INFLUENCE OF CINEMATIC AND TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF ROTARY TURNING BY MULTIFACETED CUTTERS ON CHIP FORMATION AND SURFACE ROUGHNESS

全文:

Введение. В области обработки материалов реза- нием наиболее широко применяются следующие методы: вершинными резцами, безвершинными рез- цами, ротационными с самовращением или с прину- дительным вращением. Каждый из указанных методов имеет свои рациональные области применения [1-4]. Однако эти традиционные методы механической об- работки имеют существенные ограничения при обра- ботке труднодеформируемых материалов, вызванные недостаточной стойкостью режущего инструмента вследствие образования сливной стружки, что приво- дит к перегреву инструмента и заготовки, требует использования дорогостоящих и токсичных СОТС. Это не позволяет применять высокие скорости реза- ния, снижает производительность процессов, особен- но при обработке крупногабаритных валов, и требует разработки альтернативных по кинематике методов формообразования. Метод ротационного точения многогранными резцами является перспективным способом обработки вязких, сложнолегированных, труднодеформируемых сталей и сплавов, в том числе на основе титана, широко используемых в аэрокосми- ческом и транспортном машиностроении. Несмотря на значительный объем публикаций в области ротационного точения, разработанный в Политехническом институте СФУ принципиально новый по кинематике метод ротационного точения многогранными резцами (РТМР) [5; 6] остается край- не мало изученным как теоретически, так и экспери- ментально. Поэтому для развития и практической реализации этого метода необходимо проведение комплекса теоретических и экспериментальных ис- следований по оптимизации геометрических и кине- матических параметров, определению режимов РТМР, которые обеспечивают высокую производительность и одновременно требуемое качество обработанной поверхности. Методика и аппаратура исследований. Экспе- риментальные исследования проводились на токарноисходными для выбора режимов резания и геометрии инструмента. В формировании обрабатываемой по- верхности участвуют три движения: главное движе- ние (вращение инструмента) Vp, прямолинейное дви- жение, или продольная подача Sпp, и дополнительное движение, или круговая подача (вращение заготовки) Sкр (рис. 1). Многогранный резец 1 совершает прину- дительное вращение вокруг своей оси со скоростью Vp относительно вращающейся заготовки 2, в то же время инструменту сообщается прямолинейное движение вдоль оси заготовки - продольная подача Sпр. При этом ось вращения инструмента устанавливается пер- пендикулярно оси вращения заготовки и находится на линии оси центров. Подробно кинематика процесса РТМР, влияния геометрических и технологических параметров на характер процессов формообразования представлена в работах [10-13]. Ротационный резец 1 представляет собой много- гранное тело чашечной формы с посадочным отвер- стием и режущей частью, состоящей из N режущих лезвий. Каждое лезвие содержит заднюю и переднюю поверхности, которые образуют между собой прямо- линейную режущую кромку. Сформированные на каж- дом лезвии режущие кромки, размещенные в плоско- сти, перпендикулярной оси вращения ротационного резца, образуют режущий многоугольник. Главным движением является вращение инструмента, причем скорость вращения инструмента должна быть как ми- нимум на порядок больше скорости вращения заго- товки [8; 10; 12]. Схема обработки многогранным ротационным резцом приведена на рис. 1. Обработка ротационным резцом производится таким образом, что основная деформация (которая является результатом сложного напряженного со- стояния и сочетания различных формообразующих движений РТМР) снимаемого слоя в виде стружки реализуется вдоль режущей кромки резца, при этом суммарная подача на грань профиля резца опреде- ляется [7; 8; 13; 14] как винторезном станке повышенной точности ИЖ250ИТВМ.