CC BY
22Машиностроение и машиноведение
УДК 621.9:621.91.01:621.9.025 DOI: 10.30987/1999-8775-2021-6-4-10
Б.Я. Мокрицкий, А.В. Морозова, В.Ю. Верещагин
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФРЕЗЕРОВАНИЯ ПОСРЕДСТВОМ ПРИМЕНЕНИЯ КОНЦЕВЫХ ТВЁРДОСПЛАВНЫХ СОСТАВНЫХ ФРЕЗ
Разработаны рекомендации, позволяющие минимизировать применение дорогостоящих монолитных фрез посредством использования более дешёвых - составных фрез. Сформирован новый подход к конструкции концевых твёрдосплавных фрез.
Разработаны рекомендации, позволяющие применять составные твёрдосплавные концевые фрезы без снижения точности обработки в сравнении с монолитными фрезами.
Ключевые слова: фреза, точность, обработка, паз, исследование, метод.
B.Ya. Mokritsky, A.V. Morozova, V.Yu. Vereshchagin
MILLING EFFECTIVENESS INCREASE BY MEANS OF HARD-ALLOY COMPOUND END MILLING CUTTERS
The investigation purpose: the effectiveness increase of hard-alloy end milling cutters at the expense of new milling cutter design development conventionally called compound milling cutters.
The problem solved during investigation: the reveal of the most efficient fields of compound milling cutter use.
The scientific novelty of the work: the formation of a new kind of hard-alloy end milling cutter design, to avoid milling cutter destruction in the place of shank end mounting in the chuck of the machine a shank end is made of structural steel and soldered with a hard-alloy cutting part of the milling cutter.
As a result of the investigation it was defined:
Введение
Применение монолитных концевых твёрдосплавных фрез позволяет обрабатывать заготовки деталей с высокой точностью, но их высокая стоимость снижает эффективность фрезерования. Концентрация нагрузок в области закрепления фрезы
a) compound milling cutters compete with monolithic milling cutters in accuracy during billet production of parts at a lower cost of milling cutters;
b) a compound milling cutter with a diameter of 16 mm and a milling cutter length of 92 mm substitute successfully a monolithic milling cutter by production accuracy and ensures cost reduction of a product by 4 %;
c) a compound milling cutter with a length of 220 mm as compared with a monolithic milling cutter ensures product cost reduction by 38% and applicable for general aims at engineering enterprises.
Key words: milling cutter, accuracy, machining, slot, investigation, method.
в патроне зачастую приводит к сколу хвостовика фрезы (рис. 1а). Статистика [1] отказов и примеры разрушения хвостовиков концевых монолитных фрез приведены на рис. 1б.
а) б)
Рис. 1. Примеры а - скола хвостовиков и статистика; б - отказов концевых монолитных фрез
Такая низкая надёжность монолитных фрез ставит задачу поиска более рациональных вариантов конструкции концевых фрез.
Вопросами повышения работоспособности металлорежущего инструмента и концевых фрез занимались многие отече-
Методология исследования
Исследование построено на применении программной среды ЛЫ8У8 как метода исследования [18]. Это позволило рассмотреть разные варианты конструкций разработанных авторами фрез. Они названы составными. У них твёрдосплавная режущая часть сопряжена с хвостовиком, выполненным из более дешёвого материала, исключающего возможность хрупкого разрушения хвостовика у места крепления в патроне станка. Сопряжение режущей части и хвостовика имеет разные варианты исполнения и спаяно.
Параметром для оптимизации конструкции фрезы принята величина отклонения Уоткл стенки паза из условия: чем меньше величина отклонения, тем выше точность обработки (рис. 2).
Основные исследования сделаны применительно к концевым фрезам, изготавливаемых в соответствии с ГОСТ [19, 20]. Для фрезы диаметром 16 мм рассмотрены длины 92 мм и 123 мм. Рассмотрены случаи, когда длина режущей части составляет 40 мм. За рамками ГОСТ использованы и другие длины фрез. Рассмотрены также разные диаметры фрез, минимальный диаметр 10 мм. Сила резания ограничена величиной 3000 Н, точность обработанной поверхности стенки паза должна быть в пределах 6-9 квалитетов точности, типичных для общего машиностроения.
