CC BY
40
УДК 621.914
ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ПЕРЕДНЕЙ ПОВЕРХНОСТИ МИКРОРЕЗЦА
ИГЛОФРЕЗЫ НА СОСТАВЛЯЮЩИЕ СИЛЫ РЕЗАНИЯ
Е.Ф. Моисеев, А.С. Ямников, О.А. Ямникова
Рассмотрены возможные формы поперечного сечения упругих микрорезцов, составляемых в иглофрезу. Приведены результаты экспериментального исследования влияния формы поперечного сечения упругих микрорезцов на окружную и радиальную составляющие силы резания в зависимости от поперечной подачи (глубины резания).
Ключевые слова: иглофреза, упругий микрорезец, силы резания.
Современная исходная заготовка, позволяющая иметь высокий коэффициент использования материала, рациональную форму, качественную структуру и поверхность, высокую точность и т.д., в значительной степени влияет на улучшение технологического процесса в целом.
В свою очередь, процесс получения заготовок (его коэффициент использования материала, производительность, возможность автоматизации, совершенство технологических схем и т.д.) тоже в значительной степени определяет экономические показатели производства. Пренебрежение любым из перечисленных факторов приводит к серьезным экономическим издержкам, так как не позволяет реализовать в производстве современные принципы его организации, например, эффективную систему управления качеством выпускаемой продукции, автоматизированную межоперационную связь и т.д.
Оба отмеченные выше момента, связанных с заготовками, их производством и качеством, должны рассматриваться комплексно и взаимосвязано, так как недооценка одного из них приводит к негативным последствиям в другом.
Особенно это касается производств, использующих в качестве формообразующих процессы холодной обработки металлов давлением, где традиционно отсутствуют или применяются в незначительном объеме операции, связанные с процессами резания. Здесь дефекты заготовки дестабилизируют технологический процесс, в котором не предусмотрено мер борьбы с ними.
Типичным примером такого производства является изготовление деталей типа "стакан" и "труба", называемых в дальнейшем полуфабрикатами. Из них в конечном итоге получают изделия, работающие в жестких условиях эксплуатации в скоростных автоматических режимах. В качестве первичной заготовки традиционно используется "кружок" (диск), вырубаемый из стальной или латунной карты. Полученная таким образом заго-
товка несет в себе не только все дефекты исходной карты (волосовины, плены, раковины), появившиеся на стадии ее прокатки, но и приобретает новые - заусенцы по периметру кружка и изогнутость боковых поверхностей. Помимо этого, на стальных заготовках возможно появление поверхностной коррозии.
При выполнении прессовых операций на полуфабрикатах возможно образование поверхностных дефектов (особенно задиров) из-за дефектов инструмента (приобретенные дефекты). Это приводит к необходимости выбраковки, которая производится визуальным методом, так как соответствующих контрольных автоматов не разработано. При этом разрывается межоперационная связь, и производство принимает прерывисто-поточный характер, появляются значительные межоперационные заделы. Выявление поверхностных дефектов затрудняется тем, что полуфабрикаты проходят межоперационное фосфатирование и фосфатная пленка закрывает их.
Технологический процесс производства полуфабрикатов, не предусматривающий удаление поверхностных дефектов, имеет еще один недостаток. Возможность получения царапин, вмятин и других дефектов при межоперационной транспортировке не позволяет надежно автоматизировать эти операции, или же к рабочим поверхностям транспортных устройств предъявляются высокие требования в той части, что они не должны ухудшать качество поверхности транспортируемых заготовок.
Таким образом, для успешного ведения технологических процессов изготовления изделий методом пластической деформации необходимо принять меры к удалению небольших по объему, но органически неизбежных дефектов на заготовках и межоперационных полуфабрикатах.
Наиболее эффективным способом удаления поверхностных дефектов является иглофрезерование. Иглофрезерование - процесс механической обработки поверхностей металлов и других материалов, разработанных в начале 70-х гг. прошлого века. В основе его лежит резание множеством упругих резцов, объединенных в инструмент - иглофрезу.
