CC BY
12
УДК 621.914.1+621.9.04+621.002.68
Способ формирования элементов стружки при вибрационном фрезеровании отходов металлов и пластмасс
С. В. Сергеев, Е. Н. Гордеев
Ключевые слова: измельчение отходов фрезерованием, переработка отходов металлов и пластмасс, управление размерами элементов стружки, стабильный гранулометрический состав вторичного сырья, вибрационно-фрезерный станок.
Введение
Отходы цветных металлов, композиционных материалов на металлической основе, а также пластмасс, образующиеся на машиностроительных предприятиях в процессе производства, в ряде случаев целесообразно использовать в качестве вторичного сырья. Для получения такого сырья эти материалы подвергают диспергированию. В целях исключения физико-химических превращений применяют механическое измельчение отходов и получают вторичное сырье в виде элементной стружки используемого материала. Широко используемые в промышленности способы измельчения не позволяют стабильно вырабатывать отделяемые элементы стружки требуемых размеров из-за отсутствия возможности управления процессами, когда можно получить стружку с определенным параметром.
Фрезерование — один из немногих видов обработки, позволяющий практически при любых режимах резания обеспечивать производство элементной стружки, размеры которой можно достаточно точно прогнозировать. Однако при измельчении фрезерованием значения режимов резания близки к режимам, используемым для чернового фрезерования, при этом глубина резания и диаметр фрезы составляют сотни миллиметров, а подача — сотни миллиметров в минуту. Эти величины являются определяющими для продольного размера профиля стружки в радиальной плоскости фрезы. Следовательно, получаемая на выходе стружка обладает хоть и стабильными, но относительно крупными размерами (порядка 5-20 мм). Такая стружка не может быть использована в качестве вторичного сырья, готового к применению в производстве. Между тем эффективность измельчения фрезерованием определяется процессом формо-
образования отделяемых элементов стружки. В работах российских и зарубежных ученых отмечалось, что кинематика резания определяет форму и размеры стружки [1, 2], то есть управление процессом формообразования элементов стружки возможно за счет изменения кинематических перемещений инструмента, а именно посредством принудительного наложения на него управляемых колебаний. Учитывая необходимость переработки растущего количества твердых промышленных и бытовых отходов и недостатки существующих способов измельчения, совершенствование процесса измельчения фрезерованием является актуальной задачей, которую можно решить на основе принципиально новых подходов.
Описание расчетов
Траектория перемещений [3, 4] вершины зуба фрезы 1 диаметром Д (рис. 1) формируется в результате сложения трех движений: главного движения резания в виде равномерного вращения фрезы вокруг оси вращения инструмента Ои с частотой ю, равномерного движения подачи й и принудительного колебательного движения подачи в радиальном направлении с частотой юк и амплитудой А, осуществляемого вращательным движением относительно оси Оэ эксцентрика 2. Приняв допущение о дискретном характере перемещений вершины зуба в перерабатываемом материале и представив эти перемещения как последовательность т синусоидальных кривых с нулевыми линиями в виде окружностей, расположенных с шагом 2пБ/ю, со сдвигом по фазе на каждом обороте 2лг, а также приняв юк/ю = с + I, где с — целое число, а I — дробное, получим систему уравнений:
[12
№ 4 (52)/2009
обработка материалов резанием
у, мм
у, мм
х, мм
Хт = (D/2) sin (oí + ф0) + A sin (oKt + 2pim);
yo = St + (D/2) cos (ot + фо) + A cos (oKt); y1 = St + (2pS)/o + (D/2) cos (ot + ф0) + + A cos (oKt + 2pi);
ym = St + ((2%S)/a)m + (D/2) cos (at + ф0) +
+ A cos (oKt + 2pim),
где Жо, Уо, — координаты положения перемещающейся вершины зуба фрезы на нулевой траек-
тории при i = 0; xi
х
У1 - Ут — координа-
ты положения перемещающейся вершины зуба фрезы на последующих траекториях при I Ф 0, м; Фо — исходный угол, рад; t — текущее время, с.