ственные и зарубежные исследователи, например [2-17]. Однако полученные ими результаты не исчерпали растущие требования современного машиностроения. Требуется разработка новых рекомендаций.
Рис. 2. Схема формирования отклонения Уоткл положения стенки обрабатываемого паза при действии радиальной составляющей Ру силы резания от теоретического вертикального положения стенки: 1 - хвостовик фрезы; 2 - твёрдосплавная режущая часть фрезы; 3 - зажимное устройство станка; 4 - обработанная поверхность паза заготовки 5
Рассмотрено три примера материала хвостовика, конструкционная сталь 40Х, быстрорежущая сталь Р18 и неинструментальный твёрдый сплав марки Т30К4. При материале режущей части ВК8 сочетания с такими хвостовиками условно обозначили ВК8 + 40Х, ВК8 + Р18, ВК8 + Т30К4.
Обсуждение полученных результатов
Примеры исполнения составных фрез показаны на рис. 3.
На рис. 3 а, 3в и 3г показаны разные варианты исполнения фрезы диаметром 16 мм с хвостовиком, выполненным из конструкционной стали 40Х. В частности, на рисунке 3г показана фреза с нанесённым покрытием. Кольцевая канавка на ней -
это место спая режущей части фрезы с её хвостовиком. Для примера на рисунке 3б показана сборная фреза конструкции фирмы 8апёу1к сототаЫ со сменной режущей частью. Штангенциркуль на фото показан для возможности визуального сравнения габаритов фрезы.
Рис. 3. Примеры составных фрез длиной 92 мм
На рис. 4 приведены отдельные примеры построения диаграмм сравнения, отражающих величины отклонения Уоткл для фрез разной длины Ь при разной ширине В фрезерования. Под шириной В фрезерования здесь понимается длина участка режущей части фрезы, задействованная в резании (например, из 40 мм длины режущей части фрезы резание осуществляется только 15 мм).
Так, например, из рис. 4а видно, что для фрезы длиной 92 мм при ширине В фрезерования 5 мм все отклонения Уоткл не превышают 3 мкм, а при ширине В = 15 мм максимальная величина отклонения - 5 мкм (у фрезы ВК8+40Х). При этом, для остальных фрез (при режущей части ВК8 в сочетании с хвостовиками Р18 и Т30К4) отклонения при ширине фрезерование В = 15 мм
соизмермы с теми, которые были при ширине фрезерования В = 5 мм.
Кроме того, из рис. 4а-д при анализе двух видов фрез с разной шириной фрезерования В (например, В = 5 мм и В =15 мм) выявлено, что, чем больше длина фрезы Ь, тем больше и величина отклонения Уоткл, т.е. УотклЬ=92мм < УотклЬ=123мм < УотклЬ= 180 мм. Аналогичный вывод можно сделать при сравнительном анализе изображений рис. 4б-е.
Сравнительный анализ рис. 4а-б при исследовании четырех разных видов фрез с одинаковой длиной, например, при Ь = 92 мм, показал, что, чем больше ширина фрезерования В, тем больше и величина отклонения Уоткл, т.е. УотклВ=5мм < УотклВ=15мм < УотклВ=30мм < УотклВ=40мм. Аналогично - для рис. 4в-г и рис. 4д-е.
Подобные диаграммы сравнения получены для всего диапазона рассматриваемых фрез. Информация, представленная
на диаграммах, подтверждена экспериментальными исследованиями при натурном фрезеровании.
в)
Рис. 4. Графическая иллюстрация изменения величины Уоткл в зависимости от длины Ь монолитной фрезы и ширины В фрезерования
Заключение
Анализ графической информации (рис. 1-4) позволяет сделать следующие выводы.
1. Составные фрезы в рамках рассмотренных параметров (длина от 92 мм до 220 мм, длина режущей части 40 мм,
диаметр 16 мм) применимы на предприятиях общего машиностроения. Погрешность Уоткл составляет от 2 до 50 мкм.
