CC BY
41
Васин Сергей Александрович, д-р. техн. наук, профессор, vasin_sa53@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
UPDATING THE PROBLEM OF QUALITY ASSURANCE OF PURCHASED COMPONENTS
AT AUTO ASSEMBLY PLANTS
D.I. Blagoveshchensky, V.N. Kozlovsky, S.A. Vasin
The article presents the results of updating and researching the problem of ensuring the quality of purchased automotive components for car assembly plants
Key words: comprehensive improvement programs, automotive industry, competitiveness, quality, purchased auto components.
Blagoveshchenskiy Dmitry Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, director, dblagov1@yandex.ru, Russia, Tula, FBU«Tula CSM»,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, Kozlovskiy-76@mail.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Vasin Sergey Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, vasin_sa53@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 658.56
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-9-637-644
ВЛИЯНИЕ РАДИУСА ОКРУГЛЕНИЯ РЕЖУЩЕЙ КРОМКИ НА ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛИ
М.А. Попов, В.В. Максаров, И.А. Бригадов
Установлено что после заточки режущей кромки, целесообразно применять метод объемной абразивной обработки. Данный метод способен сформировать одинаковые радиус округления и продольную шероховатость поверхности кромки резания на всей ее протяженности.
Ключевые слова: режущая кромка, радиус округления, стойкость инструмента.
Радиус округления режущей кромки. В процессе обработки изделий с использованием режущего инструмента возникают внутренние и внешние силы, которые оказывают влияние на износ инструмента и, как следствие, снижают качество обрабатываемых изделий. Одним из элементов режущего инструмента, который оказывает прямое воздействие на процесс формирования поверхности обрабатываемой детали, является режущая кромка.
Геометрические параметры режущей кромки влияют на:
1. способность инструмента обрабатывать изделие с соблюдением первоначально заданных параметров шероховатости поверхности;
2. величину силы резания, оказываемую инструментом на поверхность изделия, и затрачиваемую мощность станка для осуществления технологического процесса;
3. качество обработанной поверхности изделия: шероховатость, микроструктуру и поверхностные напряжения;
4. стойкость и долговечность инструмента в процессе резания;
5. временные и экономические затраты, связанные с переточкой инструмента и его периодической заменой.
В зависимости от назначения инструмента различаются и требования, которые предъявляются к параметрам режущей кромки и ее состоянию. Технологические методы, которые обеспечивают геометрические требования режущей кромки также различны.
Режущая кромка инструмента — это следствие пересечения передней и задней поверхностей, которое теоретически должно образовывать линию, контур которой определяется формой пересекающихся поверхностей и их взаимным расположением друг относительно друга.
На практике, линия, которая образует режущую кромку, имеет неправильную геометрическую форму и является переходной поверхностью.
При помощи современных методов заточки и доводки инструмента могут быть образованы различные формы переходной поверхности режущей кромки инструмента. Эти формы могут быть аппроксимированы различными способами [1].
Наиболее характерные формы, которые описывают геометрию режущей кромки, представлены на рис. 1.
Плоская
Округлая
Острая
Комбинированная
Полный радиус
Фаска и округление
уХ
ш
Площадка
Возрастающий
уТ
Двойная фаска
С
Спадающий
Рис. 1. Основные типы режущей кромки
В настоящее время поверхность режущей кромки аппроксимируют цилиндрической поверхностью, имеющей радиус р, который принято называть радиусом округления. Данный радиус используют в качестве мезогеометрии инструмента.
Геометрические размеры переходной поверхности и радиус округления кромки р образуются в результате заточки инструмента. Величина параметра р зависит от условий проведения процесса заточки и от шероховатости поверхностей d и с лезвия, которые образуют поверхность кромки резания (рис. 2).
Рис. 2. Лезвие токарного резца с указанием кромки резания
Описать радиус округления режущей кромки р можно по формуле:
р= Ягу X X е** х зЫ Р/г
В данной формуле углы у, а и в определяют взаимное расположение поверхностей й и с лезвия, которые образуют режущую кромку т, а коэффициент кг отражает свойства материала лезвия.
