CC BY
10ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ УДК 621.9
ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ
СКОРОСТНОЕ ФРЕЗЕРОВАНИЕ РЕЗЬБЫ ВРАЩАЮЩИМИСЯ РЕЗЦАМИ
Е. А. КУДРЯШОВ, доктор тех. наук, профессор И. М. СМИРНОВ, канд. техн. наук, доцент (ЮЗГУ, г. Курск)
Статья получена 25 января 2013 года
Кудряшов Е. А. - 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94, Юго-Западный государственный университет, e-mail: Kea@swsu.ru
Приведены результаты аналитического исследования процесса скоростного фрезерования резьбы вращающимися резцами при внутреннем касании инструментальной головки с обрабатываемой поверхностью заготовки.
Ключевые слова: резьба, скоростное фрезерование, кинематика резания, параметры оборудования, метод работоспособности.
В отечественной технической литературе описание способа скоростного нарезания резьбы вращающимися резцами (вихревое нарезание резьбы) впервые дано С. С. Черниковым [1]. В монографии [2] есть ссылка на то, что этот способ образования резьбы был разработан в 1946 г. научно-исследовательским филиалом 8-го ГПИ и изучен на рубеже 1950-х гг. М.И. Басовым, Г. А. Глазовым, И.Г. Авксентьевым, М.Я. Левицким, Н.И. Резниковым, С. А. Розенбергом и др.
Значительный интерес ученых к проблеме скоростного нарезания резьбы был отражен в 50-х гг. прошлого столетия в диссертационных работах Н. П. Антонова, Е.С. Виксмана, Д.И. Кондрашо-ва, В.Н. Мериина, С.А. Хмелевского, А.Н. Хры-кина и других авторов при изучении основных вопросов теории и практики резания резьбы вращающимися резцами из твердых сплавов.
Несмотря на ряд достоинств этот один из самых производительных способов скоростного фрезерования резьбы в дальнейшем не получил широкого распространения. Основная причина - низкая работоспособность резцов из твердых сплавов, являющаяся следствием кинематических особенностей процесса прерывистого резания при скоростном фрезеровании резьбы.
Процесс скоростного фрезерования резьбы вращающимися резцами может осуществляться как при внешнем, так и при внутреннем касании инструмента с заготовкой. Благодаря тому что
при внутреннем касании процесс резания протекает более спокойно, в условиях меньших ударных нагрузок предпочтение должно отдаваться схеме внутреннего касания (рис. 1). На рис. 1 обозначено: пи(з) - вращательное движение инструментальной головки (заготовки); - настроечный размер инструментальной головки (заготовки).
В приспособлении на базе суппорта токарно-винторезного станка мод. 16К20 вращение инструментальной головки вокруг своей оси О осуществляется от электродвигателя через
Рис. 1. Схема скоростного фрезерования резьбы при внутреннем касании инструментальной головки 1 (четыре резца) с обрабатываемой поверхностью заготовки 2
Рис. 2. Схема приспособления для скоростного нарезания резьб
клиноременную передачу (рис. 2). На рис. 2 приняты следующие обозначения: 1 - основание приспособления; 2 - инструментальная головка; 3 - клиноременная передача; 4 - электродвигатель; 5 - резцы из композита 10.
Круговое движение подачи сообщается заготовке от шпинделя станка (вращение заготовки происходит вокруг оси О смещенной относительно оси инструмента Ои на величину эксцентриситета е). Осевая подача инструментальной головке сообщается ходовым винтом станка (рис. 3).
В точке А резец входит в контакт с обрабатываемой поверхностью заготовки и совершает рабочее движение - резание на участке дуги контакта АВ. За время одного оборота резца заготовка поворачивается на угол ф и круговая подача на резец соответствует участку окружности £ Пока резец совершает один оборот, кривая ВС займет положение В1С1, и при следующем заходе резец снимает очередную стружку на участке контакта АВ.
Процесс скоростного фрезерования резьбы имеет прерывистый характер. На рис. 4 в точке Б каждый резец инструментальной головки последовательно входит в контакт, врезаясь в заготовку, и на участке дуги контакта ВБ снимает стружку, причем толщина среза изменяется от нуля до максимума и снова до нуля. Многократно за период резания, попеременно врезаясь и выходя из контакта с заготовкой, каждый резец инструментальной головки испытывает на себе суммарное действие циклических, знакопеременных силовых и температурных нагрузок.