2. Чем меньше длина фрезы, тем выше точность изготовления стенки паза (тем меньше величина Уоткл) в заготовке обрабатываемой детали.
3. При длине фрезы 92 мм точность не уступает точности, получаемой при применении монолитной фрезы. Следовательно, фрезу длиною 92 мм можно использовать для изготовления высокоточных деталей (погрешность Уоткл составляет от 2 до 9 мкм).
4. При длине L 123 и 180 мм составная фреза конкурирует со сборной фрезой и может быть использована при изготовлении деталей общего машиностроения (погрешность Уоткл составляет от 2 до 35 мкм).
5. При длине 220 мм составная фреза применима для работы в заготовительных участках предприятий общего машиностроения. Уоткл составляет от 4 до 50 мкм.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мокрицкий, Б. Я. Моделирование как средство оптимизации геометрии металлорежущего инструмента / Б. Я. Мокрицкий, В. Ю. Верещагин, А. С. Верещагина // Металлообработка. - 2018. -№1. - С. 14 - 19.
2. Воробьев, А. В. Проектирование сменных многогранных пластин для сборных режущих инструментов по целевому назначению / А. В. Воробьев, М. А. Корчуганова, С. И. Петрушин, О. Ю. Ретюнский // Вестник машиностроения. -2002. - № 5. - С. 47-50.
3. Петрушин, С. И. Моделирование процесса изнашивания лезвия режущего инструмент / С. И. Петрушин, А. В. Воробьёв // Вестник машиностроения. - 2005. - №12. - С. 31-34.
4. Bouzakis, K. D. Cutting with coated tools: coating technologies, characterization methods and performance optimization / K. D. Bouzakis, N. Michai-lidis, G. Skordaris, E. Bouzakis, D. Biermann, R. M'Saoub // CIRP Ann. Manuf. Technol. 61 (2012) 703- 723.
5. Fox-Rabinovich, G. S. Impact of annealing on microstructure, properties and cutting performance of an AlTiN coating / G. S. Fox-Rabinovich, J. L. Endrino, B. D. Beake, A. I. Kovalev, S. C. Veldhu-is, L. Ning, F. Fotaine, A. Gray// Surf. Coat. Technol. 201 (2006) 3524-29.
6. Fox-Rabinovich, G. S. Nano-crystalline filtered arc 5 deposited (FAD) TiAlN PVD coatings for high-speed machining applications / G. S. Fox-
6. Из всех вариантов исполнения хвостовиков у составных фрез с позиций точности обработки паза в заготовке детали предпочтителен вариант ВК8 + Т30К4, затем ВК8 + Р18 и ВК8 + 40Х. При этом экономия стоимости составных фрез в сравнении с монолитной фрезой (её стоимость в зависимости от фирмы-производителя для длины 92 мм при диаметре 16 мм изменяется от 1,5 до 2,5 тыс. рублей) составляет: а - для фрезы длиной 92 мм - 4 %; б - для фрезы длиной 123 мм - 12 %; в - для фрезы 180 мм - 26 %; г -для фрезы 220 мм - 38 %.
Дополнительно выполнены исследования по эффективности применения покрытий (рис. 3г) на составных фрезах. Здесь их результаты не приводятся. Необходимо отметить, что применение покрытий существенно снижает силу резания и её радиальную составляющую Р1, что снижает прогиб фрезы и, соответственно, повышает точность обработки.
Rabinovich, G. C. Weatherley, A. I. Dodonov, A. I. Kovalev, L. S. Shuster, et al. // Surf. Coat. Technol. 177-178 (2004) 800-811.
7. Fox-Rabinovich, G. S. Tribological adaptability of TiAlCrN PVD coatings under high performance dry machining condition/ G. S. Fox-Rabinovich, K. Yamamoto, S. C. Veldhuis, A. I. Kovalev, G. K. Dosbaeva // Surf. Coat. Technol. 200 (2005) 180413.
