CC BY
24
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
УДК 621.9
Разработка новых конструкций токарных пластин для обработки пластичных материалов на основе моделирования пространственного формирования стружки
С. В. Михайлов, А. П. Олейник
Ключевые слова: режущие пластины, сложная передняя поверхность, токарная обработка, управление отводом стружки.
Введение
В последние годы российские производители твердосплавного инструмента сдали свои позиции на отечественном рынке. Снижение спроса на твердосплавный инструмент отечественного производства связано с его низкой конкурентоспособностью. Даже в тяжелых экономических условиях металлообрабатывающие предприятия часто отдают предпочтение продукции зарубежных инструментальных фирм. Причинами низкой конкурентоспособности являются малая научная составляющая в выпускаемой продукции, слабые теоретическая и экспериментальная базы на предприятиях. Отставание в инструментальной отрасли наиболее отчетливо проявляется при сравнении каталогов продукции заводов-изготовителей, в частности широко применяемых в настоящее время многогранных сменных режущих пластин (СРП). Конструкции и номенклатура отечественных СРП устарели.
Твердосплавный режущий инструмент относится к наукоемкой продукции, которая требует постоянного совершенствования. Уровень развития металлорежущего инструмента во многом определяет прогресс всего механообрабаты-вающего производства. Поэтому очевидна актуальность вопросов создания прогрессивных технологий проектирования и изготовления высокопроизводительного инструмента.
Прорыв в развитии отечественного производства может быть осуществлен благодаря реализации собственных инновационных разработок. К числу важнейших направлений исследований следует отнести создание новых конструкций и расширение номенклатуры СРП с криволинейными рабочими поверхностями.
Концепция проектирования сменных многогранных режущих пластин
Современные токарные пластины проектируются с учетом завивания стружки в одной или двух взаимно перпендикулярных плоскостях — передней поверхности и нормальной к режущей кромке секущей плоскости [1—4]. Как правило, завивание стружки обеспечивается с помощью стружкозавивающих уступов, порожков, канавок или лунок, расположенных вдоль главной режущей кромки инструмента. Общими недостатками режущих пластин со стружкозавивающими поверхностями являются их ограниченные технологические возможности. Функциональность пластин ограничена узким диапазоном значений подач, при которых дробление сливной стружки не приводит к ухудшению механики резания.
Кинематический анализ схода стружки показывает, что при резании инструментом со сложной криволинейной передней поверхностью, с изменяющимся вдоль режущей кромки передним углом и профилем стружкозавивающей канавки дополнительное влияние на форму стружки оказывает вращение стружки в плоскости ее поперечного сечения юс (рис. 1).
За счет интенсификации вращательного движения юс создаются дополнительные возможности управления отводом стружки из зоны резания. В отличие от традиционных способов управления боковым и вертикальным завиванием, вращение стружки в плоскости ее поперечного сечения позволяет активно влиять на угол поворота оси спирали стружки относительно плоскости резания, диаметр и шаг спирали стружки.
Важно отметить, что приоритет в развитии этого нового направления принадлежит отечественной школе резания металлов [5, 6].
Рис. 1. Схема формирования стружки при резании инструментом с криволинейной передней поверхностью: 1 — срезаемый слой; 2 — стружка; 3 — инструмент; юп — вращение стружки
ние стружки в нормальной ности секущей плоскости
к передней поверх-
В зарубежной литературе упоминания о поперечном завивании стружки на уровне кинематического анализа содержатся в работе [7]. Более поздние исследования и многочисленные ссылки на работы в этой области свидетельствуют об усилении интереса зарубежных компаний к новому направлению управления формой стружки. Эти и другие труды убедительно показывают, что в ближайшее время дальнейшее совершенствование методов проектирования и эксплуатации инструментов будет осуществляться на основе моделирования пространственного завивания стружки с учетом трех вращательных движений стружки, являющихся характерными для резания инструментом со сложной, криволинейной передней поверхностью.
Модель пространственного завивания стружки
Для решения практических задач форму стружки можно представить в виде поверхности, образованной винтовым движением конечной линии контакта ОС стружки с передней поверхностью инструмента вокруг трех непараллельных и непересекающихся осей. В этом случае основные параметры, характеризующие форму и направление движения спирали стружки, определяются по формулам [6]
Яг
I 2 . 2 .