Учитывая эти обстоятельства, а также значительную хрупкость современных лезвийных инструментальных материалов, становится проблематичным не только достижение заданного качества и точности обработки, но и возмож-
Рис. 3. Схема движения при внутреннем касании инструментальной головки с обрабатываемой поверхностью заготовки
ность осуществления самого процесса из-за отказов инструментов.
Проблема достижения высокой работоспособности инструмента в условиях скоростного и прерывистого резания может быть решена путем применения более стойкого, чем твердые сплавы, инструментального материала, при обеспечении гарантируемого запаса прочности режущей части за счет создания оптимальных условий контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью заготовки. Таким инструментальным материалом является композит. Высокая работоспособность различных марок композитов исследована на примерах точения, растачивания и торцового фрезерования как гладких, так и прерывистых наплавленных поверхностей, в том числе и кон -структивно сложных поверхностей деталей [3].
Авторами разработан метод обеспечения высокой работоспособности лезвийного инструмента, позволяющий сочетанием геометрии
Рис. 4. Схема скоростного фрезерования резьбы при внутреннем касании инструментальной головки с обрабатываемой поверхностью заготовки
Рис. 5. Схема первоначального контакта вершины резца с обрабатываемой поверхностью заготовки
режущей части резца и регулируемым углом поворота инструментальной головки на требуемый угол встречи резца с обрабатываемой поверхностью заготовки создать оптимальные условия встречи (врезания) и последующего процесса обработки [3, 4].
Первоначальный контакт (врезание) может произойти в одном из девяти положений режущей части резца инструментальной головки относительно обрабатываемой поверхности заготовки, а именно: 1) точечный контакт: Б, Т, и, V; 2) линейный контакт: БТ, ТИ, ИУ, VS; 3) плоскостной контакт: STИV (рис. 5).
Задачей исследования является нахождение оптимального сочетания геометрии режущей части инструмента и угла поворота а инструментальной головки, при котором обеспечивается требуемое условие контакта передней поверхности резца с обрабатываемой поверхностью заготовки.
Как следует из рис. 6, резец вступает в контакт с поверхностью заготовки в точке С и выходит из контакта в точке А. Для определения условий оптимального контакта найдем значения углов, характеризующих это положение. Из рис. 5 следует предположение о том, что этим условиям отвечает положение резца И (БТИУ), когда нагрузка при врезании резца в
ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ
заготовку равномерно распределяется по всей передней поверхности инструмента.
Рассмотрим положение вершины инструмента относительно обрабатываемой поверхности на этапе врезания, установившегося резания и выхода резца из контакта с заготовкой при условии, что угол поворота инструментальной головки а > 0 (рис. 7).
На рис. 6 и 7: г = О А; й = О Р; АМ = В;
Г g и ' и ' '
ВЫ = В1; В и В1 - положение вершины резца относительно обтачиваемой поверхности заготовки в зависимости от изменения толщины стружки по нормам к оси симметрии заготовки; О В = г + с
' и g
стружки.
Из треугольника А ОиМ:
tgp = tgA0и м = , и 0им
и
где ОиМ = ^ 0и А2 - АМ2 =фД[-Ь2
Ь
О В
3
а - толщина
Ам
(1)
tgP =
7
^ -Ь2
Из треугольника ВОиЫ: tgp' = tgB0и N =
БЫ
(2)
(3)
Рис.
6. Схема определения угла поворота заготовки между двумя касаниями резца
Рис. 7. Расчетная схема
где OnN = VОиB2 - BN2 = J(гд + а)2 - Ь?
bi
tgp' =
- а)2 - Ь]2 '
Из треугольника О следует:
tg if-») = tg°» -=OP.