Иглофреза представляет собой инструмент в виде тела вращения, рабочая поверхность которого образуется шлифованными торцами единичных режущих элементов упругих микрорезцов, изготовленных из высокопрочной стали, которые имеют определенную плотность набивки. Иг-лофрезерованием можно обрабатывать практически все виды материалов, в том числе углеродистые и легированные стали, чугуны, цветные металлы. С помощью иглофрезерования возможно получить необходимую шероховатость поверхности [1-5]. Чистка иглофрезами - один из наиболее экономичных способов и имеет следующие преимущества:
- универсальность по отношению к обрабатываемым материалам, типам производств;
- экономичность и малую энергоемкость;
137
- возможность удаления с поверхности металлов не только верхнего слоя ржавчины, но и более твердого слоя, снятие которого другими методами чистки является затруднительным;
- при обработке образуется мелкая стружка, не загрязненная абразивом, химическими веществами, которая легко сортируется и без особых затрат подвергается переплавке;
- возможность получения металлического порошка требуемой дисперсии;
- высокая стойкость иглофрезы гарантирует стабильность качества и производительность обработки, незначительное вспомогательное время на замену инструмента;
- установки для иглофрезерования просты в эксплуатации;
- затраты на обслуживающий персонал малы, один рабочий может обслуживать несколько установок;
- иглофрезерование безвредно для окружающей среды;
- при выходе из зоны обработки в момент выпрямления свободный конец режущего элемента движется ускоренно и отбрасывает снятый металл, и поэтому рабочая поверхность почти не забивается стружкой и не засаливается в отличие от шлифовального круга;
- имея большую долговечность и производительность, иглофрезы легко удаляют окалину, обеспечивая шероховатость поверхности от 32 до 10 мкм и Яа от 2,5 до 0,32 мкм;
- возможность обработки поверхностей, имеющих значительные погрешности формы и расположения.
Все эти преимущества послужили основанием для применения метода иглофрезерования для удаления дефектного поверхностного слоя с заготовок изделий.
Процесс иглофрезерования представляет собой один из видов обработки резанием. Во многих работах иглофрезерование сравнивается с другими процессами обработки и дается оценка технико-экономической эффективности его применения. Иглофрезерование также с успехом может быть использовано для чистовой обработки отверстий вместо зенкерова-ния, шлифования и развертывания.
Резание при иглофрезеровании происходит только в узком диапазоне оптимальных значений углов резания. При изготовлении иглофрез обычно используются упругие микрорезцы круглого сечения, изготовленные из холоднотянутой проволоки по ГОСТ 2771 - 81 из стали У7А с твердостью НВ=195 Н/мм [6].
Движение резания осуществлялось продольным перемещением стола станка со скоростью подачи V = Бпр = 0,5 м / мин.
Для достижения определенной глубины резания столу сообщалась радиальная подача. В диапазоне оптимальных передних углов
(у = -15°... - 20°) увеличение угла у от - 15° до - 20° приводит к увеличению угла резания 5 и сил резания. Поэтому необходимо стремиться работать с минимальным отрицательным углом, что возможно при работе иг-лофрезой с максимальной плотностью набивки режущих элементов [1 - 3].
Очевидно, возможно применение проволоки и другого поперечного сечения. Экспериментальные исследования формы передней поверхности единичных микрорезцов проводились по схеме рис. 1.
А-А
02,80 02,80 Ф2,80
1 2 3
Рис. 1. Схема проведения исследований влияния формы передней поверхности единичного микрорезца на силы резания
За основу брались резцы из проволоки круглого сечения диаметром 0=2,80 мм, с которых для получения остальных форм сошлифовывался металл в соответствии с рис. 1.
Движение подачи - продольное прямолинейное перемещение стола станка с жестко закрепленным образцом - было отключено. Обрабатываемые образцы были изготовлены из стекла органического конструкционно-
139
го марки СО-133-К, толщиной 10 мм по ГОСТ 10667-90 с твердостью 140 МПа [7]. Образцы закреплялись в универсальном динамометре УДМ-600, установленном столе фрезерного станка.
Микрорезец, представляющий жесткий резец, устанавливался в устройство под определенным углом, что позволяло создать отрицательный передний и положительный задний углы резания, и жестко фиксировался в этом положении (во всех экспериментах передний угол у = -15°, а
задний соответственно а = 15°). Такие условия экспериментов позволяют моделировать поведение проволочного ворса в момент работы с максимальной нагрузкой, когда углы резания имеют максимальное значение и практически совпадают с реальными условиями работы микрорезца. Данная методика вполне приемлема для исследования формы передней поверхности микрорезца.
Для достижения определенной глубины резания столу сообщался натяг / в радиальном направлении, при фиксированных значениях которого измерялись составляющие силы резания: окружная - Р: и радиальная Ру.
