CC BY
19
The structural theory of the occurrence of self-oscillations, evaluation of cutting forces and elastic forces in the creation of the total "basic" force fields formed by these forces are considered. The study of the second structural stability criterion is carried out. Designs of holders of turning tools for reduction of manifestation of coordinate communication are developed.
Key words: Structural theory, self-oscillations, force fields, structural stability criterion.
Borodkin Nikolay Nikolaevich, do^or of technical science, docent, n. borodkin@vandeх. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Vasin Leonid Aleksandrovich, do^or of technical science, professor, Vasin-la @yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Vasin Sergey Aleksandrovich, do^or of technical science, professor, vasin_sa53@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Borodkina Natalia Nikolaevna, poctgraduate, nataliborodkin@vandeх. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.9
ПЕРСПЕКТИВЫ УПРАВЛЕНИЯ КИНЕМАТИЧЕСКИМИ УГЛАМИ РЕЖУЩЕГО КЛИНА
НА ОПЕРАЦИЯХ ТОЧЕНИЯ
Г.В. Шадский, В.С. Сальников, О.А. Ерзин
Проведен анализ известных способов управления кинематическими углами предложено введение дополнительных цилиндрических координат режущего клина в системе координат инструмента.
Ключевые слова: процесс разрушения, упругопластическое деформирование, управление процессом, режущий клин, пространственно-временное согласование.
Современное направление развития практически всех методов обработки связано с возрастанием роли оперативного управления параметрами, определяющими режимы и условия их реализации. Это объясняется общей тенденцией цифровизации всех сфер деятельности человека. В лезвийной обработке с точки зрения управления такими режимными параметрами, как скорость, подача и глубина резания достигнут практически апогей. Созданы быстродействующие приводы, разработаны алгоритмы адаптивного управления по температуре и силе резания, различным составляющим колебаний элементов механической системы и т.п.
Известно достаточно много попыток использовать дополнительные высокоскоростные движения инструмента (вибрации), в том числе приводящие и к изменению его кинематических углов. Их классификация по виду и направлениям движения приведена на рис. 1. Однако завершенного их теоретического обоснования до сих пор неизвестно.
Теоретические исследования процессов резания указывают на существенное влияние параметров инструмента на технологические показатели обработки. При этом в большинстве случаев инструмент воспринимается как статичный, конструктивно неизменный элемент технологической системы. Несмотря на это, в направлении управления, в частности, кинематическими углами инструмента сделаны определенные попытки.
Повышение качества выпускаемой продукции занимает одно из первых мест среди важнейших задач современного машиностроения.
Технические характеристики машин и механизмов, такие как производительность, точность, надежность, КПД и др. зависят от эксплуатационных свойств деталей, из которых они собраны [7, 16, 19, 23]. К ним относятся физико-механические свойства поверхностей (микротвердость, структура, остаточные напряжения и др.) и геометрические характеристики (шероховатость, волнистость и др.) [1]. Параметры обработанных резанием поверхностей деталей, как правило, отличаются от заданных чертежом. Это обусловлено принятой технологией обработки и сборки машин и используемым металлообрабатывающим оборудованием. Вопросы технологического обеспечения эксплуатационных свойств деталей машин нашли отражение в трудах многих ученых [8, 14, 17, 19, 23, 24-28] и являются актуальными и в настоящее время.
у
/
Рис. 1. Возможные направления вибраций при точении
Эксплуатационные показатели изготовляемых деталей, их долговечность и надежность зависят не только от физико-механических свойств материала заготовок, но и от уровня проработанности технологического процесса, совершенства технологического оборудования на котором детали изготовляются и способов обработки.
В отличие от идеальных поверхностей деталей, изображаемых на чертеже, реальные поверхности всегда имеет неровности различной формы и высоты, образующиеся в процессе обработки. Высота, форма, характер расположения и направление неровностей поверхностей обрабатываемых заготовок зависят от ряда причин: режима обработки, условий охлаждения и смазки режущего инструмента, химического состава и микроструктуры обрабатываемого материала, конструкции, геометрии, кинематики и режущей способности инструмента, типа и состояния оборудования, вспомогательного инструмента и приспособлений.
Все приведенные показатели поверхностей изготовляемых деталей оказывают влияние на ее эксплуатационные характеристики, однако, в настоящее время при токарной обработке чаще всего нормируются шероховатость, размерная точность и точность формы продольного сечения обработанной поверхности.