8. Erkens, G. Properties and performance of high aluminum containing (Ti, Al)N based supernitride coatings in innovative cutting applications / G. Erkens, R. Cremer, T. Hamoudi, K.-D. Bouzakis, et al. // Surf. Coat. Technol. 177-178 (2004) 727734.
9. Fox-Rabinovich, G. S. Structure, properties and wear performance of nano-multilayered TiAlCrSiYN/ TiAlCrN coatings during machining of Ni-based aerospace superalloys / G. S. Fox-Rabinovich, B. D. Beake, K. Yamamoto, M. H. Aguirre, S. C. Veldhuis, G. Dosbaeva, A. Elfizy, A. Biksa, L. S. Shuster, A.Y. Rashkovskiy // Surf. Coat. Technol. 204 (2010) 3698-3706.
10. Zhang, H. A process parameters optimization method of multi-pass dry milling for high efficiency, low energy and low carbon emissions / H. Zhang, Z. Deng, Y. Fu, L. Lv, C. Yan // J. Clean. Prod. 148 (2017) 174-184.
11. Huang, W. An analytical index relating cutting force to axial depth of cut for cylindrical end mills /
W. Huang, X. Li, B. Wang, J. Chen, J. Zhou // Int. J. Mach. Tools Manuf. 111 (2016) 63-67.
12. Zhao, W. Cutting performance evaluation of end mills for titanium aircraft components / W. Zhao, S. Wang, Z. Han, N. He // Procedia CIRP 35 (2015) 1-7.
13. Baohai, W. Cutting tool temperature prediction method using analytical model for end milling / W. Baohai, C. Di, H. Xiaodong, Z. Dinghua, T. Kai // Chin. J. Aeronaut. 29 (2016) 1788-1794.
14. Vereschaka, A. A. Delamination and longitudinal cracking in multi- layered composite nano-structured coatings and their influence on cutting tool life / A. A. Vereschaka, S. N. Grigoriev, N. N. Sitnikov, A. D. Batako // Wear 390-391 (2017) 209-219.
15. Vereschaka, A. A. Development of assisted filtered cathodic vacuum arc deposition of nano-dispersed multilayer composite coatings on cutting tools / A.A. Vereschaka // Key Eng. Mater. 581 (2014) 62-67, doi:10.4028/www.scientific.net/KEM.581.62.
16. Vereschaka, A. A. Study of properties of nanostructured multilayer composite coatings of Ti-TiN-(TiCrAl)N and Zr-ZrN-(ZrNbCrAl)N / A. A.
1. Mokritsky, B.Ya. Modeling as Means for Optimization of Metal-cutting Tool / B.Ya. Mokritsky, V.Yu. Vereshchagin, A.S. Vereshchagina // Metal-working. - 2018. - No.1. - pp. 14-19.
2. Vorobiyov, A.V. Design of replaceable polyhedral plates for composite cutters on intended purpose / A.V. Vorobiyov, M.A. Korchuganova, S.I. petrushin, O.I. Retyunsky // Bulletin of Mechanical Engineering. - 2002. - No.5. - pp. 47-50.
3. Petrushin, S.I. Simulation of cutter edge wear / S.I. Petrushin, A.V. Vorobiyov // Bulletin of Mechanical Engineering. - 2005. - No.12. - pp. 31-34.
4. Bouzakis, K. D. Cutting with coated tools: coating technologies, characterization methods and performance optimization / K. D. Bouzakis, N. Michai-lidis, G. Skordaris, E. Bouzakis, D. Biermann, R. M'Saoub // CIRP Ann. Manuf. Technol. 61 (2012) 703- 723.
5. Fox-Rabinovich, G. S. Impact of annealing on microstructure, properties and cutting performance of an AlTiN coating / G. S. Fox-Rabinovich, J. L. Endrino, B. D. Beake, A. I. Kovalev, S. C. Veldhu-is, L. Ning, F. Fotaine, A. Gray// Surf. Coat. Technol. 201 (2006) 3524-29.
