TOOL HEAD DESIGN FOR A SPECIAL TURNING MACHINE

Full Text

В условиях конкурентной борьбы, c целью сохранения своих позиций на рынке и дальнейшего развития, для обрабатывающих предприятий необходимым условием является повышение производительности труда. Руководством одной из фирм, занимающихся производством оснастки для ремонта автомобилей, с целью увеличения производительности механической обработки и сборки, было принято решение о вложении в НИОКР. С этим предложением оно обратилось к кафедре «Технология машиностроения, станки и инструменты» Самарского государственного технического университета. Одно из технических заданий предполагало одновременную торцовку и проточку с двух сторон осей механизма стяжки груза (см. рис. 1) с производительностью не менее 6 шт/мин. Кроме того, необходимо было предусмотреть возможность переналадки оборудования на оси большего диаметра с одновременной торцовкой и формированием фаски. На вопрос кафедры, не лучше ли было приобрести для этих целей готовое оборудование (например, токарно-подрезной автомат), фирма сослалась на дороговизну последнего. Перед автором статьи была поставлена цель - спроектировать инструментальную оснастку для специального токарного автомата модели 298, создаваемого кафедрой. Сложность заключалась в заданной кинематике станка: имелась возможность использования только осевой подачи и вращения инструмента, причём с частотой, не превышающей 500 мин-1. Заготовка при этом зажималась в призме. Очень привлекательной была идея для выполнения поставленной задачи приспособить стандартный инструмент. Для этого предполагалось использование расточной регулируемой головки 3 (см. рис. 2), в которой крепился бы расточной резец 5 и концевая фреза 4 для проточки наружной поверхности и обработки торца детали 1. Однако эта схема является неработоспособной, поскольку фреза, в этом случае, снимает основной припуск вспомогательными кромками, не приспособленными для этого. Кроме того, поскольку фреза здесь вращается вокруг оси расточной головки, а не вокруг своей собственной, часть режущей кромки будет «затирать», а не резать. Вообще от использования фрез решено было отказаться в принципе, вследствие их дороговизны, сложности компоновки с токарным инструментом и отсутствии культуры заточки на предприятии-заказчике. В силу указанных причин, решено было применить исключительно стандартные токарные резцы со сменными многогранными пластинами и спроектировать специальный корпус для их закрепления. Оставался только вопрос об их компоновке. Рассматривался вариант осевой компоновки резцов 1 в корпусе 2 с зажимом винтом 3. Рис. 3. Схема осевой компоновки резцов: 1 - резцы; 2 - корпус; 3 - винт; 4 - деталь Преимуществом данной схемы является использование стандартных резцов без их доработки. Однако следующие недостатки заставили отказаться и от этого варианта: слишком большие габариты в осевом направлении; сложность настройки инструмента на размер; малораспространённость используемых в конструкции подрезных резцов. В итоге был принят вариант более компактной радиальной компоновки резцов. Конструкция спроектированной инструментальной головки представлена на рис. 4. Здесь резцы 1 и 2 зажимаются в корпусе 3 винтами 7. Инструмент устанавливается на станке посредством оправки 4. Для регулирования резцов в радиальном направлении служат винты 6 со стопорными гайками, а в осевом - подкладные пластины 5. Резцы 1 служат для обработки торцов, а 2 - для точения наружных поверхностей. В работе используются две инструментальные головки, позволяющие обрабатывать деталь (рис.1) одновременно с двух сторон. В конструкции головки для торцовки и точения используются доработанные упорные резцы STGCR 1616 H11 ГОСТ 19042-80 (ISO 1832:2004), а для обработки фаски - резцы SSKCR 1616 H09. Доработка заключается в укорачивании державки и прорезки паза. Пластины для упорного резца TCMT110204, а для фасочного - SCGT09T304. Материал пластин - аналог твёрдого сплава ВК8. Резцы со сменными многогранными пластинами (СМП) обладают следующими преимуществами [1, 2, 3]: позволяют осуществлять быструю замену и исключают довольно трудоёмкую операцию заточки; обладают большей надёжностью по сравнению с напайными пластинами за счёт исключения остаточных напряжений, формируемых при пайке; позволяют сохранять износостойкие покрытия и державку. Однако обладают относительно высокой стоимостью. Поэтому при необходимости возможна их замена на составной инструмент: резец упорный отогнутый 2103-1105 Т15К6 ГОСТ 18879-73 и резец проходной отогнутый 2102-1106 Т15К6 ГОСТ 18877-73. Используемая оправка F1-MS3A для крепления инструментальной головки на станке, имеет хвостовик с конусом Морзе №3, размер которого, исходя из выполненных расчётов, достаточен для передачи крутящего момента, необходимого для преодоления сил резания. Преимущество хвостовиков подобного типа заключается в том, что они являются самотормозящими, то есть не требующими дополнительного поджима к конусу шпинделя станка. Для