CC BY
34
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2003 р. Вип. №13
УДК 621.9.02
Крепак А. С."
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ И НОВЫЕ СПОСОБЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗОНЫ РЕЗАНИЯ
Представлены систематизированные результаты по разработке прогрессивных конструкций многолезвийных инструментов повышенной виброустойчивости. Приведены новые способы исследования зоны резания, загрузки режущих кромок зубьев и управления кинематическими геометрическими параметрами инструментов. Излагаются основные теоретические положения по созданию новых вы-сокопроизводител ън ых инструментов.
Повышение стойкости инструмента, производительности и качества обработки поверхностей деталей на металлорежущих станках в значительной степени зависит от интенсивности автоколебаний.
Ряд исследований отечественных и зарубежных авторов посвящены изучению автоколебаний в замкнутых технологических системах, но, тем не менее, автоколебания при резании все еще далеко не достаточно изучены [16, 17].
Возникновение и развитие автоколебаний при резании может быть обусловлено рядом физических явлений, которые зависят от характеристики системы СПИД, режимов резания и др. факторов.
Для повышения виброустойчивости системы применяются специальные инструменты, устройства, патроны, оправки, виброгасящие опоры, виброгасители и др. оснастка.
Следует отметить, что эти инструменты и оснастки являются сложными, дорогостоящими и не универсальными, а также, в ряде случаев малоэффективными. Поэтому создание прогрессивных инструментов повышенной виброустойчивости является весьма актуальной проблемой, которая в значительной степени возросла с применением станков с ЧПУ.
На протяжении ряда лет автором и под его руководством аспирантами и преподавателями выполняется научно-исследовательская работа по созданию виброустойчивых конструкций многолезвийных режущих инструментов для обработки, в первую очередь, труднообрабатываемых материалов. Ряд режущих инструментов уже успешно применяются на машиностроительных заводах во многих городах Украины и в СНГ.
На кафедре "Станки и инструменты" стержневым научным направлением является предложенное автором в 1964 году совершенствование режущих инструментов, создание новых конструкций и исследование их в процессе резания труднообрабатываемых материалов, а также разработка новых способов обработки [2].
Целью работы является совершенствование и создание высокопроизводительных инструментов и способов механической обработки. Решение этих вопросов успешно может осуществляться только при высоком теоретическом и экспериментальном уровне исследования процесса резания материалов. В настоящее время имеется масса проблемных вопросов, которые не изучены и экспериментально не исследованы, что усложняет создание прогрессивных конструкций режущих инструментов.
При исследовании процесса фрезерования автором был предложен способ изучения зоны резания и направления схода стружки с использованием специального устройства и составных образцов. Разработан способ определения сил на контактных поверхностях режущего инструмента [1]. Этот способ позволяет более точно определить силы на задних поверхностях инструментов экспериментально вместо метода экстраполяции опытных зависимостей.
Способы определения загрузки зубьев и отдельных ее участков червячной фрезы позволяют практически установить взаимодействие многих факторов, что позволяет усовершенствовать конструкции червячных фрез.
ПГТУ, канд. техн. наук, проф.
Многие инструменты были разработаны по просьбам предприятий для решения проблем при обработке деталей. Так были созданы плашки с тороидальной заборной частью, сферические развертки для обработки глубоких отверстий l>10d, специальные резцы для обработки поверхностей под обрезинивание и шеек валов под наплавку при их восстановлении и др. На основании экспериментальных исследований процесса фрезерования концевыми и цилиндрическими фрезами были разработаны научные рекомендации по оптимизации геометрических параметров режущей части инструментов [2]. Установлено, что оптимизацию геометрических параметров следует производить при одновременном их варьировании. Каждому углу наклона зуба соответствует определенные значения передних и задних углов, обеспечивающих наибольшую стойкость инструмента, но при этом сечение лезвия остается постоянным. Это позволило сформулировать положение о постоянстве сечения лезвия для режущих инструментов, у которых геометрические параметры определяются стойкостным фактором и не регламентируются точностью, технологичностью и др.
