CC BY
97
Схемы резания процессов лезвийной обработки
1 2
Ходжибергенов Д. Т. , Есиркепов А.
Ходжибергенов Даулетбек Турганбекович /Khodzhibergenov Dauletbek Turganbekovich - доктор технических наук,
директор департамента науки и производства;
Есиркепов Азимбек / Yessirkepov Azimbek - магистрант, кафедра машиностроения,
Южно-Казахстанский государственный университет имени М. Ауэзова, г. Шымкент,
Республика Казахстан
Аннотация: произведен полный анализ существующих схем лезвийной обработки. На основе анализа предлагается устройство, которое относится к механической обработке резанием и может быть использовано при точении ротационным режущим инструментом деталей повышенной точности, особенно при обработке заготовок из труднообрабатываемых и вязких материалов.
Ключевые слова: режущий инструмент, износостойкость, ротационный режущий инструмент.
Чтобы срезать с заготовки некоторый слой, необходимо режущий инструмент внедрить в металл, что можно осуществить приложением соответствующей силы и при условии, если твердость инструмента при достаточной его прочности будет больше твердости обрабатываемого металла. При дальнейшем относительном перемещении инструмента при достаточной его прочности будет больше твердости обрабатываемого металла. При дальнейшем относительном перемещении инструмента и заготовки, т. е. в процессе резания, инструмент, особенно его режущая часть (непосредственно соприкасающаяся с обрабатываемым металлом), подвергается большим давлениям, трению и нагреву, что приводит к износу режущего инструмента, а иногда и к полному его разрушению. Поэтому основными требованиями, предъявляемыми к материалам, применяемым для изготовления режущего инструмента, являются:
1) достаточная твердость и прочность;
2) износостойкость при высокой температуре нагрева и в течение продолжительного времени [1].
Известные методы повышения стойкости режущих инструментов, основанные на новых инструментальных
материалах, упрочнении рабочих поверхностей инструментов и оптимизации геометрии режущей части в настоящее время практически исчерпаны. Они не исключают основную причину износа инструментов — наличие трения скольжения в контакте инструмента и заготовки в зоне резания, а лишь противодействуют последствиям этого трения, т. е. уменьшают влияние на стойкость тепловыделения, механического и адгезионного изнашивания рабочих поверхностей инструментов [6, 7, 8, 9].
Если рассмотреть традиционные схемы процесса резание (Рис. 1), режущий инструмент, внедряясь в обрабатываемую заготовку на определенную глубину, выполняет очень большую работу деформации, так как направление скоростей резания и стружки имеют большое расхождение.
Передняя поверхность режущего инструмента в процессе отделение припуска от обрабатываемой поверхности, останавливая его, направляет в обратную сторону. Таким образом, отделяемая стружка подвергается большой деформации, что приводит к увеличению температуры резания, износу инструмента и т. д. Сохраняя прочность инструмента, мы не имеем возможности увеличить передний угол у, для того чтобы улучшить процесс резания. Во всех схемах традиционной лезвийной обработки можно выделить режущий клин, характеризующийся углами резания и углом самого клина в. При выборе знаний этих углов необходимо учитывать двойное требование к конструкции режущей части. Так, обеспечение максимальной прочности режущего клина требует увеличения угла клина fi и выбора минимально необходимого значения угла а [7, 8,
9].
Схемы резания, нашедшие наибольшее применение в практике традиционной лезвийной обработки материалов [1, 5, 10], можно условно разделить на две группы (Рис.1).
Первая из них (Рис. 1а, б) предусматривает процесс резания с неразрывным контактом между режущей кромкой и обрабатываемым материалом за один проход. Такая схема имеет место, например, при точении, строгании, протягивании. При этом режущий инструмент закреплен статически или перемещается со скоростью движения подачи. Относительная стабильность, обеспечиваемая непрерывностью процесса резания, и более жесткая система СПИД при работе этой схемы являются основными ее достоинствами. Следует также отметить еще одно немаловажное преимущество этой схемы, которая заключается в том, что непрерывность контакта при правильно выбранных режимах резания способствует разупрочнению слоев обрабатываемого материала в зоне предварительной пластической деформации. В тот же момент режущая кромка и контактные поверхности инструмента подвержены термодинамическим напряжениям большой величины на протяжении всего времени, затрачиваемого на проход, что является недостатком, присущим этой схеме резания.
Вторая группа (Рис. 1в) схем резания характеризуется наличием вращения режущего инструмента, имеющего несколько режущих зубьев. Каждый зуб периодически кратковременно участвует в процессе резания и за время холостого пробега успевает восстановить свои прочностные свойства. Снимаемый припуск за один проход распределяется на каждый зуб. Эти преимущества позволяют значительно увеличить производительность процесса резания. Однако прерывистость процесса резания каждым зубом вносит дополнительные возмущения сил резания, а также зачастую приводит к упрочнению обрабатываемого
материала в зоне резания. Эти обстоятельства отрицательно влияют на качество обрабатываемой поверхности и стойкость режущего инструмента.
Кроме отмеченного, есть еще два фактора, которые присущи обеим группам.
Первый заключается в том, что срезаемая в процессе стружка контактной стороной трется по передней поверхности, а обработанная поверхность - по задней поверхности инструмента. Причем оба фрикционных контакта работают в особо тяжелых условиях.
Второй фактор, также отрицательно влияющий на стойкость инструмента - это необходимость больших энергетических затрат на работу деформации срезаемого припуска в стружку, ввиду того, что направление схода стружки Vcmp оказывается противоположным относительно главной скорости резания V.