= д/ еу + ;
1
= — 2п(сов 5С вт 01 вт 5С сов 0 сов 01);
К
/2 2 гс = V(е^ - Ь вт 0) + (еу - Ь сов 0 вт 01) ;
к
0 = агс1§( ^ "" о ); 01 = агсвт^ 5с—);
Я_^ • 0 =
Я сов 5с
К,'
еу = — вт 5с вт 0;
К
1
е2 = — (сов 5с сов 01 - вт 5с сов 0 вт 01);
К
К = >/(сов 5с / Я)2 + рскв )2 + (1 / Я)2;
к„ =
(Я - &й).
ЬЯ '
Ь = Я сов 5с - ^(Я - Ь2)2 - Я вт2 5с,
где Яс — внешний радиус витка стружки; еу, ег — проекции расстояния между вершиной инструмента и осью стружки; рл — шаг спирали стружки; 5с — угол отклонения стружки; 9, 01 — углы наклона оси спирали стружки; гс — внутренний радиус кривизны спирали стружки; Яп, Ян — радиусы завивания в плоскости передней поверхности инструмента и нормальной к ней плоскости схода стружки; рс — изменение переднего угла схода стружки на активном участке длины режущей кромки; ь2 — ширина стружки; Ь — длина линии отделения стружки от передней поверхности резца (Ь = ОС) (см. рис. 1).
Исследования влияния технологических условий резания на завивание и дробление стружки показывают, что к числу наиболее значимых геометрических параметров инструмента относятся следующие:
• форма и расположение стружкозавиваю-щих элементов относительно режущей кромки инструмента;
• изменение формы и расположения струж-козавивающих элементов вдоль режущей кромки инструмента;
• передний угол и градиент его изменения вдоль режущей кромки инструмента;
• угол наклона главной режущей кромки;
• главный угол в плане и радиус при вершине инструмента.
Влияние каждого из этих факторов на траекторию движения стружки приводит к изменению направления схода стружки и интенсивности ее завивания в трех взаимно перпенди-
1
в плоскости передней поверхности; юн — враще
кулярных плоскостях. На базе разработанной модели схода стружки появляется возможность выполнить системный анализ влияния геометрических параметров режущих поверхностей инструмента на формообразование стружки, учитывающий тесную взаимосвязь характеристик зоны стружкообразования. Сложный механизм воздействия геометрических параметров инструмента на форму стружки проявляется в том, что изменение одного из параметров инструмента одновременно влияет сразу на несколько характеристик зоны резания, ответственных за процесс стружкооб-разования. Совместное влияние различных параметров СРП на форму стружки, условия ее взаимодействия с инструментом и вероятность дробления в процессе резания материалов показано в работе [8].
Конструкции режущих пластин с расширенными технологическими возможностями
На основе моделирования и динамического анализа пространственного завивания стружки разработана гамма новых конструкций режущих пластин. В качестве примера на рис. 2 показана конструкция квадратной сменной пластины с выпукло-вогнутой передней поверхностью.
Режущая пластина имеет боковые грани 1, упрочняющую фаску 2, стружкозавива-ющие поверхности 3, криволинейные режущие кромки 4, стружкозавивающие выступы 5, стружкодеформирующие элементы 6. Стружкозавивающая поверхность выполнена таким образом, что ее поперечные сечения при удалении от вершины пластины 7 изменяются от выпуклой формы до вогнутой с центрами кривизны, расположенными, соответственно, ниже и выше передней поверхности инструмента. Поверхности располагаются вдоль режущих кромок и примыкают к фаске. По мере удаления от вершин пластины кривизна стружкозавивающей поверхности 1/Кк на ее выпуклом участке уменьшается, а на вогнутом увеличивается, величина переднего угла у снижается, а значения высоты к и угла наклона у стружкозавива-ющих уступов растут (рис. 2):
Ко < .1 < .2' .3 > .4 > .5' ко < к1 < к2' Уо > 71 > 72' Уо < У1 < У2.
Кроме того, при удалении от вершины к середине режущей кромки высота Н боковой поверхности пластины уменьшается:
Н0> Н1> Н2.
От степени изменения кривизны стружко-завивающей поверхности вдоль главной режущей кромки инструмента, переднего угла, формы и положения стружкозавивающих уступов на пластине зависит интенсивность завивания стружки в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Значение радиуса кривизны выпуклой части стружкозавивающей поверхности в вершине резца . о обусловлено значением толщины а.1 срезаемого слоя материала: Ко - (5...10)а1. Для черновых операций величина . о больше, чем для чистовых.