Ф1 с применением инструментального Sгр = . (1) модуля для ротационного точения. При проведении экспериментальных исследований влияния режимов резания на параметры шероховатости использовались Продольная подача на грань резца определяется, но формуле оправки с образцами из стали 45 и сплава Д16. S = Sпр ст × nз , (2) На основании анализа однофакторных экспериментов (проведенных ранее [7-9]) были выбраны уровни пргр np × N варьирования независимых переменных для дальней- ших экспериментальных исследований по плану где Sпрст - продольная подача резца на оборот обра- ПЭФ: Sпрст = 0,04-1,2 мм/об; Sкр = 7,85-25 м/мин; батываемого вала, мм/об; nз - число оборотов заготовки, об/мин; np - число оборотов инструмента, Vр = 310-933 м/мин; t = 0,1-1 мм. Качество обработанной поверхности образцов оценивалось по трем высотным параметрам шероховатости Ra, Rz, Rmax на об/мин; N - число граней профиля резца. Круговая подача на грань резца находится по фор- муле профилометре-профилографе модели MarSurf M300, S = p× d3 × n3 , (3) диапазон измерений 350 мкм (от -200 до +150 мкм). Анализ микроструктуры образцов и морфологии кргр np × N стружки проводился на растровом электронном мик- роскопе HITACHI TM 1000 и растровом электронном микроскопе JEOL JSM-7001F. Результаты и обсуждение. Кинематические параметры процесса ротационного точения опреде- ляют его основные особенности и закономерности, условия стружкообразования, качество обработки, работоспособность режущего инструмента, являются где d3 - диаметр заготовки, мм. Из анализа кинематики процесса РТМР следует, что срез снимаемого слоя материала заготовки гене- рируется в виде отдельных элементов стружки клино- вого типа (рис. 1, 2). Размер и форму элементарных стружек можно охарактеризовать тремя параметрами: шириной B, толщиной t и длиной L (рис. 2). Рис. 1. Кинематическая схема обработки многогранным ротационным резцом Fig. 1. Kinematic scheme of roughing by multisided rotating cutting bit а б Рис. 2. Форма и размеры сечения элементарных стружек формирующихся при РТМР: а - теоретическая схема; б - реальная структура, сегментов стружки Fig. 2. Shape and sizes of section of common cuts formed under rotary turning operation of multisided rotating cutting bit: a - theoretical scheme; b - real structure of cuts segment Ширина стружки определяется по формуле диус обработанной заготовки, мм; k - угол между Длина стружки: В = 2Sпргр . (4) осью центров и прямой к точке контакта режущей кромки и обрабатываемой поверхности. Высотные и угловые размеры снимаемого слоя L = 2Sкргр + lt , (5) материала и размеры остаточных микронеровностей поверхности могут быть определены на основании где lt - длина участка, зависящая от глубины реза- ния, мм. Длина участка, зависящая от глубины резания, определяется по формуле схемы контактного взаимодействия «инструмент- заготовка» (рис. 3). Угол между осью центров и прямой к точке кон- такта режущей кромки и обрабатываемой поверхно- сти находится по формуле lt = - Sкpгр . (6) cos k max = rmax - В . r (8) Толщина стружки: t = tст - Dh = tст - - + Rдmin , (7) max Так как при данном методе возникает прерыви- стость резания на участке режущей кромки с убы- вающим радиусом-вектором, то возможно возникногде t - глубина резания в каждом положении режущей кромки, находящейся в зоне резания, мм; tст - глуби- на резания в плоскости оси центров, мм; Dh - высота возможных остаточных неровностей, мм; Rд min - равение кинематической волнистости. Для исключения ее формирования необходимо значения продольной и круговой подач назначить в зависимости от глуби- ны резания, количества граней, диаметра и числа обо- ротов ротационного резца. Рис. 3. Схема формирования микропрофиля поверхности при РТМР Fig. 3. Scheme of formation of microprofile of surface under rotary turning operation of multisided rotating cutting bit Во избежание возникновения кинематической волнистости необходимо круговую подачу назначать с учетом следующих рекомендаций: предыдущим лезвием; Pk - площадь среза, возни- кающая за счет конструктивной подачи. Угол треугольника ( jГВ ) на главном виде опредеl = R2 - ( R - t )2 ; (9) ляется по формуле t max з з cт l ³ S + l , (10) cos jГВ = (rmax - B) , (14) t max кргр t 2 rmax где lt max - высота выхода режущего лезвия из зоны где В - ширина срезаемого слоя; rmax - максимальрезания относительно плоскости центров, мм; R3 радиус обрабатываемой заготовки, мм. Круговая подача назначается исходя из следую- щей зависимости: ный радиус-вектор контура режущей кромки. В свою очередь, площадь необработанной части треугольника ( РDГВ ) может быть определена как Р = 1 × ( L + l )×(r - B). (15) Sкр = max = (11) DГВ 