6. Fox-Rabinovich, G. S. Nano-crystalline filtered arc 5 deposited (FAD) TiAlN PVD coatings for high-speed machining applications / G. S. Fox-Rabinovich, G. C. Weatherley, A. I. Dodonov, A. I. Kovalev, L. S. Shuster, et al. // Surf. Coat. Technol. 177-178 (2004) 800-811.
7. Fox-Rabinovich, G. S. Tribological adaptability of TiAlCrN PVD coatings under high performance dry machining condition/ G. S. Fox-Rabinovich, K. Yamamoto, S. C. Veldhuis, A. I. Kovalev, G. K. Dosbaeva // Surf. Coat. Technol. 200 (2005) 180413.
Vereschaka, A. S. Vereschaka, Ju. I. Bublikov, A. Y. Aksenenko, N. N. Sitnikov // J. Nano Res. 40 (2016) 90-98,
doi:10.4028/www.scientific.net/JNanoR.40.90.
17. Volkhonskii, A. O. Filtered cathodic vacuum arc deposition of nano-layered composite coatings for machining hard-to-cut materials / A. O. Volkhon-skii, A. A. Vereshchaka, I. V. Blinkov, A. S. Vereshchaka, A. D. Batako // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 84 (2016) 1647-1660, doi:10.1007/s00170-015-7821-8.
18. Мокрицкий, Б. Я. Моделирование процесса резания с применением программы ANSYS / Б. Я. Мокрицкий, В. Ю. Верещагин, А. С. Верещагина // Вестник машиностроения. - 2018. - № 4. -С. 69 - 72.
19. ГОСТ 32405-2013 (ISO 10911:2010). Фрезы концевые цельные твердосплавные. Технические условия / взамен ГОСТ 18372-73; дата введ. 01.01.2015. - Москва : Стандартинформ, 2014. - IV, 10 c.
20. ГОСТ 17025-71. Фрезы концевые с цилиндрическим хвостовиком. Конструкция и размеры / взамен ГОСТ 8237-57; дата введ. 01.01.73. -Москва : Стандартинформ, 2005. - 11 с.
8. Erkens, G. Properties and performance of high aluminum containing (Ti, Al)N based supernitride coatings in innovative cutting applications / G. Erkens, R. Cremer, T. Hamoudi, K.-D. Bouzakis, et al. // Surf. Coat. Technol. 177-178 (2004) 727734.
9. Fox-Rabinovich, G. S. Structure, properties and wear performance of nano-multilayered TiAlCrSiYN/ TiAlCrN coatings during machining of Ni-based aerospace superalloys / G. S. Fox-Rabinovich, B. D. Beake, K. Yamamoto, M. H. Aguirre, S. C. Veldhuis, G. Dosbaeva, A. Elfizy, A. Biksa, L. S. Shuster, A.Y. Rashkovskiy // Surf. Coat. Technol. 204 (2010) 3698-3706.
10. Zhang, H. A process parameters optimization method of multi-pass dry milling for high efficiency, low energy and low carbon emissions / H. Zhang, Z. Deng, Y. Fu, L. Lv, C. Yan // J. Clean. Prod. 148 (2017) 174-184.
11. Huang, W. An analytical index relating cutting force to axial depth of cut for cylindrical end mills / W. Huang, X. Li, B. Wang, J. Chen, J. Zhou // Int. J. Mach. Tools Manuf. 111 (2016) 63-67.
12. Zhao, W. Cutting performance evaluation of end mills for titanium aircraft components / W. Zhao, S. Wang, Z. Han, N. He // Procedia CIRP 35 (2015) 1-7.
13. Baohai, W. Cutting tool temperature prediction method using analytical model for end milling / W. Baohai, C. Di, H. Xiaodong, Z. Dinghua, T. Kai // Chin. J. Aeronaut. 29 (2016) 1788-1794.
14. Vereschaka, A. A. Delamination and longitudinal cracking in multi- layered composite nano-structured coatings and their influence on cutting tool life / A. A. Vereschaka, S. N. Grigoriev, N. N.