В зависимости от условий резания фаска 2 может быть выполнена плоской или двухгранной, с постоянным или переменным вдоль режущей кромки передним углом. Для повышения прочности пластины ее режущая кромка округляется (см. сечение О-О на рис. 2). Повышение эффективности обработки пластиной происходит за счет изменения формы, образующейся при резании стружки, направления ее движения и схемы взаимодействия с обрабатываемой заготовкой. Создание переменного переднего угла, синхронно изменяющегося совместно с радиусом кривизны стружкозавивающей поверхности, высотой и углом наклона стружкозавивающих уступов, интенсифицирует дополнительное завивание стружки в плоскости ее поперечного сечения. В результате этого изменяются условия взаимодействия стружки с заготовкой, вызывающие увеличение ее деформации и, как следствие, надежности стружкодробле-ния. Увеличение жесткости стружки и надежности ее дробления происходит при создании на пластине криволинейной режущей кромки с переменным углом X. Последний улучшает условия врезания инструмента в заготовку, что благоприятно сказывается на его работоспособности.
За счет поперечного завивания стружки радиус ее кривизны уменьшается, что позволяет удалить задние стенки стружкозавивающей поверхности от вершины пластины. Тем самым пластина может быть использована в расширенном диапазоне значений подач.
Экспериментальная проверка теоретических положений
Для экспериментальной проверки теоретических положений были изготовлены опытные партии твердосплавных пластин двух типоразмеров: ЯКММ 25о724-59 и ЯКММ 19об2о-59. Внешний вид пластин показан на рис. 3.
в-в
)-Б
Яз
/~Уз / \ / го -е
-РТ/ / /
А
Рис. 2. Квадратная сменная режущая пластина со стружкозавивающими поверхностями переменного профиля: а — вид сбоку; б — вид в плане; в — аксонометрия:
И(ГИ2 — переменная высота боковой поверхности пластины; 70-5 — передние углы пластины, уменьшающиеся при удалении от ее вершины; ^3-^5 — углы наклона задней стенки стружкозавивающего уступа; Н0-Н5 — переменная высота стружкозавивающего уступа; Я0-Я5 — радиусы кривизны выпукло-вогнутой передней поверхности пластины; г — радиус при вершине; / — нулевая упрочняющая фаска; / — отрицательная упрочняющая фаска; р — радиус округления режущей кромки
ME
[АПШ
Рис. 3. Внешний вид режущих пластин 8МММ 250724-59 (а) и 8МММ 190620-59 (б) с переменным вдоль режущей кромки профилем передней поверхности
Лабораторные и производственные испытания показали, что по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами предложенные конструкции пластин обладают большими технологическими возможностями. С помощью геометрии пластины создаются благоприятные условия для дополнительного поворота поперечного сечения стружки и изменения траектории ее начального движения. За счет закручивания стружки в сторону обрабатываемой заготовки уменьшаются шаг спирали и диаметр завитка. В отличие от известных конструкций стружка начинает перемещаться не вниз под резец, а вверх, упираясь в поверхность заготовки. Под воздействием сил трения о вращающуюся заготовку стружка дополнительно деформируется и ломается. Диапазон дробления стружки увеличивается в сторону как малых, так и больших значений глубин и подач. Эффективность стружкодроб-ления повышается за счет создания на передней поверхности сферических выступов, дополнительно деформирующих контактные слои стружки. Наличие выпуклой части на стружко-завивающей поверхности пластины и увеличение переднего угла в направлении ее вершины
способствуют более благоприятному распределению термомеханических нагрузок вдоль режущей кромки резца, следствием чего является более равномерное распределение износа и увеличение стойкости СРП [9].
Оценка влияния геометрии пластины на силовые характеристики резания проводилась с использованием измерительно-вычислительного комплекса на базе станка 16К20, в состав которого входили:
• динамометр УДМ 600;
• система усиления и согласования сигналов SCXI-1000;
• аналого-цифровой преобразователь PCI-6221 для оцифровки и ввода данных в компьютер;
• персональный компьютер с программным обеспечением LabVIEW 8.0.