После каждого рабочего цикла индикатором измерялась фактическая глубина резания /, равная радиальной подаче 5рад.
Полученные значения составляющих силы резания и их аппрокси-мационные кривые показаны на рис. 2 и 3.
Пояснения условных обозначений опытных данных и аппроксимационных кривых на рис. 2 и 3 даны в таблице.
Условные обозначения точек опытных данных и аппроксимационных кривых на рис. 2 и 3
Номер опыта Экспериментальные данные ООО Аппроксимирующая кривая
1
2 А А ▲ = — = —
3 Л Л Л -----
4 ■ ■ ■
5 □ □ □ я я ш в
рг. н
100
90.5 81 71.5 62 52.5 45 35.5 24 14.5
п • -р
• • • А, ■ ш
РЕ • □ ] ■
□ /
• А: 7 / А 1
• Я.*/ /
1/7 Л У г
Ч* А /
V и г /
/ 4 /
5
0.5 1.625 2.75 5.875 5 6.125 7.25 8.3^5 19.5 10.625 11.75 12.875 14
МО"2, мм
Рис. 2. Влияние глубины резания на окружную составляющую силы резания Рг при V = Бпр = 0,5 м / мин
Ру, н
31
2 ".19
24.8 21.7 18.6 15.5 12.4 19.3 6.2 3.1
.•1 а *
■рг" ГГ £
4 • А / Л
И • • * г*"" ■ ■
• • • А* 9
• Ш / / ✓ ■
/ я
' ..■'' ЧУ
Р 1
1.5 2.625 3.75 4.875 6 ".125 8.25 !9.3"5 10.5 11.625 12."5 13.8"5 15
МО2, ММ
Рис. 3. Влияние глубины резания на радиальную составляющую силы резания Ру при V = Бпр = 0,5 м / мин
Из рис. 2, 3 следует, что форма передней поверхности значительно влияет на окружную силу и в меньшей степени на радиальную. Наиболее эффективной с позиции уменьшения сил резания из исследованных форм является форма в виде прямого угла (4-я), менее - 1, 2, 3 и 5-я. Поэтому для изготовления режущих элементов иглофрез может быть рекомендована проволока гранного сечения. При этом значительно увеличивается плотность упаковки. При использовании проволоки круглого сечения для уменьшения сил резания необходимо стремиться к уменьшению кривизны передней поверхности.
Принимая для первого вида формы передней поверхности коэффициент формы К^ = 1, получим, что для второго Кф2 = 1,1; третьего
Кф^ = 0,9; четвертого КфА = 0,4; пятого Кф5 = 1,4.
Проведенные исследования формы передней поверхности микрорезцов позволяют в формулу ввести коэффициент Кф, учитывающий
форму поперечного сечения микрорезца.
Формула для определения силы резания Я будет иметь вид [3]
гдеРг - сила резания; с/ - диаметр единичного режущего элемента; Н - ширина режущей поверхности иглофрезы; Е - модуль упругости материала режущего элемента; / - натяг; 1Л - свободная длина единичного режущего
элемента; Вп - диаметр рабочей поверхности иглофрезы; Ку - коэффициент, учитывающий упругость зажима режущих элементов (К =0,8... 1,0); Кф - коэффициент формы.
Однако следует иметь в виду, что из-за неодинаковой ориентации микрорезцов в иглофрезе реальные значения коэффициентов Кф будут
несколько ниже, но тенденция к уменьшению сил резания сохранится. На основании проведенных исследований была рекомендована иглофреза с некруглым в поперечном сечении ворсом.
Обобщая вышеприведенное, можно заключить, что существенное влияние на производительность обработки и силы резания оказывает форма передней поверхности. Из пяти форм: круглая, круглая с лыской на 1/3 радиуса, круглая (с лыской на 1/2 радиуса), гранная с углом между гранями 90° и эллипсная - наиболее рациональной является гранная. При использовании такой формы сила резания по сравнению с круглой формой снижается в 2,5 раза, что учитывается в формуле по расчету ок-
Р- =
0Д73</3Я£ V¿(2/! - О ЩРН -/М ] ^ ^
^ ку'кФ,
ружной силы резания коэффициентом формы. Форма передней поверхности значительно влияет на окружную силу и в меньшей степени на радиальную.