Сечение (угол заострения (3n) клина режущей части инструмента при оптимальных сочетаниях геометрических параметров остается постоянным ((3n= const). Применение положения о постоянстве режущего клина позволяет в несколько раз сократить трудоемкость установления оптимальных геометрических параметров экспериментальным классическим способом, а также определить их значения, в ряде случаев, расчетным методом. Точное определение величин геометрических параметров необходимо для обеспечения оптимальной стойкости инструментов. Один и тот же геометрический параметр неодинаково влияет на стойкость разных инструментов. Так, при уменьшении заднего угла на 5° от оптимального стойкость фрез снижается до пяти раз, а у резцов - до двух раз, тогда как изменение переднего угла на 5° приводит к падению стойкости у резцов до трех раз, а у фрез только до двух раз. При исследовании процесса резания цилиндрическими и концевыми фрезами с разными углами подъема винтовых канавок со получена формула [3] для определения оптимального значения заднего угла, который находится в прямой зависимости от угла со:
(48-0.55/^)-cos|
Однако, применение фрез с принятыми инструментальными геометрическими параметрами является эффективным только для конкретных условий обработки материалов с определенными физико-механическими свойствами и требует их изменения (переточку) при использовании этих инструментов для обработки других материалов. Поэтому весьма важным является решение вопроса об управлении геометрией инструментов в процессе резания. Одним из методов управления является сообщение дополнительного движения режущей кромке (вращательного или поступательного), которое изменяет в широких пределах ее угол наклона и связанные с ним передний и задний углы. Изменение скорости дополнительного движения по определенному закону позволяет изменять рабочую геометрию инструмента с целью ее оптимизации. Для управления кинематическими параметрами предложен новый способ фрезерования с дополнительным осевым движением инструмента [4, 5]. Этот способ позволяет оптимизировать кинематические геометрические параметры не только для конкретных физико-механических свойств обрабатываемого материала, но и изменять их взаимосочетание при прохождении зубом фрезы поверхности резания с учетом увеличения (уменьшения) толщины срезаемого слоя, т.е. в процессе стружкообразования. Дополнительное осевое движение инструмента может быть с постоянной или переменной скоростью, что обусловлено программоносителем - кулачком. Архимедов кулачок обеспечивает постоянную скорость осевого вращения, а все остальные - переменную.
Осевое движение инструмента отклоняет вектор скорости вращательного движения на дополнительный угол, что изменяет значение кинематического угла наклона режущей кромки и позволяет получить оптимальные кинематические взаимосочетания геометрических параметров с учетом конкретных физико-механических свойств обрабатываемого материала без переточек или замены инструмента. Для осуществления этого способа спроектировано и изготовлено специальное устройство, обеспечивающее дополнительное осевое движение инструмента, программоносителем в котором является дисковый кулачок, а также разработаны специальные, более производительные, чем стандартные, цилиндрические фрезы с боковыми режущими кромками [6, 7]. Применение этого способа фрезерования увеличивает стойкость инструмента в 3-3,5 раза по сравнению с обычным.
В направлении усовершенствования и создания прогрессивных режущих инструментов доминирующим является разработка конструкций многолезвийных инструментов повышенной виброустойчивости, т.к. одним из лимитирующих факторов повышения производительности и качественного уровня обрабатываемых деталей являются колебания.
Для повышения точности обработки имеет значение не только уменьшение средней величины силы резания, но и уменьшение ее колебаний, что достигается смещением во времени циклов работы отдельных режущих лезвий. Существенным вкладом в теорию резания металлов является разработка математических моделей виброустойчивости режущих инструментов. Конструкции режущих инструментов с повышенной виброустойчивостью обладают более высокой стойкостью, чем стандартные, а также обеспечивают повышение точности и снижение шероховатости обработанной поверхности изделий.
Разработка конструкций концевых фрез с разнонаклонными зубьями [8] явилась начальным этапом в создании целой гаммы прогрессивных виброустойчивых многолезвийных режущих инструментов, которые получили широкое применение на многих заводах.
Основным средством виброгашения является создание рассогласованности в работе смежных режущих элементов многолезвийных инструментов путем придания им различных конструктивных и геометрических параметров. Этот принцип заложен в конструкциях червячных модульных фрез с разнонаклонными стружечными канавками [9, 10, 11]. Смежные режущие гребенки этих фрез наклонены под разным углом к оси, причем наиболее технологичным, как для концевых и цилиндрических фрез и др. инструментов, является вариант, когда в конструкции инструмента чередуются два разных угла наклона.
Создание прогрессивных конструкций режущих инструментов и особенно червячных модульных фрез в первую очередь связано с выравниванием нагрузки на участках режущей кромки. Разработан новый метод графоаналитического анализа схем резания, основанный на имитации кинематических движений в процессе зубофрезерования и получении последовательных отпечатков [12] образующего профиля в фиксированных положениях. Для определения объема срезаемого слоя режущими элементами червячной фрезы - отдельными кромками, зубьями и гребенками - разработан новый экспериментальный способ [13], заключающийся в моделировании работы червячной фрезы, двузубой фрезой-летучкой по ступенчатому циклу с периодическими остановами для сбора и классификации срезов. Эти способы дают реальную картину загруженности зубьев, что позволяет усовершенствовать их конструкцию и создавать инструменты повышенной виброустойчивости. Снижение вибраций при работе инструментами с разнонаклонными зубьями объясняется изменением частоты колебаний силы резания, т.к. меняется сечение срезаемого слоя каждым зубом, а также направление сходящей стружки. Кроме того, следы вибраций на поверхности резания при работе этими инструментами не совпадают, что существенно снижает интенсивность вторичного возбуждения при автоколебаниях. На основании этого же принципа разработан ряд конструкций метчиков, зенкеров, разверток повышенной виброустойчивости.
