Совершенствование методов и средств отвода и удаления сливной стружки при резании вязких материалов: На примере обработки трубных заготовок

Обработка материалов резанием до настоящего времени является одним из наиболее производительных, гибких, экономичных методов получения деталей заданного качества (точности, шероховатости и т. п.). Эффективность современного машиностроительного производства напрямую зависит от ее уровня.

При обработке резанием пластичных материалов зачастую образуется сливная стружка. Сливная стружка является опасным для человека фактором на производстве. Кроме того, она наматывается на инструмент и заготовку, что может привести к аварийной ситуации (поломка инструмента, подрыв заготовки и т. п.), особенно в автоматизированном производстве. В некоторых случаях присутствие стружки на обработанной поверхности не допускается технологическим процессом или чистотой обработанной поверхности. Например, при чистовой лезвийной обработке зеркал лазерных установок и телескопов недопустимо касание стружкой обработанной поверхности зеркала, так как это влечет за собой появление микроцарапин. Наличие таких царапин не допускаются эксплуатационными требованиями. Немаловажны размеры и форма стружки и для удобства ее утилизации. В этом случае стружка должна быть либо поделена на мелкие фракции, либо завита в плотную спираль. Таким образом, формирование стружки, безопасной для оператора, удобной для удаления из зоны резания, для транспортировки и переработки является одной из важнейших задач в области механической обработки пластичных материалов. Поэтому к одной из острых проблем, возникающих при организации процесса резания, относится проблема отвода и удаления стружки.

Для обеспечения процесса отвода и удаления стружки необходимо получить стружку благоприятной формы. При этом под благоприятной формой стружки понимается такая ее форма, при которой: а) стружка не приводит к осложнениям автоматических перемещений узлов станкаб) форма и размеры стружки не препятствуют автоматизации загрузочно-разгрузочных и контрольных переходовв) стружка не является причиной преждевременного выхода из строя режущего инструментаг) стружка не царапает обработанную поверхность, ухудшая ее качество.

Вид благоприятной формы стружки напрямую зависит от особенностей технологического процесса. Например, в автоматизированном производстве чаще всего благоприятными формами считаются: а) стружка разделена на фракции длиной не более 100 мм /1/ (по некоторым источникам /2/ допускается длина фракции до 300 ммб) стружка завита в плотную спираль.

При обработке зеркал лазерных установок и телескопов по всей вероятности целесообразно получение достаточно прочной непрерывной сливной стружки, которую необходимо отвести от обработанной поверхности.

При разработке технологического процесса не всегда легко удается палучить стружку благоприятной формы. Например, повышенные требования к точности и шероховатости поверхности детали существенно ограничивают возможность фрагментирования стружки, так как это зачастую ухудшает указанные характеристики обработанной поверхности. Повышенная вязкость обрабатываемого материала также осложняет дробление стружки. Завиванию стружки в плотную спираль, например при протягивании, могут препятствовать образующиеся в результате работы стружкоразделительной канавки предыдущего зуба выступы («ребра жесткости» /3/) и т. п.

Но даже, в том случае, когда стружка имеет благоприятную форму, ее отвод и удаление может вызвать затруднения. Так, например, при глубоком сверлении, зенкеровании и развертывании отверстий, протягивании наружных и внутренних поверхностей, затруднения вызываются ограниченностью пространства, в котором находится стружка.

В настоящей работе проблема отвода и удаления стружки рассматривается применительно к производству прямошовных сварных медных труб малого и среднего диаметра (менее 40мм). Трубы производят из трубной заготовки волочением. Трубную заготовку получают на трубоэлектросварочном агрегате посредством ее формовки из рулонной ленты, разогревом кромок в кольцевом индукторе и обжатием в сварочном калибре. В результате, на наружной и внутренней поверхности трубы появляются «наплывы», называемые гратом. Наличие грата делает невозможным последующее волочение (редуцирование) трубной заготовки, поэтому его необходимо удалять.

Стружка удаляемого с наружной поверхности грата наматывается на резец и трубу. Наматывание стружки на инструмент может вызвать его поломку. В случае наматывания стружки на трубу возникает опасность попадания стружки под валки калибровочной клети.

Извлечение срезанного грата из внутренней полости сварной трубы значительно осложняется ограниченностью пространства и довольно большой длиной трубной заготовки (до 100 м).

При удалении грата с внутренней поверхности труб благоприятной можно считать следующие формы стружки: а) стружка разделена на мелкие фракции, причем длина фракции стружки не должна превышать диаметра трубы (такая стружка пригодна для вымывания из трубы потоком жидкости) — б) стружка имеет вид прямой непрерывной ленты, обладающей достаточной прочностью (такая стружка пригодна для вытягивания из трубы с помощью специального механизма).

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы

Теплоэнергетические, электротехнические и некоторые другие производства связаны с обработкой особо вязких материалов, таких как медь и ее сплавы, некоторые алюминиевые сплавы, малоуглеродистые стали и т. п. Образующаяся при резании таких материалов сливная стружка должна иметь «благоприятную форму». В одном случае стружка должна быть поделена на мелкие фракции, в другом — завита в плотную спираль, в третьем представлять собой прямую непрерывную ленту. Особые затруднения возникают при получении благоприятной стружки в случае ограниченности рабочего пространства. Таким образом, формирование стружки, безопасной для оператора, удобной для удаления из зоны резания, для транспортировки и переработки, является одной из важнейших задач в области механической обработки пластичных материалов. Как показывает практика, эта задача остается актуальной, несмотря на наличие значительного числа ее частных решений. До настоящего времени не создана общая модель процессов, сопровождающих сход сливной стружки и не установлены их закономерности.

