CC BY
80
УДК 621.922.3
В.А. Коротков, А.А. Дурсенев, К.Л. Квасов
РЕАЛИЗАЦИЯ СПОСОБА РОТАЦИОННО-АБРАЗИВНОЙ ОТРЕЗКИ ЗАГОТОВОК НА ТОКАРНЫХ СТАНКАХ В УСЛОВИЯХ МЕЛКОСЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
В заготовительных цехах и участках машиностроительных предприятий для раскроя металла на мерные заготовки применяются различные способы: кислородная резка, плазменно-дуговая резка, пресс-ножницы, хладноломы, резка ножовочными, дисковыми и ленточными пилами, а также абразивными кругами и др. [1]. Указанные способы требуют приобретения специального оборудования. В данной работе предложен и опробован на практике способ ротационно-абразивной отрезки крупногабаритных заготовок на токарных станках с применение угловых шлифовальных машинок и быстросъемных станочных модулей. Применение способа ротационно-абразивной отрезки в условии мелкосерийного производства и небольших цехов с минимальным набором универсального оборудования позволяет быстро и экономически эффективно решать задачи по раскрою крупногабаритных заготовок - тел вращения.
Принцип предлагаемого вида обработки заключается в одновременном встречном вращении шлифовального отрезного круга и заготовки, а также в обеспечении подачи отрезного круга. Преимуществом данного способа является простота конструктивной схемы и возможность её реализации на различных универсальных станках, малая толщина пропила и возможность разрезки заготовок большого диаметра, изготовленных из любых, в том числе и труднообрабатываемых материалов.
На рис. 1 представлена принципиальная схема ротационно-абразивной отрезки, реализованная на токарновинторезном станке модели 1К62, с установленной угловой шлифовальной машинкой (УШМ).
В шпинделе 2 токарного станка 1 закрепляется заготовка 3. Угловая
вальная машинка 8 крепится в резцедержателе 6 при мощи шестигранной
ки 5 и металлического жимного хомута 7. В вую шлифовальную машину установлен отрезной
вальный круг 4, за-ный кожухом 9. Элементы крепления УШМ в
держателе на суппорте станка показаны на рис. 2.
Здесь штатная рукоятка УШМ заменена аналогичной по габаритам, но выполненной из шестигранного проката, что позволяет надёжно фиксировать её в резцедержателе токарного станка, подобно державкам резцов. Задняя часть УШМ фиксируется с помощью специального хомута, также закрепляемого в резцедержателе.
Первичная апробация предлагаемого способа была проведена путём разрезки заготовок с наружным диаметром 125 мм из чугуна марки СЧ20 отрезным кругом с наружным диаметром 230 мм и высотой 2,8 мм. Режимы обработки при проведении испытаний: частота вращения шпинделя с заготовкой 31 об/мин; частота вращения отрезного шлифовального круга 6640 об/мин (К=80 м/с); поперечная подача суппорта с УШМ и отрезным кругом 0,17 мм/об. Защита направляющих станины от налипания продуктов шлифования обеспечивалась их интенсивным смазыванием и смачиванием СОЖ перед началом отрезки. В результате проведения эксперимента подтверждена эффективность способа ротационно-абразивной отрезки и возможность его реализации на токарновинторезных станках. На обработанной поверхности заготовок отсутствуют прижоги и деформации. Достигнута глубина отрезки, существенно превышающая возможности обычных отрезных токарных резцов.
Рис. 1. Принципиальная схема ротационно-абразивной от-
резки
В дальнейшем, для увеличения максимального диаметра разрезаемых заготовок штатный защитный кожух угловой шлифовальной машинки для отрезных кругов с наружным диаметром 230 мм был заменён специально изготовленным кожухом увеличенного размера, обеспечивающий установку отрезных кругов с максимальным диаметром 300 мм. При данном диаметре кругов и частоте вращения шпинделя УШМ (6640 об/мин) их рабочая скорость составляет порядка 100 м/с. Поэтому для проведения дальнейших испытаний были использованы отрезные круги повышенной прочности Kronenflex 300х4х25,4 A 24 R Supra BF 100 m/s. (14A 80H T1 БУ 100 м/с).
