОСТ ISO 3070-2-2017 при проверке шпинделя станка на технологическую точность осуществляется контроль величины биения внутри конуса, биения наружного диаметра конуса у основания и на расстоянии 300 мм от его торца, а также осевая погрешность шпинделя. Согласно регламенту проведения работ, замеры выполняются на предварительно прогретом шпинделе с частотой вращения не более 20 об/мин. Указанный стандарт не предусматривает проведение дополнительных измерений, связанных с определением фактического значения уровня балансировки шпинделя. В процессе эксплуатации оборудования неизбежно идет износ деталей, входящих в шпиндельный узел, что приводит к увеличению дисбаланса и как следствие снижению его точности и ухудшению динамических характеристик. Величина дисбаланса зависит не только от качества сборки и балансировки шпинделя, но и от реализуемых на нем режимов резания и погрешностей используемой инструментальной системы.
Таким образом, динамических характеристики каждого станка индивидуальны. Поэтому при выполнении идентичной обработки на многоцелевых станках одой модели и находящихся в одинаковом техническом состоянии всегда существует определенный интервал режимов резания который один станок реализует, а второй нет из-за высокого уровня вибрации, вызванной дисбалансом.
Дисбаланс шпиндельного узла является переменной величиной, изменяющейся в достаточно широком интервале значений. При изготовлении деталей, размеры которых заданы 12-14 квалитетом его влияние на точность обработки и качество получаемых поверхностей не так существенно. Однако при реализации на станке технологии тонкой обработки влияние дисбаланса необходимо учитывать, как динамическое ограничение, накладываемое технологической системой на режимы резания, которое обязательно должно учитываться при их назначении.
Список литературы
1. Аранзон М.А. Точение сталей и сплавов резцами из сверхтвердых синтетических материалов // КПтИ. Куйбышев, 1977. Вып. 3. С. 13-15.
2. Белецкий Д.Г. Тонкое точение. М.: ОБОРОНГИЗ, 1946. 256 с.
3. Веретенников В.Е. Параметры шероховатости поверхности закаленных сталей при тонком точении поликристаллами эльбора // Межвузовский тематический сборник научных трудов. Вып. 2. Куйбышев 1980. С. 8-13.
4. Маркова Л.Г., Витенберг Ю.Р., Курганов Г.И. Качество поверхности, закаленной стали обработанной поликристаллами эльбора // сб.: Технологические методы повышения качества деталей машин. Ленинград, 1978. С 71-79.
5. Николаев В.А. Тонкое точение спеченных материалов. М.: Машиностроение, 1979.
64 с.
6. Справочник по резанию материалов GARANT // Институт Фраунгофера, Германия. 2010. 842 с.
7. Технология обработки металлов резанием: учебное пособие фирмы «SANDVIK Coromant». М., 2009. 346 с.
8. Токарная обработка: каталог и техническое руководство металлорежущего инструмента фирмы «SECO». М., 2021. 782 с.
9. Фрезерование: каталог и техническое руководство металлорежущего инструмента фирмы «SECO». М., 2021. 752 с.
10. ISCAR основной каталог / каталог металлорежущего инструмента фирмы «ISKAR». М., 2019. 1165 с.
11. Mitsubishi. Общий каталог, токарный инструмент, вращающийся инструмент // Каталог металлорежущего инструмента фирмы «Mitsubishi». М., 2020. 1352 с.
12. Общемашиностроительные нормативы времени и режимов резания для нормирования работ, выполняемых на универсальных и многоцелевых станках с числовым программным управлением. Ч 2 Нормативы режимов резания. М.: Экономика, 1990. 472 с.
Жмурин Владимир Викторович, канд. техн. наук., доцент, vladimir_zhmurin@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Хрячкова Валерия Валериевна, канд. техн. наук, доцент, hryachkovavv@,mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
FEATURES OF THE IMPLEMENTATION OF THIN LAYER TECHNOLOGY TURNING
OR MILLING ON CNC MACHINES
V.V. Zhmurin, V.V. Khryachkova
The article presents analytical studies aimed at improving the manufacturability of manufacturing parts in mechanical engineering through the introduction of fine processing technology. As a result of their implementation, the necessity was established in the development of a new methodology for assigning cutting modes, which takes into account the dynamic features of multi-purpose machines.
Key words: fine turning, surface roughness, cutting modes, finishing, imbalance.
Zhmurin Vladimir Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, vladimir_zhmurin@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Khryachkova Valeria Valeryevna, candidate of technical sciences, docent, hryachko-vavv@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.91.02
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-252-258
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ И ФОРМЫ РЕЖУЩЕЙ КРОМКИ СМП СТАНДАРТНОГО ИСПОЛНЕНИЯ НА ОТНОСИТЕЛЬНУЮ ЖЕСТКОСТЬ ВИТКА
СТРУЖКИ
А.А. Маликов, О.В. Чечуга
В работе рассмотрено влияние режимов резания при точении на относительную жесткость витка стружки. Приведены зависимости для определения параметров поперечного сечения срезаемого слоя. Установлены закономерности влияния глубины резания, подачи и радиуса при вершине режущей пластины на толщину и ширину поперечного сечения срезаемого слоя при точении.
Ключевые слова: сливная стружка, подача, глубина резания, относительная жесткость.
Разрушение витка сливной стружки как процесса ломания при точении в зависимости от ее формы осуществляется по разным схемам [1-4]. При реализации той или иной схемы разрушения витка сливной стружки одним из критериев, определяющим процесс стружколомания, является его жесткость W [6-9]. В качестве оценки жесткости витка сливной стружки используется ее относительная величина Wотн:
Жотн = НгЧ (1)
0ТН Ос>1 4 '
где al- толщина стружки; Dср - средний диаметр витка стружки; Ь1- ширина стружки. Варьирование величиной Wотн относительной жесткости витка сливной стружки достигается, в том числе за счет изменения режимов резания и управления формой режущей кромки.
При увеличении глубины резания tв условиях чистового точения, когда она соизмерима с радиусом R при вершине режущей пластины стандартного исполнения, а активная часть режущей кромки расположена на ее криволинейном участке, возрастают параметры amax максимальная толщина и Ьд действительная ширина поперечного сечения срезаемого слоя (рис. 1). Для больших значений радиуса R при равной t глубине резания amax максимальная толщина имеет меньшие значения, а Ьд действительная ширина срезаемого слоя большие значения.