Список литературы
1. Моисеев Е.Ф., Бобров В.Ф. Иглофреза с неограниченной шириной режущей поверхности // Передовой производственный опыт. 1979. №10. С. 20 - 23.
2. Моисеев Е.Ф., Бобров В.Ф. Применение иглофрезерования для удаления дефектов с поверхностей деталей // Исследования в области инструментального производства и обработки металлов резанием. Тула: ТПИ, 1981. С. 72 - 79.
3. Моисеев Е.Ф., Ямников А.С. Исследование силовых параметров процесса иглофрезерования / Интенсификация и автоматизация отделочно-зачистной обработки деталей машин и приборов. Ростов на Дону, 1987. С. 49 - 50.
4. Пат. РФ 2014174, Иглофреза. Горшков В. А. Опубл. 15.06.1994.
5. Ямников А.С., Сударчикова А.С. Перспективы использования процесса иглофрезерования для автоматизации удаления поверхностных дефектов с заготовок // Вестник ТулГУ. Автоматизация: проблемы, идеи, решения: сб. научных трудов МНТК «АПИР-19», 13-14 сентября 2014 года. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. С. 102-106.
6. ГОСТ 2771-81. Проволока круглая холоднотянутая. Сортамент.
7. ГОСТ 10667-90. Стекло органическое листовое. Технические условия.
Моисеев Евгений Федорович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, Yamnikovas@mail.ru, Россия, Тула, АО «НПО «СПЛАВ»,
Ямников Александр Сергеевич, д-р техн. наук, проф., Yamnikovas@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ямникова Ольга Александровна, д-р техн. наук, проф., yamnikovaoa@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE INFLUENCE OF THE SHAPE OF THE FRONT SURFACE OF WIRE BRUSH THE ELASTIC MICROCUTTERS ON THE COMPONENTS OF THE CUTTING FORCE
E.F. Moiseev, A.S. Yamnikov, O. A. Yamnikova
The possible shape of the cross section of elastic microcutters prepared in the wire brush are considered. The results of experimental research of the influence of the shape of the cross section of elastic microcutters on district and the radial making cutting forces depending on cross giving (cutting depth) are given.
Key words: the wire brush, elastic microcutters, the cutting force.
Moiseev Evgeny Fedorovich, candidate of technical science, senior research associate, Yamnikovasamail.ru, Russia, Tula, SC «NPO «SPLAV»,
Yamnikov Alexander Sergeyevich, doctor of technical science, professor, Yamniko-vas@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Yamnikova Olga Aleksandrovna, doctor of technical science, professor, yamniko-vaoa@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 620.179.14
КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ДНИЩА РВС ФАР-ДЕФЕКТОСКОПОМ
А.А. Сельский, Ю.Н. Безбородов, Н.Н. Лысянникова, Е.Г. Кравцова, А.В. Лысянников, В.Г. Шрам, Ю.Ф. Кайзер, М.А. Плахотникова,
М.А. Мерко
Представлено решение по созданию специализированного низкочастотного дефектоскопа, работающего на фазированных акустических решетках, который позволит решить проблему утечек нефтепродукта, путем заблаговременного диагностирования изготовительных, монтажных или эксплуатационных дефектов основного металла листов днища, трудно выявляемых традиционными методами контроля из-за большой площади объекта.
Ключевые слова: диагностика, резервуар, нефтепродукт, утечка, фазированные акустические решетки, дефектоскоп, сигнал, дефект, герметичность.
В процессе эксплуатации вертикальных стальных резервуаров наиболее опасным видом износа является образование течей в листовых элементах стенок и днищ вследствие коррозии, возникающей от воздействия внешней среды и возможных загрязнений (осадков) в хранимом нефтепродукте. Неблагоприятными последствиями образования протечек являются потери нефтепродукта, повышение взрывопожароопасности, загрязнение окружающей среды, подмыв основания резервуара. В связи с этим «Правилами технической эксплуатации нефтебаз» [1] предусмотрены периодические меры по диагностике резервуаров.
В большинстве типовых методик по контролю днищ резервуаров большое внимание уделяется дефектоскопии сварных соединений. Однако сварные соединения днищ при эксплуатации резервуара не испытывают высоких растягивающих нагрузок, и поэтому представляется целесообразной их проверка только на герметичность. На днищах, изготовленных из рулонов, сваренных автоматической и полуавтоматической сваркой, проверке ультразвуком по [2] следует подвергать только монтажные швы,