При проведении испытаний основными исследуемыми показателями являлись потребляемая и эффективная мощность резания, режущая способность кругов, коэффициент шлифования и шероховатость обработанных поверхностей. Для контроля указанных параметров использовались лабораторные весы ВЛКТ-500г-М с ценой деления
0,01 г, мультиметр цифровой MY 68, механический секундомер и профилограф-профилометр Tolisurf.
Эффективная мощность резания (W^), характеризует уровень энергозатрат при работе шлифовального круга и определялась через разницу мощностей рабочего (W) и холостого ходов (W^): ^ф = W - Wхх (1)
Коэффициент шлифования (Кш), является относительным показателем износа шлифовального инструмента и вычислялся как отношение массы снятого материала заготовки (дМз) к израсходованной массе круга (дМк):
Кш = &Мз /ДМк (2)
Режущая способность (Qm), называемая также производительностью шлифования, определялась как отношение массы снятого материала заготовки (дМ) ко времени обработки (t):
Qm = дМз / t (3)
Процесс разрезки заготовок (0125 мм СЧ20) осуществлялся на протяжении нескольких минут, в течение которых потребляемая мощность резания УШМ колебалась в широких пределах в связи с периодическим переходом отрезного шлифовального круга от режима самозатачивания к режиму затупления, а также в связи с постепенным уменьшением диаметра разрезаемой заготовки. Поэтому параметр потребляемой мощности резания контролировался и записывался через каждые 60 с, что позволяло оценить данный параметр и эффективную мощность резания в динамике, а также рассчитать средние величины потребляемой и эффективной мощностей резания при осуществлении каждого реза. Для оценки коэффициента шлифования отрезных кругов перед началом испытаний и после каждого реза измерялись массы круга, заготовки и отрезаемых от неё частей.
В ходе испытаний определялись рациональные режимы резания ротационно-абразивной отрезки для разрезаемой заготовки и используемого круга по комплексу эксплуатационных показателей. Для их определения были проведены эксперименты при частотах вращения шпинделя токарно-винторезного станка с закреплённой заготовкой: n=25 об/мин, n=31,5 об/мин и n=40 об/мин. Величины подач отрезного круга на каждой из указанных частот вращения шпинделя варьировались в диапазоне: 5=0,07 мм/об, 5=0,074 мм/об, 5=0,084 мм/об, 5=0,097 мм/об. Получаемые результаты заносились в таблицы формата Excel, на основе которых строились линейные, логарифмические, степенные и экспоненциальные зависимости и среди них выбирались наиболее достоверные по наибольшему коэффициенту корреляции.
Первым оцениваемым параметром являлась потребляемая мощность резания на шпинделе УШМ. Результаты оценки потребляемой мощно-
мм/об
♦ п=25 об/мин
▲ п=31,5 об/мин • п=40 об/мин
Рис. 3. Зависимости потребляемой мощности при резании (Ж) от величины поперечной подачи отрезного круга (Б) при различных частотах вращения шпинделя с заготовкой (п)
мм/об
♦ п=25 об/мин А п=31,5 об/мин • п=40 об/мин
Рис. 4. Зависимости эффективной мощности при резании (Жэф) от величины поперечной подачи отрезного круга (Б) при различных частотах вращения шпинделя с заготовкой (п)
сти резания УШМ при различных режимах резания представлены на рис. 3., а эффективной мощности резания - на рис. 4.