Исходя из этого, получим условие прерывистого резания, гарантирующее отделение элементов стружки (рис. 2), условие будет представлено в виде амплитуды, обеспечивающей касание предыдущей и последующей траекторий:
А > (я5)/(.ю^т (люк/ю)|),
где . — число зубьев. Соблюдение данного условия гарантирует отделение элементной струж-
Рис. 1. Схема формообразования элемента стружки при вибрационном фрезеровании: 1 — фреза; 2 — эксцентрик
Xq = (D/2) sin (ot + ф0) + A sin (oKt); xi = (D/2) sin (ot + фо) + A sin (oKt + 2pi);
Рис. 2. Схема формирования элемента стружки
ки с требуемыми размерами. Выявлено, что при отношении юк/ю, равном целому числу, предыдущая и последующая траектории перемещения вершины зуба в обрабатываемом материале не пересекаются при сколь угодно больших амплитудах колебаний, а это не позволяет гарантировать отделение элементной стружки. Модель формообразования срезаемых элементов стружки представлена как текущее значение их толщины at (по оси у), которая будет определяться кривыми m и (m - n) и представлять собой разность соответствующих координат ym и ym-n:
at = ym - ym - n = ((2nS)/a)n +
+ [A cos ((^t + 2pim) — cos (^t + 2pi(m - n))],
где n — число траекторий, формирующих срезаемый элемент.
Для расчета размеров профиля отделяемого элемента стружки в радиальной плоскости фрезы разработана компьютерная программа, где определяются координаты точек пересечения траекторий, формирующих элемент, и, соответственно, линии, ограничивающие профиль отделяемых элементов в рабочей плоскости; также могут быть вычислены линейные размеры полученного сечения.
В процессе компьютерного эксперимента на расчетной траектории были выявлены участки траектории, на которых результирующее движение резания направлено противоположно главному. Это возможно при противоположных вращениях эксцентрика и фрезы. В результате анализа процесса (рис. 3) определены положения основной плоскости Pv и плоскости резания Pn при вибрационном перемещении режущей кромки. Выявлено, что происходит отклонение плоскости резания из-за движения
i
х, мм
а)
Рп
— положение плоскости резания в нижнеи полу-
волне колебаний фрезы; иокр — проекция вектора окружной скорости вращения фрезы на координатную плоскость, перпендикулярную Ру и Рп; Рпс — статическая плоскость резания; Рис — основная статическая плоскость; Ру в-т!П — положение основной плоскости в нижней полуволне колебаний фрезы; Ри8 — положение основной плоскости при наличии подачи; Ри в.тах — положение основной плоскости в верхней полуволне колебаний фрезы
подачи со скоростью и8а — проекцией скорости подачи фрезы на координатную плоскость, перпендикулярную Ри и Рп, и вибрационного перемещения со скоростью vвa — проекцией скорости вибрационного перемещения фрезы на координатную плоскость, перпендикулярную Ри Рп. Данный факт, в свою очередь, ведет к уменьшению кинематического заднего угла вплоть до 0, поэтому направление результирующего движения резания будет противоположно ю. Такое возможно при
А =
■ (Дю а - 2й),
2юк
где а — задний угол зуба фрезы. При таком формообразовании в соответствии с расчетами наблюдается неупорядоченное отделение элементов мелкодисперсной (менее 0,2 мм) стружки.
Результаты теоретических исследований были подвергнуты экспериментальной проверке, а именно определено влияние параметров принудительных колебаний фрезы на размеры элементов стружки (рис. 4). В вибрацион-но-фрезерном станке фрезе сообщали не только вращательное движение, но и колебания с амплитудой от 0 до 5 мм и частотой от 0
у , мм 0,40,3 0,2 0,1
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
б)
Pv^______
Рис. 3. Схема изменения положения плоскости резания при наличии радиальной подачи и колебаний:
Рп в.тах — положение плоскости резания в верхней полуволне колебаний фрезы; vsa — проекция вектора скорости подачи фрезы на координатную плоскость, перпендикулярную Рv и Рп; vв а — проекция вектора скорости вибрационного перемещения фрезы на координатную плоскость, перпендикулярную Рv и Рп; Р^ — положение плоскости резания при наличии подачи;
у, мм 0 4
0 3 0 2 0 1
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8
х , мм
г)
0.7.5 мм
08 м.м.