Кромка т имеет собственную шероховатость в поперечном и продольном своих направлениях. Поперечная шероховатость — это результат сколов и вибраций, которые возникают в процессе заточки лезвия, а продольная — результат наложения друг на друга шероховатостей поверхностей й и с.
Проведенные исследования показали, что радиус округления кромки р меняется на протяжении всей поверхности режущей кромки. Это позволяет нам рассматривать радиус р, только с точки зрения среднего радиуса округления на всей ее протяженности. Анализ измерений радиуса округления р на одной режущей кромке в трех разных точках А, В и С показал, что колебания величины радиуса могут достигать до 30% (рис. 3).
х [ппт]
Рис. 3. Изменение радиуса округления вдоль режущей кромки
Величина радиуса округления режущей кромки в процессе работы инструмента меняется и приближается к стабилизированному значению, независимо от технологии заточки (рис. 4).
На величину радиуса округления оказывает влияние вид инструментального и обрабатываемого материалов, а также режим процесса резания. Для твердосплавного инструмента величина р находится в пределах 10...25 мкм [2].
1Дм]
Рис. 4. Изменение величины радиуса округления режущей кромки в течение резания
Процесс изменения радиуса округления режущей кромки в процессе работы характеризуется периодичностью [3]. В начальный момент резания радиус округления режущей кромки моментально увеличивается до 10...15 мкм. После этого процесс изменения радиуса р замедляется и стабилизируется, а процесс формирования площадки износа на главной задней поверхности сопровождается даже уменьшением радиуса округления режущей кромки.
639
Параллельно с этим под действием высоких температур происходит снижение прочности криволинейной (радиусной) части режущего клина. Затем наступает момент, когда радиусная часть режущего лезвия теряет значительную величину прочности, что сопровождается ее катастрофическим износом. Результатом снижения прочности является увеличение величины
Р.
В дальнейшем в результате удаления материала с главной задней поверхности процесс формирования величины р в процессе резания циклически повторяется.
На достижение минимального значения радиуса округления режущей кромки влияет размер зерна инструмента [4]. Несмотря на то, что с увеличением размера зерна возрастает прочность твердого сплава на изгиб и увеличивается его способность сохранять острую режущую кромку, поверхность округления режущей кромки в значительной мере определяют все-таки границы зерен, чем и объясняется увеличение р (при прочих равных условиях) с увеличением размера зерна (рис.5).
о _
1 1,8 2 2,5 3 3,5
с| [мкм]
Рис. 5. Линейная зависимость минимально достижимого радиуса округления режущей
кромки от размера зерна
Выбор оптимального радиуса округления. Состояние режущих кромок инструмента влияет на силу резания и затрачиваемую на него мощность, температуру резания, стойкость инструмента и качество обрабатываемой поверхности.
а = 0,020 мм а = 0,042 мм а = 0,050 мм а = 0,073 мм
20
40 60
р [мкм]
ВО
Рис. 6. Зависимость стойкости резцов от радиуса округления режущей кромки
640
В общем случае, сила резания тем больше, чем меньше отношение, а/р где а — переменная толщина среза, а р — радиус округления режущей кромки [5]. Однако чувствительность силы резания к р снижается в области устойчивого стружкообразования.
Корректируя параметры режима резания (подача, глубина резания) и величину р, можно добиться обеспечения процесса резания в выгодных условиях с обеспечением требуемого качества обрабатываемого изделия.
Несмотря на возрастание силы резания с увеличением р (уменьшением а/рр, контактные напряжения и напряжения в режущем лезвии уменьшаются, увеличивая запас прочности лезвия. Такой прием упрочнения лезвий достаточно широко применяется на практике для различных инструментов, обеспечивая значительное увеличение стойкости [5].
Из этого можно сделать вывод о том, что радиус округления режущей кромки инструмента оказывает существенное влияние на износостойкость инструмента.
Исследования, проведенные на стальных пластинах марки Р6М5, показали значительное влияние радиуса округления кромки р на стойкость инструмента при значениях до 50-60 мкм (рис. 6).
В работе [6] при прямоугольном резании стали 40ХНМ экспериментально и теоретически доказано, что существует оптимальный радиус округления режущей кромки, который обеспечивает минимум напряжений и наибольший ресурс лезвий.