2 t max Площадь участка, обработанного предыдущим лезвием, определяется выражением При известной круговой подаче необходимо вычислить продольную подачу, которая определяется из следующего соотношения: Р = 1 × S 2 пp гр × Sкp гр . (16) Sпрmin = rmax - . (12) Площадь конструктивного участка определяется по формуле При выполнении данных условий глубина необра- батываемого при РТМР участка поверхности детали Р = 1 × S k 2 пp × lt . (17) будет являться основным показателем, влияющим на качество обрабатываемой поверхности. Из приведенной схемы (рис. 2, 3) видно, что толщина стружки Действительная площадь среза ( Pдей ВС ): p× R32 является величиной переменной и изменяется от 0 до величины, равной глубине резания. Pдей ВС = 360 ×jВС - PDВС , (18) Для определения влияния на площадь среза углов инструмента, диаметра режущих граней и режимов где jВС - угол треугольника. Угол треугольника jВС (рис. 4) определяется как резания необходимо оценить действительную пло- щадь среза (рис. 1, 2). Действительная площадь среза jВС = jВС1 + j ВС 2 , (19) при РТМР можно определить из построений (см. рис. 1) где jВС1 - угол треугольника над высотой центров; по формуле p×r 2 jВС 2 - угол треугольника ниже высоты центров. PдейГВ = max ×jГВ - PDГВ - P - Pk , 360 (13) Угол треугольника ( jВС1 ) над высотой центров определяется по формуле где jГВ - угол треугольника на главном виде; PDГВ - площадь необрабатываемой части треугольника на главном виде; Р - площадь участка обработанного tg jВС1 = Sкp + lt . Rд min (20) Рис. 4. Схема изменения толщины стружки Fig. 4. Scheme of measuring of cuts thickness Рис. 5. Стальная стружка в виде полых сфер Fig. 5. Steel cuts in the form of hollow spheres Угол треугольника ( jВС 2 ) ниже высоты центров определяется как Sкp ний, приведенных выше, и электронно-микроскопи- ческое изображение элемента реальной стружки, полученной при РТМР при тех же геометрических R tg jВС 2 = ; д min (21) параметрах и режимах резания, наглядно подтвер- ждают адекватность разработанных кинематических Площадь необработанной части треугольника на виде сбоку определяется выражением и геометрических моделей. Проведённые оценки средних размеров элементов стружки (рис. 5) под- тверждают, что метод РТМР обеспечивает формиро- Р = 1 (2S + l )×( R - t ), (22) вание мелкодробленой стружки с размерами не более DВС 2 кp t 3 cт 300 мкм, что способствует гарантированному удалегде R3 - радиус заготовки. Из приведенных формул следует, что с возраста- нием численных значений подач глубины резания и диаметра обрабатываемой заготовки пропорцио- нально увеличивается площадь среза. Изменение диаметра многогранного резца, а также изменение инструментальных углов на площадь среза значи- тельного влияния не окажут. Форма сечения и размеры образующейся стружки, вычисленные на основании аналитических выражению ее из зоны резания, создает благоприятные тем- пературные условия на поверхностях инструмента и заготовки. Естественно, все эти факторы снижают интенсивность износа режущих кромок, повышают качество обработанной поверхности. Качество обработанной поверхности определяется шероховатостью поверхности и состоянием материа- ла поверхностного слоя (однородность структуры, отсутствие окалины, степень наклепа, остаточных напряжений, глубины дефектного слоя). На основании полученных аналитических расчетных формул (7)-(12) для определения размеров срезаемого слоя при РТМР Круговая подача на грань резца может быть опре- делена как можно произвести соответствующие кинематические и геометрические преобразования для определения Sкргр = rmax · sin kmax . (26) расчетных формул по основным высотным параметрам шероховатости при РТМР. Микронеровности поверхности могут быть определены исходя из гео- Число оборотов заготовки рассчитывается по формуле 3 Sкр гр × np × N метрических построений (см. рис. 3). При этом необ- ходимо соблюдать несколько условий и допущений: nз = p× d . (27) обрабатываемый материал (материал заготовки) абсо- лютно недеформируемый; технологическая система Число оборотов инструмента назначается, исходя из соотношения абсолютно жесткая; лезвие инструмента и форма n = p× dз × nз . (28) р профиля заготовки представляют собой геометриче- ские линии. Расчетный микропрофиль цилиндрической по- верхности обрабатываемой