где AP = ^Ои A2 - ОиP2 ^гд2 - d2,
l2 J VTTd2
Из треугольника О РР следует:
tg ( Н = BP = ^
где BP = ^ОиB2 - ОиP2 (Гд + а)2 - d2,
d
п
tg 12-ô'J =
^ + а)2 - d2
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
С учетом зависимостей (1)-(8) по формуле тангенса разности углов угол контакта ш (угол первоначальной встречи режущей части инструмента с заготовкой) определяется следующим образом:
tgш = tg i ^Л-ô-p^) =
=„ fn _ô'-P'U fin-ôW
if
= tg
л
2-Ô'J-P'
tg if-ôl-tgp tg fn-ô'J-tgP'
i+tgin-ôltgp i+tgfn-ô'W
tgш =
d___Ь
i+
b
2
= d^2 - Ь2 - 4д2 - d2 = db W r2 - d У Гд2 - b2
dj(Гд - а)2 - b2 - Ь^(Гд - а)2 - d2 db] +yj(Гд + а)2 - d]2 ^(Гд + а)2 - Ь]2
(9)
Известно универсальное уравнение прямой на плоскости в координатных осях -позволяющее с помощью зависимостей (1)-(9) установить уравнения двух прямых на плоскости, выходящих из одной точки Оз (центр заготовки) и дающих характеристику условиям контакта на входе (врезании) и выходе резца из заготовки [3, 4]:
81п(ф + ф1)1яу + ео8(ф + ф1)1я^ = 1яР-8тф1, (10)
где
tgY =
tgb =
tgp[cos(ф + фl)] ; cos ф] + tgP- tgф1 • sinф'
tgp[sin(ф + фl)] cos ф] + tgP • tgф1 • cos ф
В зависимостях (1)—(10): у - передний угол резца; X - угол наклона главной режущей кромки резца; р - угол, образованный передней поверхностью резца с осью О У; 1§р = (агз)Л§а; фи ф1 - углы резца в плане; гз - наружный радиус резьбы; ги - радиус окружности вершин резцов инструментальной головки.
Уравнение двух прямых на плоскости, описывающее с помощью зависимостей (1)—(10) условия контакта передней поверхности резца с обрабатываемой поверхностью, имеет вид:
а) на входе и выходе инструмента с заготовкой
аГз
tga
[cos^ + ф1)^т(ф + ф1)
(
tgф1 sin ф
^Гд2 - Ь2 - ^ТГМ dЬ + J Гд2 - d :
Л
(11)
+ cos ф
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
б) при максимальной толщине стружки ar
[cosfa + ф! )]sin(9 + ф!)
tga
(
tgф1sin ф
dyj (гд+a)2- b2 - b yj(ra + a)2 - d dbi+yj (гд + a)2- d2 ^д + a)2 - Ь
Л
+ cos ф
(12)
Номограмма, построенная по методике [3, 4], характеризует все возможные условия контакта режущей части инструмента с обрабатываемой
Рис. 8. Номограмма возможных условий контакта режущей части инструмента с обрабатываемой поверхностью заготовки
ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ
поверхностью заготовки. Из рис. 8 следует, что любые сочетания углов резца X и у, располагающиеся между линиями TU и UV, образуют наиболее благоприятные условия работы инструмента U(STUV). Все остальные варианты свидетельствуют об уменьшении работоспособности резцов из композита 10, а в зоне номограммы ST-TS, при отрицательных значениях углов X и у, инструмент не работоспособен (это вариант резания вершиной инструмента).
Таким образом, проблема достижения высокой работоспособности инструмента в условиях скоростного и прерывистого резания может быть решена путем применения более стойкого инструментального материала, чем твердые сплавы, при обеспечении гарантируемого запаса прочности и режущей части за счет создания оптимальных условий контакта резца с обрабатываемой поверхностью заготовки. Таким инструментальным материалом является композит 10, возможности которого изучены и применены на практике при обработке конструктивно сложных поверхностей деталей в осложненных технологических условиях
[3, 4].
Список литературы
1. Черников С.С. Новые методы резьбо-обработки // Станки и инструмент. - 1946. -№ 2, 3.
2. Левин Б.Г., Фраткин А.М. Скоростной метод нарезания резьбы. - М.: Машгиз, 1948.
3. Кудряшов Е.А. Обработка деталей инструментом из композитов в осложненных технологических условиях. - Чита: ЧитГУ, 2002. - Том 1. - 257 с.
4. Кудряшов Е.А. Обработка деталей инструментом из композитов в осложненных технологических условиях. - Чита: ЧитГУ, 2002. - Том 2. - 290 с.
High-speed milling of the thread by rotating cutters
E. A. Kudryashov, I. M. Smirnov
Results of analytical research of process of high-speed milling of a thread are given by rotating cutters in case of an internal contact of an instrumental head with a processed surface of preparation.
Key words: thread, high-speed milling, cutting kinematics, equipment parameters, working capacity method.