Научные исследования, проведенные в данной области, позволяют утверждать о существовании оптимального радиуса округления режущей кромки, который в настоящее время находится, в большинстве случаев, экспериментальным путем и зависит от марки режущего инструмента.
Заточка и доводка режущей кромки. Заточка — важный технологический этап работы с инструментом. При проведении заточки формируется его режущая кромка, которая непосредственно участвует в процессе резания. Поверхность кромки резания также имеет свою шероховатость. Проведенные исследования [7] продемонстрировали влияние пересекающихся поверхностей й и с (рис.2) на формирование продольной шероховатости кромки: чем меньше шероховатость пересекающихся поверхностей й и с, тем меньше продольная шероховатость кромки (рис.7).
Метод шлифования, используемый при заточке инструмента, повышает продольную шероховатость кромок от 1,5 до 2,5 раз относительно поверхностей й и с. При последующей доводке кромок режущих инструментов методами объемной абразивной обработки, шероховатость на поверхностях лезвия и на кромке в продольном и поперечном направлениях оказывается одинаковой (рис. 8).
- 4,75
3,5
на контуре кромки на поверхности лезвия
ш см
- 2,5
1Л О
1,25
0,4
I
0,1
0,35
0,7
0,60,3
-0,42
Шлифование абразивным кругом
Тонкое шлифование абразивным кругом
Шлифование эльборовым кругом
Рис. 7. Влияние способа заточки на формирование продольной шероховатости режущей
кромки инструмента
о
ш
о
га
<4 о
к
О
О
гч о
о"
о
Рис. 8. Влияние доводки на продольную шероховатости режущей кромки инструмента
В большинстве случаев процесс шлифования режущей кромки повышает ее шероховатость, что негативно сказывается на стойкости инструмента. В первую очередь в процессе резания начинают разрушаться выступы микронеровностей на кромках по причине малой механической прочности. Впадины микронеровностей — это место зарождения микротрещин, число которых увеличивается в процессе резания, что в конечном итоге приводит к появлению сколов.
Процесс разрушения механически слабой кромки, полученной в процессе шлифования, на начальном этапе резания происходит неуправляемо и приводит к непредсказуемым изменениям ее формы.
Сравнивая износ лезвия при заточке и при последующей доводке методом объемной абразивной обработки, можно выделить, что стойкость инструмента увеличивается (рис. 9). Это свидетельствует о применимости данных методов для упрочнения инструментов.
0.5 ---0,5
Г
0,16 - 0,16
на контуре кромка на поверхности лезвия
0,16 ---0,16
.ай4 ш - от.
йибропбртипнап М а гн итн о- а браэ и с мая
обработка обработка
Рис. 9. Графики износа лезвий после заточки и после дополнительной доводки режущей
кромки инструмента
На графике выделяют три этапа износа: I — этап начального повышенного износа, II — этап нормального износа, III — этап катастрофического износа.
Из анализа этапа I можно сделать вывод о низкой прочности острой режущей кромки после заточки. Если высота допустимой фаски износа становится равной к,а, то стойкость инструмента станет соответствовать времени Т. Время стойкости инструмента возможно увеличить до значения Т2 с помощью нивелирования проблем острой кромки до начала процесса резания.
Проведенный анализ свидетельствует о возможности повышения времени работоспособности инструмента за счет доводки режущих кромок инструмента методом объемной абразивной обработки. Это позволяет сформировать одинаковую продольную шероховатость на всем протяжении режущей кромки и радиус округления p. Это обеспечит повышенную прочность кромки с сохранением ее геометрической формы и, как следствие, увеличит стойкость инструмента.
Сохранение геометрии режущей кромки инструмента за счет увеличения ее стойкости, позволяет достичь одинаково прогнозируемого качества обработки изделия с возможностью достижения заданных параметров качества: точности и шероховатости.
Выводы. Проведенное исследование показало влияние режущей кромки на процесс формирования поверхностного слоя обрабатываемого изделия и стойкость инструмента. Различный геометрический профиль режущей кромки по-разному влияет на течение процесса обработки.
Особое внимание уделяется радиусу округления режущей кромки, величина которого может существенно повлиять на качество поверхности обрабатываемого изделия и увеличить стойкость инструмента от 2 до 12 раз.