Разработана гамма новых конструкций инструментов с замкнутыми режущими кромками эллипсовидной форм, большие оси которых лежат в разных осевых плоскостях и под разными углами наклона к оси инструмента, имеющих контакт по всему периметру обрабатываемого отверстия, что значительно повышает виброустойчивость, снижает волнистость поверхности, уменьшает отклонения от геометрической формы [14]. Для обработки глубоких точных отверстий созданы конструкции инструментов с конхоидальной и сферической поверхностями [15]. Они обеспечивают постоянство геометрических параметров режущей части, в частности, угла в плане, а, следовательно, постоянство сечения срезаемого слоя в процессе резания.
Перспективным направлением дальнейших исследований является разработка виброустойчивых конструкций высокоточных многолезвийных инструментов - червячных модульных фрез, разверток и др., а также прогрессивных методов обработки материалов и способов исследования процесса резания с целью усовершенствования и создания новых высокоэффективных инструментов.
Главным в конструировании режущих инструментов, обеспечивающих высокую производительность и качество изготовления изделий на металлорежущих станках, является повышение их виброустойчивости, что особенно важно при использовании в конструкциях керамических и сверхтвердых инструментальных материалов, создание систем управления кинематическими геометрическими параметрами режущей части инструментов с новыми схемами резания.
Выводы
1. Разработаны новые способы исследования зоны резания, определения загрузки режущих кромок зубьев и сил на контактных поверхностях режущего инструмента.
2. Приведены теоретические положения по созданию многолезвийных инструментов повышенной виброустойчивости.
3. Сформулировано положение о постоянстве сечения режущей части инструментов.
4. Предложен способ управления кинематическими геометрическими параметрами режущей части многолезвийных инструментов.
5. Представлены описания новых конструкций режущих инструментов повышенной виброустойчивости с разнонаклонными зубьями.
Перечень ссылок
1. A.c. № 979917, СССР, МКИ G01L5/16. Способ определения сил на контактных поверхностях режущего инструмента /A.C. Крепак, В.В. Романюк, Ю.Н. Булко.
2. Крепак A.C. Влияние угла наклона зубьев концевых фрез на их стойкость / А.С.Крепак-Станки и инструменты,- 1971,- №3,- С.39-42.
3. Крепак A.C. Новые зависимости для определения геометрических параметров режущей части инструментов /A.C. Крепак. - В кн.: Прогрессивные методы обработки труднообрабатываемых материалов на металлорежущих станках: Материалы Всесоюзной конференции.-Жданов: 1980,- С.20-23.
4. Крепак A.C. Способ фрезерования с осевым движением инструмента / A.C. Крепак, Ю.Н. Булко .- Станки и инструменты,- 1975,- №9,- С.26-30.
5. Патент Украши, Р1зальний шструмент для обробки плоских поверхонь з додатковим осьо-вим рухом. №20018А, МКИВ 23С5 / 04.25.12.97. Бюл. №6 / О.С. Крепак, СО. Крепак, Т.О. Клочко.
6. A.c. № 547297, СССР, МКИ В23С5/04. Цилиндрическая фреза. IA.C. Крепак, И.А. Шабан.
7. A.c. № 1316756, СССР, МКИ 4В23С5/04. Режущий инструмент. / A.C. Крепак, Ю.Н. Булко.
8. Крепак A.C. Высокопроизводительные концевые фрезы / A.C. Крепак - Станки и инструменты,- 1968,-№ 7,- 41с.
9. A.c. № 1268325, СССР, МКИ 4B23F21/16. Червячная фреза./ А. С. Крепак, С.А. Володин.
10. A.c. № 1220896, СССР, МКИ 4B23F21/16. Режущий инструмент. / A.C. Крепак, С.А. Володин.
11. A.c. № 1513748, СССР, МКИ B23F21/16. Червячная фреза. I A.C. Крепак, С.А. Володин.
12. A.c. № 1168361, СССР, МКИ B23F21/16. Способ определения загрузки зубьев червячной фрезы. /A.C. Крепак. С.А. Володин.
13. A.c. № 1301593, СССР, МКИ B23F21/16. Способ определения загрузки кромок зубьев червячной фрезы. / A.C. Крепак, С.А. Володин.
14. Патент Украши, Р1зальний шструмент для обробки отвор1в. №19629А, МКИВ 23F21 / 16.25.12.97. Бюл. №6 / О.С. Крепак, С.О. Крепак, В.Е. Чайкоесъка.
15. Крепак С.А. Развертки консоидальные повышенной виброустойчивости / С.А. Крепак, С.А. Мисюра, A.C. Крепак II VII регион, науч.-техн. конф.: Тезисы докладов / ПГТУ,- Мариуполь, 2000,-С. 159.
16. Жаркое И. Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом I И.Г. Жаркое. - Л.: Машиностроение, 1986. - 184 с.
17. Каширин А. И. Исследование вибрации при резании металлов / А.И.Каширин,- М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1944. - 132 с.
Статья поступила 08.04.2003