В области технологии машиностроения установлено [24], что для увеличения износоустойчивости пары трения, рабочие поверхности деталей должны иметь шероховатость определенной величины.
Увеличение или уменьшение высоты микронеровностей рабочих поверхностей определяют характер износа трущихся деталей.
Установлено [27], что параметры шероховатости оказывают существенное влияние на коррозионную стойкость деталей, поскольку уменьшение высоты микронеровностей увеличивает коррозионную стойкость поверхностного слоя.
Из вышесказанного следует, что перед технологами стоит задача обеспечения постоянства или заданного распределения шероховатости по поверхности обработки.
Грановским была рассмотрена схема образования остаточного сечения срезаемого слоя на обработанной поверхности (рис.2) [2]. Шероховатость обработанной поверхности зависит от высоты остаточного сечения Н. В свою очередь, высота Н зависит от главного угла в плане, вспомогательного угла в плане, подачи и радиуса при вершине резца (рис. 3). Чем больше углы в плане и подача, тем больше будет шероховатость обработанной поверхности, чем больше радиус, тем меньше будет шероховатость.
Рис.2. Остаточное сечение срезаемого слоя на обработанной поверхности
- геометрия рабочей части инструмента и кинематика его рабочего движения относительно обрабатываемой поверхности;
- колебательные перемещения инструмента относительно обрабатываемой поверхности;
- упругие и пластические деформации обрабатываемого материала заготовки в зоне контакта с рабочим инструментом;
- шероховатость рабочей части инструмента;
- вырывы частиц обрабатываемого материала.
5 у
ф"' 1
м
1 а! У"
Ч>' \ | <Р" V"
_______./ *
У
У
„ -" ^ ш \ ф
¡с " / 4-
\ / \
г '=0
Рис. 3. Влияние главного угла в плане, подачи и радиуса при вершине резца на высоту остаточного сечения Н: а - влияние главного угла в плане, при ф' < ф" < ф'", И' < И" < И'"; б - влияние вспомогательного угла в плане при ф1 < ф1 < ф|", И' < И" < Ит; в - влияние подачи, при Б' < Б" < Б", И' < И" < Ит; г - влияние радиуса при вершине резца,
при г0 < г0 < г0 , И > И > И
В зависимости от условий обработки степень влияния каждого из этих факторов на образование шероховатости поверхности будет различной. В частности, первые четыре фактора вызывают образование систематической составляющей профиля шероховатости, которая может быть описана математически.
Обработка фасонных поверхностей деталей на токарных станках с системой ЧПУ и использованием двухкоординатной интерполяции приводит к нестационарному характеру распределения шероховатости на поверхности детали. Например, на рис.4 приведены фрагменты технологического маршрута токарной обработки при построчно-копировальной обработке цилиндрической заготовки для получения полусферической поверхности резцом с главным углов в плане 90°.
а б
Рис. 4. Фрагмент технологического маршрута токарной обработки детали
с фасонной поверхностью
На участках 4 (а) и 4 (б) чистовой обработки кинематический главный угол в плане будет изменяться, что приведет к изменению высоты микронеровностей профиля детали. На рис.5 показано изменение кинематического главного угла в плане в зависимости от направления вектора скорости движения резца, а на рис.6 - изменение кинематического главного угла в плане в процессе обработки полусферы радиусом 30 мм [30].
Рис. 5. Изменение кинематического главного угла в плане в зависимости от вектора
скорости движения резца
дфк, град
О 10 20 30
Рис. 6. Изменение кинематического главного угла в плане в процессе обработки полусферы
На участках 4 (а) и 4 (б) чистовой обработки кинематический главный угол в плане будет изменяться, что приведет к изменению высоты микронеровностей профиля детали. На рис.5 показано изменение кинематического главного угла в плане в зависимости от направления вектора скорости движения резца, а на рис.6 - изменение кинематического главного угла в плане в процессе обработки полусферы радиусом 30 мм [30].
Таким образом, можно сделать вывод, что при обработке фасонных поверхностей деталей, высота микронеровностей на поверхности будет значительно изменяться, что приведет к увеличенной интенсивности износа деталей при их эксплуатации и ухудшению эксплуатационных свойств. Это ставит вопрос о разработке приемлемых схем стабилизации кинематических параметров режущего инструмента генерацией приемлемого управления кинематико-геометрическими параметрами резания.