Исходя из вышеизложенного анализа схем механической обработки традиционного резания, можно сформулировать следующее:
Недостатки:
1) одно режущее лезвие;
2) работа деформации Адеф - max, при VФ Vcmp = max;
3) воздействие а и T°C постоянно;
4) коэффициенты трения р ^ Ртр.пер. и Ртрзад. > 0,7 [1, 5, 6, 7, 9];
5) угол резание 8 ^ в < 8 < 900
6) интенсивный износ;
7) проблемы стружки.
Преимущества:
1) стабильность Ррез, Т0;
2) жесткая система СПИД;
3) обрабатываемый материал разупрочняется в зоне предварительной деформации и сдвига. Протягивание, то же самое кроме 1 пункта.
Недостатки:
Пункты 2,4,5,6,7 сохраняется, дополнительно
8) нестабильность а и T°C.
Преимущества:
1) воздействие а и T°C кратковременно;
2) режущих кромок несколько (прогрессивность).
Сохраняя преимущества с одновременным исключением (или уменьшением влияния) недостатков, присущим им, составляем требования к наиболее рациональной схеме резания, которая должна позволить:
1. Работа деформации Адеф - min.
2. Коэффициенты трения р - min.
3. Температура резание & - min.
4. а - min.
5. у - max.
6. в! ~ 450.
7. Прогрессивность.
Кроме этого, схема резания должна обеспечить возможность в широком диапазоне варьировать значениями углов при сохранении угла (максимально прочный клин) по возможности максимально по величине; обеспечить непрерывность контакта режущей кромки с обрабатываемым материалом; обновлять режущую кромку со скоростью равной скорости схода стружки; обеспечить совпадения направлений скорости схода стружки и главного движения; распределить снимаемый припуск на отдельные режущие кромки или элементы.
Точение, строгание
Фрезерная обработка
а) протягивание
б) точение
в) фрезерование
г) ротационная обработка чашечным резцом
д) ротационная обработка режущим элементом в виде кольца
Совершенствование существующих и создание новых методов и практических приемов обработки металлов резанием невозможно без использования других подходов о резании металлов, которое все больше применяется и вытесняет традиционные методы механической обработки.
В данное время в ведущих машиностроительных производствах широко применяются нетрадиционные методы механической обработки, в число которых входят ротационные методы обработки [2, 3, 4]. Схема резания ротационной обработки [5], приведенная на рис. 1г, имеет все перечисленные преимущества. Но в этой схеме одним из главных недостатков является угол установки режущего инструмента ву, где скорости резания V стружки V^p, инструмента V и подача S имеют большие расхождение. Следующим недостатком служит применение чашечного режущего инструмента, которое проскальзывает во время резание. Чтобы исключить эти недостатки, предлагаем схему ротационной обработки на рис. 1д.
Предлагаемое устройство относится к механической обработке резанием и может быть использовано при точении ротационным режущим инструментом деталей повышенной точности, особенно при обработке заготовок из труднообрабатываемых и вязких материалов.
Для повышения стойкости инструмента, производительности и качества обработанной поверхности, предлагается ротационный режущий инструмент, который имеет углы режущего клина 98,5^99°, задней поверхности - не более 1М,5°, передней поверхности равными нулю, с углом установки режущих элементов относительно оси центров станка в пределах 15^25°.
Режущие элементы вращаются силами трения качения, возникающими между контактными задними поверхностями режущих элементов ротационного режущего инструмента и деталью. Замена трения скольжения на обкатывание по задней поверхности приводит к повышению стойкости инструмента, производительности и качеству обработки, точности геометрической формы за счет геометрии режущих элементов.
Литература
1. Аршинов В. А., Алексеев Г. А. Резание металлов и режущий инструмент. - М., «Машиностроение», 1967. 500 с.
2. Бобров В. Ф. Основы теории резания металлов. - М., «Машиностроение», 1975. - С. 340: ил.
3. Бобров В. Ф., Иерусалимский Д. Е. Особенности механического процесса резания чашечными резцами с принудительным вращением. / Известие ВУЗов. - «Машиностроение». 1970. - С. 130-134.
4. Бобров В. Ф., Иерусалимский Д. Е. Резание металлов самовращающимися резцами. - М.,
«Машиностроение», 1972. - С. 110.
5. Бобров В. Ф., Иерусалимский Д. Е. Резание металлов самовращающимися резцами. - М.,
«Машиностроение», 1972. - С. 110.
6. Вильнер Г. С. Токарная обработка деталей. / ВИНИТИ, № 5. Москва, 2001 // Технология
машиностроения. - С. 4.
7. Вильнер Г. С. К вопросу определения угла сдвига при резании металлов. / Известие ВУЗов. -«Машиностроение», 2000, № 5-6. - С. 95-100.
8. Вильнер Г. С. Механизм образование упрочненного поверхностного слоя при обработке металла резанием. / Технология машиностроения. ВИНИТИ № 6. - М.: 2001. - С. 6.
9. Вильнер Г. С. Описание процесса резания на основе различных реологических моделей. / Сборник научных трудов. - СПб.: Институт Машиностроения. - 1999. № 1. - С. 75-85.
10. Годунов С. К., Рябенький В. С. Разностные схемы. - М.: «Наука», 1977.
11. Грановский Г. И. Резание металлов. - М.: «Высшая школа», 1985.