РТМР изображен на рис. 3. Высота расчетных неровностей ∆h может быть опре- делена по формуле Sкр гр × N Из анализа проведенных ранее исследований [15-17] следует, что эксплуатационные свойства, а также многие характеристики качества поверхности зависят от технологических методов и условий механической Dh = - Rдmin. (23) обработки. Продольная подача на грань резца определяется как Качество обрабатываемой (образовывающейся) поверхности зависит от многих технологических Sпргр = В/2. (24) параметров обработки при РТМР (режимы резания, Продольная подача резца на оборот обрабатывае- мого вала рассчитывается по формуле Sпргр × np × N геометрические параметры режущего инструмента, кинематика ротационного точения многогранными резцами и др.). На рис. 6 приведены зависимости шероховатости поверхности от параметров режимов n Sпр ст = . з (25) резания. а б в г Рис. 6. Влияние режимов резания на шероховатость поверхности: а - глубины резания t; б - продольной подачи Sпр; в - круговой подачи Sкр; г - скорости резания Vр Fig. 6. Influence of cutting conditions on the roughness of surface: a - cut amount, t; b - length feed, Sпр; c - rotary feed, Sкр; d - cut speed, Vр На основе обработки экспериментальных данных получены полуэмпирические зависимости параметров шероховатости обработанной поверхности от режи- мов резания: S 0,2701 × S 0,4679 4. Грановский Г. И. Кинематика резания. М. : Машгиз, 1948. 201 с. 5. Способ лезвийной обработки валов с профилем «равноосный контур» : а. с. 1126375 CCCР : МКИ3 В 23 В 1/00 / Э. В. Рыжов, Н. С. Индаков, Э. А. Пет- Ra = 6, 01 Rz = 41, 52 пр кр ; p V 0,3081 × t0,0548 S × S 0,2471 0,3583 пр кр ; p V 0,3733 × t0,0721 (29) (30) ровский и др. Опубл. 30.11.1984. 6. Индаков Н. С. Чистовое точение РК - профиль- ных валов многогранными ротационными резцами // Вестник машиностроения. 1991. № 1. С. 64-65. 7. Indakov N. S., Binchurov A. S. Turning by multifaceted cutters // Russian Engineering Rmax = 251,89 S 0,2208 × S 0,594 × t0,02 V пр кр 0,6775 . p (31) Research. 2014. Vol. 34, No. 1. Рp. 52-54. DOI: 10.3103/S1068798X14010080. 8. Индаков Н. С., Бинчуров А. С. Исследование ме- Наибольшее влияние на формирование высотных тода ротационного точения многогранными резцами // параметров шероховатости Ra , Rz , Rmax оказывают Станки инструмент (СТИН). 2013. № 6. С. 21-24. круговая подача Sкр и скорость резания Vp, чуть менее 9. Indakov N. S., Binchurov A. S. Geometry of Multifaceted Rotary Cutters // Russian значимым фактором является продольная подача Sпр . Глубина резания t РТМР практически не оказывает существенного влияния на изменение параметров шероховатости. Доминирующее влияние на шаг микронеровности на уровне средней линии Sm оказывает круговая пода- ча Sкр и скорость главного движения Vp . Значимым параметром, влияющим на шаг микронеровности на уровне средней линии Sm, является также продольная подача Sпр . Относительная опорная длина профиля на уровне средней линии tm увеличивается с ростом скорости главного движения Vp и уменьшается с уве- личением круговой и продольной подач Sкр. Заключение. Применение ротационного точения многогранными резцами для изготовления деталей типа вала подтверждает эффективность использования предложенного метода обработки, который позволяет уменьшить количество технологических переходов, уменьшить влияние износа инструмента на точность и качество обрабатываемых поверхностей, снизить основное технологическое время. Кинематика про- цесса резания обеспечивает гарантированное дробле- ние стружки и ее отвод из зоны резания, что благо- приятно сказывается на условиях работы режущей части инструмента, кроме того, снижается интенсив- ность теплового износа и обеспечивается требуемое качество обработки поверхности.

作者简介

N. Indakov

Siberian Federal University

Email: mexanixs@mail.ru
79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

Yu. Gordeev

Siberian Federal University

79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

A. Binchurov

Siberian Federal University

79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

D. Kiselev

Siberian Federal University

79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

V. Jasinski

Siberian Federal University

79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

参考

补充文件