Точение деталей с фасонными поверхностями характерна выраженной нестационарностью основных параметров: величиной удаляемого припуска и сечений срезаемых слоев, текущих значений кинематических параметров режущего инструмента и других [6]. При этом изменяются параметры обрабатываемой детали. Например, при изменении кинематического главного угла в плане ф от 30о до 75о шероховатость изменяется в два раза [18]. В связи с этим остается актуальной задача исследования процесса обработки фасонных поверхностей деталей, в частности, при стабилизации кинематических параметров режущего инструмента [31]. В настоящее время предложено множество способов обработки фасонных поверхностей деталей [4, 9, 10, 12, 13, 15, 22, 29]: фасонные резцы, копировальные станки, обработка с помощью ЧПУ, устройства, ведущие обработку в круговых координатах и другие. Разные способы и методы используют разное число координат и виды движения в процессе обработки детали.
Существуют специальные устройства и приспособления, позволяющие вести обработку как с применением одного движения (поворотное движение резца при обработке сферы), так и реализующие более сложные движения, сочетающие в себе как поступательное, так и вращательное движение. Станки с ЧПУ традиционно ведут обработку в двух линейных координатах, хотя современные модели станков могут использовать 3 и более координат .
Например, существуют способ обработки [11] для полусфер, в котором резец вращают вокруг оси, проходящей через центр полусферы (рис.7). Недостатком способа является невозможность обработки деталей имеющих поверхности, отличные от сферических. Кроме того, при изменении радиуса обрабатываемой поверхности каждый раз будет требоваться переналадка технологической системы.
Рис. 7 Способ обработки фасонных поверхностей деталей с поворотом резца вокруг центра сферы
Обработка деталей, имеющих большой радиус кривизны поверхности связана с определенными конструктивными сложностями. Также, при использовании данного способа не учитываются погрешности, обусловленные износом инструмента.
В другом способе обработки [18], наряду с поступательным движением, резец вращают вокруг радиусного участка при его вершине (рис.8). Такой способ позволяет обрабатывать заготовки различного диаметра и конфигурации, однако, в случае нестабильных параметров поверхностного слоя детали, в круговом позиционировании инструмента будут появляться погрешности.
Рис. 8. Способ обработки фасонных поверхностей деталей деталей с поворотом резца вокруг радиусного участка при его вершине
Кроме того, в случае, если комплексная деталь имеет как выпуклые, так и вогнутые поверхности, на их переходе будут также возникать погрешности обусловленные общей инерционностью системы.
Использование при обработке поворотной координаты, ставит вопрос о рациональном выборе его центра поворота [32]. Критерием оптимальности является характер и количество движений резца с резцедержкой, допустимые скорости движения и ускорения. Неудачный выбор центра поворота может привести к принципиальной неосуществимости формообразования некоторых поверхностей, или неосуществимости процесса обработки с заданной контурной скоростью обработки. Правильный выбор центра поворота позволит повысить скорость и точность обработки, а также качество обработанной детали.
Кроме того, введение круговой координаты изменяет характер движения резца. Например, при обработке сферической поверхности и размещении центра поворота в центре сферы, резец будут совершать только вращательное движение.
Рис. 9. Способ обработки фасонных поверхностей деталей с поворотом резца вокруг произвольной точки, основанный на управлении кинематико-геометрическими параметрами резания
Управление главным углом в плане ограничивалось не только необходимостью введения дополнительной поворотной управляемой координатной оси, но и существенным возрастанием требований к динамическим характеристикам приводов линейных координат, определяющих траекторию движения центра поворотного устройства. Управление передним углом было основано на создании упругих систем, связывающих державку инструмента с конструктивно выделенным элементом инструмента - режущим клином, работающих на принципах силового саморегулирования его положения. Отсутствие возможности оперативного изменения настроек этих систем, их зависимость от условий резания существенно ограничивало технологические возможности этого способа управления.
Это объясняется, во-первых отсутствием теоретического обоснования возможности выделения конструктивно-обособленных элементов на режущем инструменте, сохраняющих его функциональные свойства, делающих возможным контролировать состояние упругопластического деформирования зоны предразрушения и изменять направление вектора результирующей силы резания в нужном направлении. Во-вторых, отсутствием технических средств реализующих управление его положением, в частности миниатюрных приводных систем с необходимыми приведенными значениями силовых характеристик, не позволившими достигнуть желаемых результатов.