Установленные зависимости потребляемой мощности резания (рис. 3) от величины поперечной подачи отрезного круга при различных частотах вращения шпинделя с заготовкой наиболее достоверно выражаются экспоненциальными математическими моделями:
п=25 об/ мин: Ж=736,15^е5’0172Х Я2 = 0,95 (4)
п=31,5 об/мин: Ж=735,52^е7’9479Х Я2 = 0,97 (5)
п=40 об/мин: Ж=465,22е15’134Х Я2 = 0,98 (6)
Зависимости эффективной мощности резания от величины поперечной подачи отрезного круга при различных частотах вращения шпинделя с заготовкой (рис. 4) наиболее достоверно выражаются экспоненциальными математиче-скими моделями вида:
п=25 об/ мин: Жэф= 24,887е25,550'5 Я2 = 0,97 (7)
п=31,5 об/мин: Жэф= 85,948е21,493Х Я2 = 0,99 (8)
п=40 об/мин: Жэф= 41,Ше34,229Х Я2 = 0,99 (9)
—Б=0,07 мм/об S=0,074 мм/об
S=0,084 мм/об S=0,097 мм/об
Рис. 5. Изменение потребляемой мощности при резании (Ж) в процессе отрезки при частоте вращения шпинделя с заготовкой п=31,5 об/мин и различных подачах круга.
Полученные результаты наглядно показывают, что с увеличением частоты вращения шпинделя с заготовкой и подачи шлифовального круга происходит существенный рост потребляемой и эффективной мощностей резания. При этом установлено, что при п=40 об/мин потребляемая мощность резания близка к предельным возможностям двигателя УШМ (2,2 кВт), что вызывало его перегрев, а при пиковых колебаниях - срабатывание предохранителя. Также установлено, что при час-
тоте вращения шпинделя с заготовкой п=25 об/мин производительность отрезки чрезвычайно низка. Продолжительность одного реза здесь достигала нескольких десятков минут. Поэтому для дальнейших исследований была принята рациональная частота вращения шпинделя с заготовкой п=31,5 об/мин.
Изменение потребляемой мощности резания в динамике при данной частоте вращения шпинделя токарно-винторезного станка и различных пода-
мм/об
♦ п=31,5 об/мин
Рис. 6. Зависимость режущей способности отрезных кругов при частоте вращения шпинделя с заготовкой п=31,5 об/мин от величины поперечной подачи (Б).
чах круга можно видеть на графиках (рис. 5).
Полученные результаты (рис. 5), свидетельствуют о том, что потребляемая мощность резания на шпинделе УШМ резко возрастает в первые две минуты обработки, после чего в течение последующего периода времени держится примерно на одном уровне с некоторыми колебаниями, обусловленными переходами отрезного круга из режима самозатачивания в режим затупления и обратно. Незадолго до окончания обработки потребляемая мощность резко снижается в связи с уменьшением диаметра заготовки.
Взаимосвязь режущей способности отрезных
кругов при частоте вращения шпинделя с заготовкой п=31,5 об/мин с величиной подачи круга отражена в виде графика (рис. 6).
Полученные результаты по оценке режущей способности отрезных кругов при различных режимах резания (рис. 6) показывают, что при переходе от величины подачи круга 5=0,07 мм/об к 5=0,097 мм/об данный показатель возрастает с 0Ш=15,2 г/мин до Qm=21 г/мин, т.е. на 38% и отражается линейной математической зависимостью:
Qm= -3-10'13 + 216,64-5 Я2 = 0,99 (10)
При реализации способа ротационно-
——S=0,07 мм/об ——S=0,074 мм/об — S=0,084 мм/об —S=0,097 мм/об
мин
Рис. 7. Изменения режущей способности отрезных кругов в процессе ротационно-абразивной отрезки при частоте вращения шпинделя с заготовкой п=31,5 об/мин и различных величинах подач круга (5)
мм/об
♦ п=31,5 об/мин
Рис. 8. Зависимость коэффициента шлифования отрезных кругов (Кш) от величины подачи круга (5) при частоте вращения шпинделя с заготовкой п=31,5 об/мин
абразивной отрезки линейными зависимостями также отражается изменение режущей способности отрезных кругов в процессе резания. Происходит её снижение пропорционально уменьшению диаметра разрезаемой заготовки (рис. 7). Обусловлено это тем, что при данной схеме обработки обеспечивается постоянная величина подачи отрезного круга, в отличие от большинства других случаев отрезки шлифовальными кругами, когда обеспечивается постоянное усилие прижатия заготовки и инструмента. В связи с этим, максимальные значения режущей способности кругов здесь наблюдаются в процессе резания на наибольшем диаметре заготовки (рис. 7), вдвое превышающие величины режущей способности по результатам отрезки (рис. 6). По мере приближения отрезного круга к оси вращения его режущая способность стремится к нулю. Чем больше величина подачи кругов, тем интенсивнее снижается их режущая способность в процессе отрезки.