настройки обрабатываемого диаметра заготовки резцы 2 (рис.4) смещаются в радиальном положении. Для их точной настройки на необходимый размер был спроектирован шаблон (см. рис. 5), который диаметром 4 вставляется в осевое отверстие корпуса. Резцы смещаются до касания своими вершинами поверхностей диаметрами 6,1 или 7, в зависимости от необходимого диаметра обработки и фиксируются в этом положении. Для настройки обработки фаски используется другой шаблон схожей конструкции. Рис. 5. Шаблон для настройки диаметра обработки После создания конструкции необходимо было выполнить следующие расчёты. Первое - определить режимы, силы и мощность резания, а также машинное время обработки. Для этого использовалась хорошо зарекомендовавшая себя методика [4]. Так как диаметр обработки (максимум, 12,5 мм) и частота вращения шпинделя очень невелики, то и скорость резания составила не более V=20 м/мин. Чтобы добиться требуемой производительности, необходимо было назначить максимальную, исходя из условия прочности, осевую подачу S=0,25 мм/об. В результате расчётов максимальные значения сил резания из всех возможных вариантов обработки составили: главная составляющая Pz=4713 Н; осевая составляющая Px=7437 Н; радиальная составляющая Py=260 Н. Следует учитывать, что эти силы распределяются на пару резцов (примерно, поровну). Эффективная мощность привода главного движения требуется Nэф≥1,6 КВт, а привода подачи Nэф≥0,02 КВт, что было учтено при конструировании станка. Машинное время обработки составило Tмаш=0,13 мин, что при вспомогательном времени не более Tв=0,03 мин обеспечивает требуемую заказчиком производительность Tц=0,16 мин. Второе - надо было определить, можно ли снимать настроечные винты 6 (рис. 4) перед обработкой или их необходимо оставлять в качестве упора. Для этого была определена сила трения, создаваемая винтами 7 в месте контакта резца с корпусом. Она зависит от максимального усилия прижима винтом, определённого, исходя из предела прочности на разрыв материала винта и коэффициента трения (сталь-сталь). Сила трения составила Ртр=434 Н, что больше радиальной составляющей силы резания Py=129 Н, выталкивающей каждый резец. Следовательно, настроечные винты 6 нет необходимости использовать в качестве постоянного упора в процессе обработки и после настройки можно снимать. Третье - был проведен конечно-элементный анализ инструментальной головки в CAE-модуле, интегрированном в КОМПАС-3D, APM FEM (см. рис. 6). Прочностной расчёт показал, что максимальные напряжения концентрируются на резцах, производящих торцовку оси диаметром 12,5 мм. Они имеют, в основном, изгибающий характер. Их величина составляет 226 МПа, что при допустимых напряжениях на изгиб для стали 45 (нормализация) [σиз]=240 МПа является приемлемым. При использовании закалённых державок резцов, можно увеличить подачу до 0,35 мм/об. Эффективная мощность привода главного движения при этом потребуется Nэф≥2,0 КВт, а время обработки снизится до Tмаш=0,1 мин. После проведения необходимых расчётов были разработаны рабочие чертежи деталей и изготовлены опытные образцы. При изготовлении важно было обеспечить минимальное радиальное и осевое биение режущих кромок резцов. Для этого корпус при окончательной торцовке и обтачивании наружного диаметра базировался посредством оправки 4 (рис. 4) в шпинделе станка через переходную втулку (с третьего на пятый номер конуса Морзе), что позволило совместить конструкторскую и технологическую базу и снизить биение. Затем были проведены лабораторные испытания, показавшие полную функциональную пригодность и надёжность спроектированного инструмента и оборудования. Окончательно был оформлен полный комплект конструкторской и технологической документации, включающий в себя сборочные чертёжи, деталировку, операционный технологический процесс, инструкции по эксплуатации и прочее. Весь пакет документации с опытными образцами был передан заказчику. Персонал фирмы прошёл обучение сотрудниками кафедры. В процессе эксплуатации оборудования осуществлялся авторский надзор. ВЫВОДЫ 1. Выбранная компоновка инструментальной головки с радиально расположенными резцами обеспечивает компактность конструкции. 2. Созданный шаблон позволяет осуществлять настройку инструмента на заданный диаметр обработки. 3. Проведённые расчёты показали следующее: мощность привода главного движения станка должна быть не менее Nэф≥1,6 КВт; машинное время обработки составляет Tмаш=0,13 мин, что при вспомогательном времени не более Tв=0,03 мин обеспечивает заданную производительность; максимальная величина действующих на инструмент нагрузок составляет σиз=226 МПа, что является допустимым для твердого сплава и углеродистой стали, из которой, в основном, изготовлен инструмент. 4. Проведённые испытания показали работоспособность, полную функциональную пригодность и надёжность инструментальной головки.

About the authors

N. B Krotinov

Samara State Technical University

Email: ruslogos@gmail.com
Samara, Russia

References

Supplementary files