Интерес к этому направлению развития лезвийной обработки не ослабевает до настоящего времени. В частности, предложены интеллектуальные инструменты [33], обеспечивающие оптимизацию процесса резания, и во многих случаях дающие возможность объединения операций. Предлагаемый подход основан на придании режущей кромке дополнительных движений в системе координат станка и не затрагивает (сущностных изменений) эволюции самого инструмента, изменения положения режущего клина в его системе координат.
Для реализации цели проекта предложено в систему координат инструмента ввести две переносные цилиндрические системы управляемых координат (рис. 10).
Рис. 10. Дополнительные переносные цилиндрические системы координат режущего клина
в системе координат инструмента
Первая - имеет вертикальную ось, проходящую через вершину резца 01 ф1, ^ , обеспечивая управление главным углом в плане. Вторая - имеет ось, проходящую по главной режущей кромке 02 ^2, Ф2, У2, причем ее центр О^ находится на оси О1 21 первой системы координат и позволяет
управлять передним углом резца.
Управление положением режущего клина в предложенных системах координат позволит оптимизировать процесс резания путем изменения кинематических углов: главного в плане ф и переднего
режущего у . Это обеспечит снижение силы резания и повышение стойкости инструмента.
Работа выполнена в рамках проекта РФФИ №19-48-710010 р_а «Развитие теории интенсификации лезвийной обработки на основе робастного управления кинематическими углами режущего клина» и при софинансировании Правительством Тульской области договор № ДС/115.
Список литературы
1. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975. 344 с.
2. Грановский Г.И. Кинематика резания. М.: Машгиз, 1954. 126 с.
3. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов: Учебник для машиностр. и приборостр. спец. вузов. М.: Высшая школа, 1985. 304 с.
4. Грановский Г.И., Панченко К.П. Фасонные резцы. М.: Машиностроение, 1975. 309 с.
5. Дружинский И.А. Сложные поверхности: Математическое описание и технологическое обеспечение: справочник. Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1985. 263 с.
347
6. Коганов И. А., Киселев В.Н., Ямников А.С. Точность обработки на металлорежущих станках: учебное пособие. Тула: ТулГУ, 1996. 132 с.
7. Колесников К.С. Технологические основы обеспечения качества машин / К.С. Колесников, Г.Ф. Баландин, А.М. Дальский и др.; под общ. ред. К.С. Колесникова. М.: Машиностроение, 1990. 256 с.
8. Колесов И.М. Основы технологии машиностроения: учеб. для машиностроит. спец. вузов. 2-е изд., испр. М.: Высшая школа, 1999. 591 с.
9. Лесли В. Использование станков с программным управлением: справочное пособие. М.: Машиностроение, 1976. 422 с.
10. Лещенко В.А. Станки с числовым программным управлением (специализированные). М.: Машиностроение, 1979. 592 с.
11. Медведев М.Д. Устройство для токарной обработки наружных сферических поверхностей: а. с. БШ094671А1 СССР: МПК В23В5/40 / Медведев М.Д., Натапов Л.М. №3562575/25-08. Заявл. 11.03.83. Опубликовано 30.05.84. Бюллетень № 20. 3 с.
12. Металин А.А., Дашевский Т.Б., Княжицкий Н.И. Многооперационные станки. М.: Машиностроение, 1974. 320 с.
13. Мирошников Б.Д., Герасимова Л.И., Сафраган Р.Э. Автоматизация расчетов параметров инструмента для обработки фасонных поверхностей // Повышение эффективности производства в машиностроении на основе применения технологического оборудования с ЧПУ. К.: РДЭНТП, 1980. С. 63-66.
14. Невельсон М. С. Автоматическое управление точностью обработки на металлорежущих станках. Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1982. 184 с.
15. Подураев В.Н. Автоматически регулируемые и комбинированные процессы резания. М.: Машиностроение, 1977. 304 с.
16. Решетов Д.Н. Детали и механизмы металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1972. Т. 1. 663 с.
17. Рыжков Э.В., Аверченков В.И. Оптимизация технологических процессов механической обработки. Киев: Наукова думка, 1989. 222 с.
18. Рыкунов А.Н. Способ обработки фасонных поверхностей точением: пат. ЯШ266175С2 Рос. Федерация: МПК7В23В1/00 / Рыкунов А.Н., Ушакова Е.И., Яхонтов В.В.; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Научно-производственное объединение «Сатурн». №2004103852/02. Заявл. 10.02.04. Опубликовано 20.12.05. Бюллетень № 35. 5 с.