В процессе работы величина радиуса округления кромки p меняется на протяжении всей поверхности режущей кромки. Это позволяет нам рассматривать радиус p, только с точки зрения среднего радиуса округления на всей ее протяженности. Анализ измерений радиуса округления p на одной режущей кромке в трех разных точках показал, что колебания величины радиуса могут достигать до 30%.
Из этого следует, что для того, чтобы процесс резания был более прогнозируемым, важно на всей протяженности поверхности резания формировать одинаковое знание радиуса округлости режущей кромки. Одним из вариантов, который можно применять, это доводка режущей кромки с использованием методов объемной абразивной обработки.
Использование данных методов позволяет снизить шероховатость поверхности кромки резания, а также достичь равного значения параметра Ra на поверхности лезвии и на контуре кромки.
Все это приводит к получению прогнозируемых результатов качества обрабатываемой поверхности, что благоприятно сказывается на возможности повышения точности изделия и снижении шероховатости поверхностного слоя обрабатываемой детали.
Процесс округления кромок приемлем для широкого перечня инструментов, имеющих различный функционал и задачи. В данном направлении ведутся научные исследования в области изучения параметров режущей кромки и ее влияния на процесс резания, но накопленных знаний на данный момент недостаточно, чтобы давать рекомендации по геометрии режущей кромки для различных технологических процессов.
Список литературы
1. Rodriguez C.J. Cutting edge preparation of precision cutting tools by applying micro-abrasive jet mashining and brushing. Kassel: Kassel university press GmbH, 2009. 205 c.
2. Талантов Н.В. Физические основы процесса резания изнашивания и разрушения инструмента. M.: Машиностроение, 1992. 240 c.
3. Наумов В.А. Роль радиуса округления режущей кромки в процессе резания // Вопросы автоматизации контроля и технологии машиностроения. Омск, 1970. C. 93- 97.
4. Синопальников В.А., Эйхманс Э.Ф. Радиус округления режущих кромок твердосплавного инструмента // Станки и инструмент. 1965. № 6. C. 35- 37.
5. Криворучко Д. В. Повышение эффективности процессов чистовой обработки на основе аналитического моделирования силового взаимодействия лезвия с заготовкой: дис. ... канд. техн. наук: 05.03.01/ Криворучко Дмитрий Владимирович. К., 2003. 205 c.
6. Yen Y.C., Rech J., Altan T., Hamdi H. Influence of Cutting Edge Radius of Coated Tool on Chip Formation in Orthogonal Cutting of Alloy Steel // Proceedings of the 7th CIRP International Workshop on Modeling of Machining Operations. 2004.
7. Барон Ю.М., Халбаев К.А. Влияние радиуса закругления режущей кромки инструментов из быстрорежущей стали на их стойкость / Н.-т. конфер. «Повышение эффективности обработки конструкционных материалов». Улан-Уде: Вост. - Сибир. технолог. ин-т, 1985. С. 87-88.
Попов Максим Алексеевич, аспирант, popov. maksim. spb@mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Горный университет,
Максаров Вячеслав Викторович, д-р техн. наук, профессор, декан, заведующий кафедрой, maks78.54@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Горный университет,
Бригаднов Игорь Альбертович, д-р физ.-мат. наук, профессор, brigadnov@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Горный университет
THE EFFECT OF THE RADIUS OF ROUNDING OF THE CUTTING EDGE ON IMPROVING THE QUALITY OF THE SURFACE LAYER OF THE PART
M.A. Popov, V.V. Maksarov, I.A. Brigadov
It was found out that after sharpening the cutting edge, it is advisable to use the method of volumetric abrasive treatment. This method is able to form the same radius of rounding and longitudinal roughness of the cutting edge surface over its entire length.
Key words: cutting edge, rounding radius, tool life.
Popov Maxim Alekseevich, postgraduate, popov.maksim.spb@mail.ru, Russia, Saint Petersburg, Saint Petersburg Mining University,
Maksarov Vyacheslav Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, dean, head of the department, maks78.54@mail.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Mining University,
Brigadnov Igor Albertovich, doctor of physics and mathematics sciences, professor, brigad-nov@mail.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Mining University