Sitnikov, A. D. Batako // Wear 390-391 (2017) 209-219.
15. Vereschaka, A. A. Development of assisted filtered cathodic vacuum arc deposition of nano-dispersed multilayer composite coatings on cutting tools / A.A. Vereschaka // Key Eng. Mater. 581 (2014) 62-67, doi:10.4028/www.scientific.net/KEM.581.62.
16. Vereschaka, A. A. Study of properties of nanostructured multilayer composite coatings of Ti-TiN-(TiCrAl)N and Zr-ZrN-(ZrNbCrAl)N / A. A. Vereschaka, A. S. Vereschaka, Ju. I. Bublikov, A. Y. Aksenenko, N. N. Sitnikov // J. Nano Res. 40 (2016) 90-98, doi:10.4028/www.scientific.net/JNanoR.40.90.
17. Volkhonskii, A. O. Filtered cathodic vacuum arc deposition of nano-layered composite coatings for machining hard-to-cut materials / A. O. Volkhon-
Ссылка для цитирования:
skii, A. A. Vereshchaka, I. V. Blinkov, A. S. Vereshchaka, A. D. Batako // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 84 (2016) 1647-1660, doi:10.1007/s00170-015-7821-8.
18. Mokritsky, B.Ya. Simulation of cutting using AN-SYS software / B.Ya. Mokritsky, V.Yu. Veresh-chagin, A.S. Vereshchagina // Bulletin of Mechanical Engineering. - 2018. - No.4. - pp. 69-72.
19. GOST 32405-2013 (ISO 10911:2010). Hard-Alloy Integral End Milling Cutters. Technical Specifications / instead of GOST 18372-73; introduction date: 01.01.2015. - Moscow: Standardinform, 2014. - IV, pp. 10.
20. GOST 17025-71. Milling Cutters with Cylindrical Shank End. Design and Dimensions / instead of GOST 8237-57; introduction date: 01.01.73. -Moscow: Standardinform, 2005. - pp. 11.
Мокрицкий, Б.Я. Повышение эффективности фрезерования посредством применения концевых твёрдосплав-ных составных фрез / Б. Я. Мокрицкий, А. В. Морозова, В. Ю. Верещагин //Вестник Брянского государственного технического университета. - 2021. - № 6. - С. 4 - 10. DOI: 10.30987/1999-8775-2021-6-4-10.
Статья поступила в редакцию 29.03.21. Рецензент: д.т.н., профессор Брянского государственного технического университета,
Киричек А.В.,
член редсовета журнала «Вестник БГТУ». Статья принята к публикации 25.05.21.
Сведения об авторах:
Мокрицкий Борис Яковлевич, д.т.н., гл. науч. сотрудник, профессор кафедры «Машиностроение» Kомсомольского-на-Амуре государственного университета, e-mail: boris@knastu.ru. Морозова Анна Валентиновна, к. соц. н., докторант по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств», вед. инженер лаборатории «Волновое деформационное и комби-
Mokritsky Boris Yakovlevich, Dr. Sc. Tech., Chief research assistant, Prof. of the dep. "Mechanical Engineering", Komsomolsk-upon-Amur State University, e-mail: boris@knastu.ru.
Morozova Anna Valentinovna, Can. Sc. Sociol., Doctoral candidate in specialty "Automation of Technological Processes and Production", Leading engineer of the lab."Wave Deformation and Combined Strengthen-
нированное упрочнение в аддитивных и субтрак-тивных технологиях» Брянского государственного технического университета, e-mail: ni-otiostu@gmail.com.
Верещагин Владислав Юрьевич, доцент кафедры «Информационные системы и цифровое образование» Новосибирского государственного педагогического университета, e-mail: Klirickv@yandex.ru.
ing in Additive and Subtractive Technologies", Bryansk State Technical University, e-mail: ni-otiostu@gmail.com.
Bereshchagin Vladislav Yurievich, Assistant Prof. of the dep. "Information Systems and Digital Education", Novosibirsk State Pedagogical University, e-mail: Klir-ickv@yandex.ru.