19. Смелянский В.М. Механика упрочнения поверхностного слоя деталей машин в технологических процессах поверхностного пластического деформирования. М.: Машмир, 1992. 60 с.
20. Соколов Т.Н. Дружинский И. А. Автоматическое копирование на металлорежущих станках. М.-Л.: Машгиз, 1949. 212 с.
21. Соколов Т.Н., Дружинский И.А. Автоматическое управление процессами копирования на металлорежущих станках. М.-Л.: Машгиз, 1954. 328 с.
22. Сосонкина В.Л. Программное управление станками. М.: Машиностроение, 1981. 398 с.
23. Старков В.К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве. М.: Машиностроение, 1989. 296 с.
24. Сулима А.М., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. 240 с.
25. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000.
320 с.
26. Суслов А.Г., Дальский А.М. Научные основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 2002. 684 с.
27. Суслов А.Г., Федоров В.П., Горленко О. А. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств деталей и их соединений; под общей ред. А.Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2006. 448 с.
28. Хайкевич Ю.А. Влияние угла разворота резца на дробление стружки // СТИН, 2008. №11.
С. 20-23.
29. Цубаренко А.С. Методы программирования обработки на токарных станках с ЧПУ / Цуба-ренко А.С. М.: Машиностроение, 1977. 64 с.
30. Шаталов Д. Д. Анализ влияния профиля обрабатываемой поверхности на кинематику резания // 1-я Молодежная научно-практическая конференция студентов Тульского государственного университета «Молодежные инновации»: тезисы докладов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. С.111-112.
31. Шаталов Д.Д., Тимошин. М.И. Некоторые аспекты по модернизации технологического оборудования // 4-я Молодежная научно-практическая конференция Тульского государственного университета «Молодежные инновации»: тезисы докладов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. Ч.2. С.217-219.
32. Шаталов Д. Д. Расширение технологических возможностей металлорежущих станков на основе анализа и синтеза их компоновок с применением методов имитационного моделирования // Автоматизация: проблемы, идеи, решения: материалы Международной научно-технической конференции. 16-17 октября 2007 года / под ред. В.В. Прейса, А.С. Горелова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. С.98-99.
33. Sellmer D. High-performance processing by means of the "intellektualnyq" cutting tools. Werkstatt und Betrieb, 2001. № 3. P. 38 - 40.
Шадский Геннадий Викторович, д-р техн. наук, профессор, декан ФВЗО, chief.gennadiischadscky@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сальников Владимир Сергеевич, д-р техн. наук, профессор, vsalnikov.prof@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ерзин Олег Александрович, канд. техн. наук, доцент, erzin79@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
PROSPECTS OF CONTROL OF KINEMATIC ANGLES OF CUTTING WEDGE AT TURNING OPERATIONS
G.V. Shadsky, V.S. Salnikov, O.A. Erzin
An analysis of known methods for controlling kinematic angles is carried out. The introduction of additional cylindrical coordinates of the cutting wedge in the coordinate system of the tool is proposed.
Key words: fracture process, elastoplastic deformation, process control, cutting wedge, spatiotemporal coordination.
Shadsky Gennady Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, dean fvzo,_ chief.gennadiischadscky@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Salnikov Vladimir Sergeyevich, doctor of technical sciences, professor, vsalnikov.prof@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Erzin Oleg Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, erzin 79@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.8
ВАРИАНТЫ ИСПОЛНЕНИЯ ПЕРВОЙ СТУПЕНИ МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ РЕЖУЩЕЙ ПЛАСТИНЫ
А.Е. Медведев, С.Я. Хлудов
Рассмотрены варианты исполнения первой ступени многоступенчатой режущей пластины. Представлены варианты исполнения режущей кромки многоступенчатой пластины. Рассмотрено влияние радиуса при вершине режущей пластины и формообразующего участка активной части режущей кромки.
Ключевые слова: режущая кромка, многоступенчатая пластина, дискретное представление, координата, радиус.
Многоступенчатая режущая пластина с дискретным исполнением режущей кромки в зависимости от ее конструктивного оформления может иметь несколько ступеней, одновременно работающих при срезании припуска в условиях черновой обработки. Количество одновременно работающих ступеней определяется схемой срезания припуска. Каждая ступень срезает припуск с определенной глубиной резания.
В зависимости от формы режущей кромки первой ступени, она может иметь различные формы, некоторые из которых представленные на рис. 1