Рис. 4. Фрагменты сечений элементов стружки (А = 2,4 мм): а, б — расчетные; в, г — полученные в ходе эксперимента
до 200 Гц. В ходе эксперимента фрезерованию подвергались металлы и пластмассы с временным сопротивлением до 120 МПа, в частности алюминиевые и медные сплавы, термо- и ре-актопласты. Расхождения расчетных и фактически полученных значений размеров срезаемых элементов составляют не более 7 %.
По результатам теоретических исследований разработан вибрационно-фрезерный станок модели ИВ-400 (рис. 5) для измельчения фрезерованием изношенных контактных пластин (рис. 6) пантографов электровоза модели ВЛ-10, изготавливаемых из композиционного материала ЗЖ-3. Предлагаемая технология и оборудование для измельчения отходов и лома композита ЗЖ-3 прошли производственные испытания и были внедрены в условиях серийного производства детали «пластина контактная». Такой материал содержит медь, никель, алюминий, железо, и его утилизация переплавкой невозможна, поскольку получаемый в этом случае сплав далек по своим физико-химическим свойствам от материала ЗЖ-3. Разработанное оборудование обеспечило стабильность требуемых размеров элементов стружки вторсырья (рис. 7)
Р
Р
х, мм
обработка материалов резанием
МЕТ^^БРД^К)!
Рис. 5. Вибрационно-фрезерный станок модели ИВ-400
Рис. 6. Перерабатываемая накладка
Рис. 7. Вторсырье композиционного материала ЗЖ-3, полученное на станке модели ИВ-400
мообразования профиля элементов стружки, что позволяет рассчитать его размеры в зависимости от параметров колебаний фрезы. На основе полученных уравнений:
• определено значение амплитуды колебаний, обеспечивающее гарантированное отделение одинаковых элементов стружки, уменьшающееся при приближении соотношения частоты колебаний и частоты вращения к величине, кратной 0,5, и стремящееся к бесконечности, если это соотношение равно целому числу;
• выявлено, что процесс упорядоченного получения элементной стружки требуемого размера ограничивается максимальным значением амплитуды из-за смены направления результирующего движения резания инструмента, которое обратно пропорционально частоте колебаний. Это обеспечивает отделение элементной мелкодисперсной стружки и проявляется только тогда, когда направление вектора главного движения фрезы противоположно направлению результирующего вектора ее перемещения.
2. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан и внедрен на производстве новый станок для вибрационного фрезерования отходов металлов прочностью не более 120 МПа до размеров стружки 0,04 ... 1,50 мм и пластмасс с прочностью до 55 МПа и размеров стружки 0,05 ... 7,00 мм.
Теоретическая и экспериментальная части работы выполнены при финансовой поддержке РФФИ (проект № 08-08-00517-а). Проектно-конструкторские работы по созданию вибра-ционно-фрезерных станков моделей ИВ-200, ИВ-400 были проведены ООО «Гранулятор» (www.kbvt.ru) технопарка Южно-Уральского государственного университета при финансовой поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере и в рамках программы «Старт 07» на 2007-2010 годы (проект 7319).
в диапазоне от 0,2 до 0,5 мм. Расхождения расчетных и фактически полученных значений размеров срезаемых элементов составляли не более 10 %. При этом возможность изменения характеристик генерируемых колебаний в широком диапазоне позволяет получать вторичное сырье от стружки до порошка, размеры и того и другого находятся в пределах необходимого диапазона.
Выводы
1. Для вибрационного фрезерования разработана геометро-кинематическая модель фор-
Литература
1. Подураев В. Н. Обработка резанием с вибрациями. М.: Машиностроение, 1970. 352 с.
2. Кумабэ Д. Вибрационное резание / Пер. с яп. С. Л. Масленникова; под ред. И. И. Портнова, В. В. Белова. М.: Машиностроение, 1985. 424 с.
3. Сергеев С. В. Повышение эффективности вибрационных процессов при обработке различных материалов. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. 262 с.
4. Пат. 2213618 Российская Федерация, МПК7 7 В 02 С 19/00. Способ и устройство измельчения материалов / С. В. Сергеев и др. Южно-Уральск. гос. ун-т. №№ 2002102797/03; заявл. 31.01.02; опубл. 10.10.03. Бюл. № 28. 56 с.
