Исследование процесса обработки цилиндрических поверхностей деталей вихревым резанием

В современном машиностроении самым большим классом изготавливаемых деталей являются валы различного назначения [7,66,97,102]. Большинство заготовок для валов имеют низкую точность и глубокий дефектный слой, что определяет значительный припуск на черновую обработку [51,94,99]. Специальные методы заготовительного производства позволяют снизить припуск на обработку резанием, но рациональны для технологически сложных деталей [5,21,51,97,99].

Необходимость удаления крупного припуска определяет значительную мощность резания на операциях черновой обработки. Снижение глубины резания приводит к вынужденной потери в производительности, повысить которую возможно за счет увеличения подачи и скорости резания, но и в этом случае повышается мощность резания.

Взаимодействие поверхностей резца с образующейся стружкой и воспроизводимой поверхностью резания происходит при значительных давлениях [50], что затрудняет доступ смазывающе-охлаждающей технологической среды (СОТС) к участкам контакта и не позволяет в полной мере реализовать её свойства [4,60,73,74,85]. Работа режущей части инструмента протекает в условиях практически сухого трения, что в сочетании с высокой температурой и силой резания на черновых проходах, приводит к её интенсивному изнашиванию [1,59,61]. Накладные устройства для дробления стружки усложняют конструкцию инструмента и способствуют повышению мощности резания по причине нарушения естественного движения стружки [56,57,74,86,102].

Поэтому, в связи с большим припуском, назначаемым под обработку резанием, и значительным количеством цилиндрических деталей, обрабатываемых практически на всех предприятиях, существует проблема снижения энергозатрат и повышения стоикости инструмента на операциях черновой обработки.

Снизить износ резца возможно за счет эффективных способов подвода СОТС [91,105], но применение насосов высокого давления, инжекторных установок и специальных отсасывающих устройств значительно повышает I энергозатраты на обработку [74,102].

Сверхтвёрдые материалы повышают режущие свойства инструмента, но применяются только для чистовой и тонкой обработки при работе с малыми глубинами резания [38,60,73,86], когда припуск более равномерный, а точность базовых поверхностей снижает амплитуду колебаний технологической системы.

Увеличение углов заточки инструмента позволяет повысить его стойкость, но при этом, значительно возрастает мощность резания. Задача оптимального соотношения между мощностью и режимами резания во многих I случаях решается не однозначно, так как улучшение одних параметров приводит к ухудшению других [63]. На основании производственного опыта и результатов исследований созданы различные методики определения оптимальных элементов режима резания [30,54,58,62,63,70,89,95,96,100] и предложены рекомендации по выбору рациональных параметров инструмента [30,53,68, 70,74,86,94,96,108], но их применение для черновой обработки малоэффективно, так как они не обеспечивают значительного повышения стойкости инструмента и снижения мощности резания.

Таким образом, решение указанной проблемы за счет рационального выбора элементов режима резания, режущего материала и геометрических параметров инструмента при непрерывном точении практически исчерпало свои возможности.

Одним из направлений снижения износа инструмента и мощности резания является замена трения скольжения на трение качения в зоне резания, что снижает работу деформирования инструментального и обрабатываемого материалов. Таким свойством обладает схема ротационного точения [1,7,20,32,36,48,49,79,74]. Наряду с преимуществами, ротационный инструмент не лишен недостатков. Обрабатываются только гладкие валы на проход, а глубина резания не превышает 3 мм [48,49,73].

Ультразвуковые колебания резца оказывают благоприятное влияние на трение и деформирование материала заготовки в зоне резания, при этом, снижается износ инструмента и мощность резания, но применяемые специальные технические средства требуют дополнительных энергозатрат, которые возрастают с увеличением глубины резания, поэтому такой способ выгоднее для чистовой обработки, либо для обработки осевым инструментом [8,73,80].

Для электрофизических и электрохимических методов обработки характерно значительное повышение энергозатрат при увеличении объема удаляемого материала, поэтому они рациональны для формообразования технологически сложных поверхностей [14,31,52].

Повышению стойкости инструмента способствует распределение работы резания между несколькими режущими элементами инструмента, работающими одновременно или периодически [85]. Наглядным примером является обработка многорезцовыми головками [107]. Для повышения периода стойкости инструмента увеличение числа резцов головки выгодно, но при этом возрастает суммарная площадь срезаемого слоя, что безусловно приводит к значительному повышению требуемой мощности резания. Этот метод наиболее эффективен для чистовой обработки [107]. Существенным недостатком такого способа обработки является необходимость настройки резцовой головки на обрабатываемый диаметр [107].

Схема периодического участия режущих кромок не требует перенастройки инструмента на диаметр обработки. В соответствии с этой схемой, каждый режущий элемент многолезвийного инструмента участвует в работе периодически. Такая схема получила название периодического резания [3,7,13,38,60,85,104]. При этом возникают условия для более эффективного охлаждения инструмента и для разделения сливной стружки на отдельные элементы. При периодическом резании снижается площадь поперечного сечения слоя, срезаемого одной кромкой, что обеспечивает уменьшение мощности и повышение стойкости инструмента [3,13,29,38,78,104].