Зависимость коэффициента шлифования отрезных шлифовальных кругов при частоте вращения шпинделя с заготовкой п=31,5 об/мин от величины подачи круга 5 отражена в виде графика на рис. 8. Его зависимость от величины подачи круга при частоте вращения шпинделя с заготовкой п=31,5 об/мин (рис. 8) выражается степенной зависимостью вида:
Кш=24,54250,8181 Я2=0,98 (11)
Из графика (рис. 8) следует, что при ротационно-абразивной отрезке коэффициент шлифования отрезными кругами достигает весьма значительных величин. В рассматриваемом случае коэффициент шлифования находится в диапазоне Кш=167,5^220, в то время как при обычных видах абразивной отрезки он колеблется в пределах Кш=3^20, т.е. его величина на порядок ниже [2]. Объясняется это тем, что контакт отрезного круга и заготовки при ротационно-абразивной отрезке происходит на весьма небольшом участке, микрорезание зёрнами носит прерывистый и скоротечный характер. Нагрузка на единичные зёрна здесь существенно меньше, чем при обычной абразивной отрезке, когда заготовка неподвижна и контакт с отрезным кругом происходит по линии, близкой к размеру поперечного сечения заготовки. Помимо этого, теплонапряжённость процесса резания при ротационно-абразивной отрезке существенно ниже по сравнению с обычной.
Непрерывное вращение заготовки приводит к равномерному распределению теплового потока по всему периметру окружности прорезаемой канавки, а также к интенсивному отводу тепла от зоны резания. Выражается это в отсутствии цветов побежалости на обрабатываемых поверхностях заготовки.
Это служит подтверждением того, что средняя температура на поверхностях заготовки в процессе отрезки не превышает уровня 200^220 °С и, следовательно, не происходит изменений кри-
сталлической микроструктуры обрабатываемого материала и существенных деформаций разрезаемой заготовки. Так, отрезаемые от заготовки части (диски толщиной 3 мм) не имели изгиба по торцу, в отличие от дисков с близкими размерами, отрезанными токарными резцами.
Кроме того, установлено, что при ротационноабразивной отрезке с увеличением подачи отрезных кругов их коэффициент шлифования снижается, т.е. увеличивается износ кругов. Это обусловлено увеличением толщин срезаемых стружек и, соответственно, ростом нагрузок на единичные шлифовальные зерна. Так, при переходе от 5=0,07 об/мин к 5=0,097 об/мин коэффициент шлифования отрезных кругов снижается на 24%.
Исследования шероховатости поверхностей, получаемых при ротационно-абразивной отрезке, показали, что, как и ожидалось, с увеличением подачи отрезного круга происходит рост шероховатости (рис. 9).
Кроме того, установлено, что на различных поверхностях заготовки (торец заготовки в патроне и торец отрезаемой части) шероховатость отличается весьма существенно.
В связи с этим исследованы зависимости шероховатости поверхностей от величины подачи круга на обеих указанных поверхностях.
Зависимости шероховатости (Яа), полученные при ротационно-абразивной отрезке, от подачи отрезного круга наиболее достоверно можно отразить логарифмическими моделями:
Торец заготовки в патроне:
Яа=10,88 + 3,8062-£п(5) Я2=0,95 (12)
Торец отрезаемой части:
Яа=21,99 + 6,9898^п(5) Я2=0,91 (13)
Исследование шероховатости торцев разрезаемых заготовок показывает (рис. 7), что большей чистотой поверхности характеризуются части заготовок, остающиеся после отрезки в патроне.