Цель и задачи работы. Целью данной работы является разработка методов и средств удаления и отвода грата, срезаемого с внутренней и наружной поверхности при изготовлении прямошовных сварных трубных заготовок из вязких материалов для труб малого и среднего диаметра (менее 50 мм) .

Для достижения поставленной дели в работе сформулированы следующие задачи:

• анализ методов получения сварных труб;

• анализ методов удаления грата;

• анализ концепций стружкообразования;

• анализ способов фрагментирования стружки;

• разработка общей модели процесса схода сливной стружки;

• разработка способа управления формой стружки;

• разработка способа отвода стружки (срезанного грата) с внутренней поверхности трубной заготовки;

• разработка способа дробления стружки, не нарушающего геометрии обработанной поверхности.

Методы исследования. В работе использованы современные теоретические, а так же экспериментальные методы исследования процесса стружкообразования. Теоретические исследования проводились на основе разработанной в последние годы модели формирования стружек при резании металлов, а также достижений в области теории упругости и пластичности, в частности новой концепции деформирования и разрушения материальных тел. Экспериментальная проверка основных теоретических положений проводилась в лабораторных условиях на физических моделях при обработке резанием заготовок из вязких материалов (медь М2, сталь 10 и др.) резцами с различной геометрией на токарном мод. 1К62 и фрезерном мод. 6Н81 станках. В том числе, исследовались микрошлифы поперечных сечений стружки, изучалась их форма и распределение микротвердости по сечению с помощью микротвердомера ПМТ-3. При обработке экспериментальных данных использовалась компьютерная техника.

Научная новизна.

1. Установлены закономерности неравномерности (локализации) пластической деформации в поперечном сечении стружки.

2. Предложена качественная теоретическая модель, определяющая характеристику формы стружки после ее формирования, названная моделью баланса остаточных деформаций (напряжений).

3. На основании анализа модели раскрыты закономерности завивания стружки и направления схода стружки с режущего инструмента.

4. Экспериментально доказана возможность формирования незавивающейся (прямолинейной) стружки путем выбора геометрии режущего инструмента и режимов резания. Незавивающаяся стружка позволяет решить задачу удаления ее из ограниченного пространства при обработке длинных трубчатых заготовок.

5. Разработан способ отвода незавивающейся стружки, образовавшейся при срезании грата на внутренней поверхности трубных заготовок и автоматизации процесса ее удаления.

6. Разработан оригинальный способ и устройство фрагментирования стружки без ухудшения геометрии и качества обработанной поверхности, защищенное авторским свидетельством (АС N 1 634 372).

Практическая ценность.

1. Предложено технологическое решение задачи отвода стружки при срезании грата, образующегося на внутренней поверхности трубных заготовок при производстве труб малого и среднего диаметра (менее 4 0 мм) из особо вязких материалов. Даны рекомендации по геометрии режущего инструмента, обеспечивающего получение стружки в виде прямой непрерывной ленты.

2. Разработана конструктивная схема модернизации трубоэлектросварочного агрегата путем введения специального устройства для автоматизированного удаления стружки из внутренней полости трубы.

3. Разработан инструмент по АС N 1 634 372 для реализации предложенного способа фрагментирования стружки при срезании грата на наружной поверхности труб.

Реализация работы. Результаты работы представляют практическую ценность для АО «Кировский завод ОЦМ», выпускающего трубы малого и среднего диаметра из меди и ее сплавов. Конструктивная схема модернизации трубоэлектросварочного агрегата и технологическое решение задачи удаления и отвода стружки переданы на указанное предприятие.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на ежеквартальных семинарах аспирантов ОАО «ЭНИМС» 1996;1998 г., на региональной научно-технической конференции «Наука-производство-технология-экология» (Киров, 1998) и на 3-й международной научно-технической конференция «Проблемы повышения качества промышленной продукции» (Брянск, -1998).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 1 Авторское свидетельство.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. В результате обзора и анализа теоретических исследований формообразования и, в частности, завивания сливной стружки выявлено, что предлагаемые авторами модели не дают ясного представления о природе явления, что является следствием отсутствия объяснения причин неравномерности деформирования по толщине стружки, подтверждаемых экспериментальными данными.

2. Положенные в основу исследования современные представления о резании, как процессе внецентренного сжатия (а не сдвига), а также концепция деформирования и разрушения материальных тел, предложенные В. А. Кудиновым, позволили обосновать причины неравномерности пластического деформирования по поперечному сечению стружки. Установлено, что такая неравномерность отражает неравномерность деформаций сжатия (а не сдвига), вызванную характером нагружения при внецентренном сжатии деформируемого объема, а также локальность определяемую спецификой процесса пластического деформирования.

3. Предложена качественная модель формирования отводимой стружки — модель баланса остаточных деформаций (напряжений). В соответствии с этой моделью образовавшиеся в результате пластического деформирования остаточные деформации, неравномерно размещенные по поперечному сечению, изменяют продольную форму стружки так, что векторная сумма остаточных напряжений становится равной нулю.

4. Определены условия получения прямой незавивающейся стружки, заключающиеся в создании дополнительного сжатия ее прирезцовой части. Такое сжатие возможно при наличии дополнительной передней поверхности с малым (в том числе отрицательным передним углом) и отсутствии нароста.

5. Установлено, что стружка получается прямой при наличии дополнительной передней поверхности протяженностью близкой к толщине срезаемого слоя.

6. Установлены условия фрагментирования стружки при циклическом принудительном изменении переднего угла в процессе резания. Они заключаются в использовании эффекта инерционности процесса пластического деформирования (межатомного замещения) при достаточно быстром изменении схемы нагружения, определяемой величиной переднего угла резца. Определены частотные и амплитудные значения изменения угла.