Поэтому, одним из возможных направлений решения проблемы снижения энергозатрат и повышения стойкости инструмента является применение новых или совершенствование существующих кинематических схем резания, позволяющих разделять припуск на отдельные слои и распределять работу резания между режущими элементами многолезвийного инструмента. По-мнению академика Грановского Г. И. [29], возм ожны такие кинематические схемы обработки, которые представляют теоретический интерес и прикладную ценность, поскольку таят в себе большие возможности в отношении повышения производительности процесса обработки и стойкости металлорежущего инструмента.

Для черновой обработки валов, возможно, применить вихревое резание, которое используется для нарезания крупных резьб за один проход. Применение этого метода для обработки цилиндрических поверхностей деталей практически не встречается, при этом недостаточна теоретическая база для выбора рациональных режимов резания и конструктивных параметров инструмента.

Таким образом, исследование процесса черновой обработки цилиндрических поверхностей деталей вихревым резанием является актуальным, что позволит повысить стойкость инструмента и снизить энергозатраты на операциях черновой обработки валов и имеет как научное, так и практическое значение.

Целью настоящей диссертационной работы является снижение энергозатрат и повышение стойкости инструмента при заданном качестве черновой обработки на основе исследования процесса обработки цилиндрических поверхностей деталей вихревым резанием.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Исследовать форму и размеры срезаемого слоя при обработке цилиндри ческих поверхностей вихревым резанием.

2. Исследовать рабочие углы инструмента, образующиеся при обработке цилиндрических поверхностей вихревым резанием.

3. Исследовать геометрию поверхностного слоя цилиндрической детали, обработанной вихревым резанием.

4. Определить схему обработки вихревым резанием, обеспечивающую наиболее полное удаление припуска.

5. Провести экспериментальные исследования способа черновой обработки цилиндрических поверхностей вихревым резанием.

6. Разработать рекомендации по определению режимов обработки цилиндрических поверхностей деталей вихревым резанием.

Научная новизна работы выражается в следующих результатах:

1. Обоснована возможность применения вихревого резания для черновой обработки цилиндрических деталей.

2. Определены условия для снижения нагрузки на режущие кромки инструмента и распределения припуска между резцами вихревой головки.

3. Получены аналитические формулы для определения рабочих углов инструмента при обработке цилиндрических поверхностей вихревым резаниI ем.

4. Получена аналитическая формула, описывающая геометрию поверхностного слоя цилиндрической детали, обработанной вихревым резанием.

5. Получены эмпирические формулы для определения периода стойкости инструмента и мощности резания при черновой обработке цилиндрических поверхностей вихревым резанием.

Практическая ценность работы представлена следующими результатами:

1. Обоснована возможность повышения периода стойкости инструмента и I снижения энергозатрат при черновой обработке цилиндрических поверхностей за счет применения вихревого резания.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы для повышения эффективности черновой обработки цилиндрических поверхностей.

3. Предложена конструкция инструмента для обработки цилиндрических поверхностей вихревым резанием.

Работа выполнена на кафедре «Металлорежущие станки и инструменты» Волгоградского государственного технического университета (ВолгГТУ) и на кафедре «Технология машиностроения» Камышинского технологического института (филиала) ВолгГТУ.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях [40,72,75−77,92,93].

Основные результаты работы формулируются в следующих общих выводах:

1. При исследовании формы и размеров срезаемого слоя получена формула угла скрещивания осей вращений инструмента и заготовки, обеспечивающего снижение нагрузки на режущие кромки инструмента. На основании анализа формул, описывающих форму и размеры срезаемого слоя, установлено, что главный угол в плане более 90° исключает прямое влияние глубины резания на размеры поперечного сечения среза.

2. При исследовании особенностей кинематических схем обработки цилиндрических поверхностей деталей вихревым резанием, получены формулы, описывающие изменение рабочих углов инструмента. Установлено, что наименьшее изменение задних углов происходит при попутной обработке по схеме внутреннего касания.

3. Установлено, что попутная обработка по схеме внутреннего касания обеспечивает наиболее полное удаление припуска. Получены математические формулы для определения геометрии поверхностного слоя обработанной детали. Установлено, что лучшее качество обработки обеспечивает схема внутреннего касания при попутном направлении вращений инструмента и заготовки.

4. В результате экспериментальных исследований установлено, что шероховатость обработанной поверхности не превышает /?тах100−160 мкм.

5. Проведены экспериментальные исследования способа черновой обработки цилиндрических поверхностей вихревым резанием, по результатам которых получены эмпирические формулы для определения периода стойкости инструмента и расходуемой мощности.

6. Предложена конструкция вихревой головки, оснащенная неперетачивае-мыми пластинками из твердого сплава.

7. Установлено, что при черновой обработке вихревым резанием розможно повысить период стойкости инструмента в 2 раза и снизить потребляемую мощность в 1,5−2 раза по сравнению с точением.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.

В диссертационной работе решена задача повышения стойкости инструмента и снижения энергозатрат при заданном качестве черновой обработки цилиндрических поверхностей за счет применения вихревого резания по схеме внутреннего касания.