Определение составляющих сил резания производилось при продольном точении сплава ВТ6 режущими пластинами SNMM 190620 различных зарубежных фирм: Pramet Tools, Seco Tools, Walter, Cera Tizit, Widia. Пластины соответствовали одной функциональной группе. Эксперименты проводились в следующих режимах: скорость резания v = 70,5 м/мин, глубина обработки t = 2,5 мм, подачи — s = 0,3 и 0,52 мм/об. Результаты сравнительных испытаний представлены в таблице.
Исследования показывают, что по своим силовым характеристикам режущая пластина новой конструкции не уступает СРП зарубежного производства. Уменьшение сил и мощности резания достигается за счет изменения профиля лезвия инструмента. Оптимальная кривизна выпуклых и вогнутых передних поверхностей при наличии одних и тех же передних углов снижает силы резания до 15 %.
Производственные испытания новых конструкций СРП проведены на операции расточки муфт под коническую резьбу. Обработка осуществлялась на станках с ЧПУ Danobat TCN 14-2С-2Т
Влияние геометрии пластин на силы резания
Вид сменной режущей пластины ф #
Подача Э, мм/об 0,30 0,52 0,30 0,52 0,30 0,52 0,30 0,52 0,30 0,52
Составляющая
силы резания, Н
тангенциальная Рг 1724 2444 1649 2417 1647 2195 1553 2189 1544 2163
радиальная Ру 1260 1571 1101 1278 984 1116 997 1294 1160 1397
осевая Рх 1168 1365 944 1031 895 646 754 957 964 1349
Результирующая
сила резания Р, Н 2434 3210 2196 2923 2117 2546 1994 2717 2158 2907
с подачей смазочно-охлаждающих технологических средств в зону резания. Материал муфт — сталь 22. Режимы резания: скорость резания V = 220 м/мин, подача я = 0,30 -г- 0,55 мм/об, £ = 3 -г-10 мм. В результате испытаний установлено, что во всем диапазоне переменных условий резания образуется благоприятная форма стружки. По мере уменьшения глубины и подачи резания вид стружки изменялся от полуколец до коротких винтовых спиралей [9].
Выводы
1. Предложена новая концепция проектирования сменных многогранных режущих пластин с учетом пространственного завивания стружки, расширяющая функциональные возможности пластин.
2. Разработаны конструкции режущих пластин, применение которых позволяет повысить эффективность механической обработки пластичных металлов за счет уменьшения простоев автоматизированного оборудования, связанных с образованием неблагоприятной для нормального течения технологического процесса формы стружки.
Литература
1. Способы завивания и дробления сливной стружки и области их применения [Текст]: Руководящие материалы ВНИИ Минстанкопрома. М., 1970. 35 с.
2. Шарин Ю. С., Садовников Н. В. Сменные многогранные пластины с радиусными стружколо-мающими канавками // Машиностроитель. 1986. № 10. С. 24-25.
3. А. с. 1124502 СССР. МКИ В 23 В 27/00. Резец [Текст] / Г. Л. Куфарев, И. Г. Куфарев. № 3424868/25-08; заявитель и правообладатель Томск, политехи, ин-т; заявл. 19.04.82; опубл. 23.03.86. Бюл. № 11.
4. Федоров В. JL, Дымова Э. Н. Инструментальные материалы и вопросы стружкодробления в гибких производственных системах // Итоги науки и техники / ВИНИТИ. Сер. Резание металлов. Станки и инструменты. 1991. № 10. 136 с.
5. Михайлов С. В. Формирование представлений о физической природе образования различных форм и типов стружек при резании металлов // Системный анализ. Теория и практика: Сб. науч. тр. Кострома: КГТУ, 2001. С. 155-161.
6. Безъязычный В. Ф., Михайлов С. В. Кинематический анализ формирования сливной стружки // Вестник машиностроения. 2003. № 11. С. 48—50.
7. Fang N. Kinematic characterization of chip late-ral-curl. The third pattern of chip curl in machining // Journal of Manufacturing Science and Technology. 2002. Vol. 124. P. 667-675.
8. Михайлов С. В. Компьютерное прогнозирование и системный анализ причинно-следственных связей процессов образования, завивания и дробления сливной стружки. Кострома: Изд-во Костром, гос. технол. ун-та, 2009. 159 с.
9. Михайлов С. В., Олейник А. П., Шавитов А. П. Разработка и внедрение новых конструкций токарных пластин с расширенными технологическими возможностями // Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений: Мат-лы Всерос. науч.-техн. конф.: В 2 ч. Рыбинск: РГАТА, 2009. Ч. 1. С. 118-123.