Шероховатость на данных поверхностях при переходе от подачи 5=0,07 мм/об до 5=0,097 мм/об колеблется в пределах Яа=0,58^1,88 мкм, т. е. увеличивается более, чем в 3 раза. Шероховатость торцев отрезаемых частей заготовок растет с Яа=2,66 мкм до Яа=5,12 мкм при увеличении подачи от 5=0,07 мм/об до 5=0,097 мм/об, т.е. возрастает примерно в 2 раза. При этом, шероховатость отрезаемых частей в среднем в 3,5 раза выше шероховатости торцев, остающихся в патроне.
Объясняется это малой толщиной отрезаемых дисков (3 мм) и их вибрацией в процессе отрезки, передающейся от шлифовального круга. Вибрации, в свою очередь, вызываются торцевым биением кругов, что подтверждается тем, что толщина прорезаемых на заготовке канавок на 0,2^0,3 мм больше высоты отрезных кругов. Кроме того, вибрации шлифовальных кругов обусловлены недостаточной жесткостью крепления угловой шлифовальной машинки в резцедержателе станка. Снизить вибрации отрезных кругов можно
мм/об
♦ Торец заготовки в патроне
■ Торец отрезаемой части
Рис. 9. Зависимости шероховатости (Яа) на торце заготовки, остающейся в патроне и на торце отрезаемой части заготовки, от подачи круга (5) при п=31,5 об/мин
путём создания специального быстросъёмного станочного модуля с возможностью жёсткого закрепления на суппорте станка. Полученные результаты по шероховатости соответствуют чистовому точению, что более чем достаточно для операции отрезки, которая классифицируется как черновая. Среди недостатков ротационноабразивной отрезки - повышенная шумность при работе и появление запылённости при осуществлении нескольких резов, что обусловливает применения мощного вытяжного оборудования и гибких фартуков, прикрывающих рабочие части направляющих станины токарного станка.
Таким образом, результаты испытаний показывают, что предлагаемый способ ротации-онно-абразивной отрезки, реализуемый на универсальных токарных станках с установленной на суппорте угловой шлифовальной машинкой, позволяет высокопроизводительно, с коэффици-ентом шлифования в десятки раз большим, чем при обычной абразивной отрезке, а также с высокой точностью и качеством обработки осуществлять разрезку заготовок большого диаметра в условиях мелкосерийного и единичного производства без примене-
ния специализированного разрезного оборудования.
Данный способ отрезки позволяет раскраивать заготовки с максимальными диаметрами, вдвое большими, по сравнению с обычной схемой отрезки абразивными кругами. При этом износ отрезных кругов здесь во много раз меньше. На обрабатываемых поверхностях отсутствуют термические прижоги и деформации. Режимы резания при ротационно-абразивной отрезке по параметру частоты вращения заготовки и подаче отрезного круга ограничиваются максимальной мощностью электродвигателя привода отрезного круга. Рациональная частота вращения шпинделя с заготовкой в рассматриваемом случае составила п=31,5 об/мин, а величина подачи отрезного круга находилась в диапазоне 5=0,07^0,097 мм/об.
Для обеспечения максимальной производительности обработки целесообразно выбирать максимально возможную подачу круга (т.е. в данном случае 5=0,097 мм/об), а для достижения минимального износа инструмента и минималь-ной шероховатости обработанных поверхностей -принимать минимальную подачу (5=0,07 мм/об).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Железнов, Г.С. Процессы механической и физико-химической обработки материалов / Г. С. Же-лезнов, А. Г. Схиртладзе - Старый Оскол. : ТНТ, 2011. - 456 с.
2. Коротков, В.А. Повышение эксплуатационных возможностей отрезных шлифовальных кругов: монография. - Москва: Машиностроение, 2009. - 178 с.
Авторы статьи:
Коротков Виталий Александрович, канд. техн. наук, доцент каф. «Металлорежущие станки и инструменты» КузГТУ ,е-таД: korotkov-va@mail.ru
Дурсенев Александр Анатольевич, магистрант КузГТУ, группа МСм-121, тел. 8-3842-39-63-99
Квасов Кирилл Леонидович, магистрант КузГТУ, группа МСм-131, тел. 8-3842-39-63-99
