Вибрация и прецизионность обработки деталей

Полный текст

Введение. Развитие высоких технологий в процессе активизированного научно-технического прогресса в машиностроении на основе фундаментальных исследований в области механики технологических процессов характеризуется медленными темпами освоения новой техники и выпуска конкурентоспособной продукции в стране вследствие ряда причин, одной из которых является слабая материальная база машиностроительного производства. Отсутствие специализированных КБ и НИИ, нацеленных на разработку и оснащение производства прогрессивными видами режущего инструмента и прецизионными технологическими машинами, не компенсируется единичными работами вузовских исследований. Такое положение заметно тормозит темпы развития отечественной экономики и отличается от практики и методов постановки на производство новой продукции в странах - мировых лидерах: Германии, Японии, США. Потеря технологической независимости в производстве продукции машиностроения, как известно, оборачивается существенными убытками в создании и накоплении национального дохода и валового национального продукта. Кроме того, наметилось отставание в исследованиях по динамике и вибрации станков, о чем свидетельствуют малочисленные отечественные публикации по тематике технологии станкостроения в отличие от зарубежных фирм DMG и HAAS [1-4]. И это, когда в мире производства рабочих машин на порядок возросли требования к их прецизионности, надежности и безопасности. В существующей классификации рабочих машин, предложенной Институтом машиноведения Академии наук, важное место занимают отраслевые технологические машины, в частности станки, работающие с лезвийным режущим инструментом. Процесс резания в этих машинах сопровождается поперечной и угловой вибрацией, снижающей эффективность труда по обеспечению точности и прецизионности, надежности и производительности. Существующая практика механической обработки заготовок в первом случае направлена на снижение вредного влияния явления вибрации, а во втором - положительного её использования в финишных операциях формообразования деталей [5]. Снижение амплитуд вибрации в операциях точения и фрезерования в технологических процессах формообразования контура детали лезвийным инструментом является предпочтительным в развитии современного машиностроения. 1. Принципы возникновения вибрации в технологических машинах. Известно, что из широкого перечня вибрационных процессов, сопровождающих резание, поперечные и угловые колебания - главные составляющие, понижающие эффективность технологических машин. Причиной такого положения являются нелинейность кинематических траекторий движения механизмов рабочей машины, проявление погрешности изготовления базовых механизмов и неуравновешенности подвижных масс [1; 6]. Основную группу факторов, способствующих возникновению вибрации в технологических машинах, составляют [7] : - дисбаланс роторов механизмов главного и вспомогательного движения, входящих в кинематическую цепь рабочей машины; - силы трения в кинематических парах при падающей зависимости их от скорости, что в отдельных случаях сопровождается акустическим явлением с изменяющимся звуковым давлением; - силы фрикционного трения сливной и элементной стружки о переднюю грань режущего инструмента и поверхность заготовки; - координатные связи упругих деформаций динамической системы с параметрами резания и вариациями зазоров в парах трения; - различие в процессах вязкого и хрупкого разрушения при резании. Так, распространение вязкой микротрещины резания сопровождается затратой энергии при стружкообразовании, подводимой к режущему инструменту и предмету труда, а хрупкая микротрещина резания распространяется за счет освобождения запасенной энергии с сопровождением пластического течения материала впереди головки трещины. Например, известно, что возникновение трещины длиной 2с приводит к освобождению упругой энергии, определяемой функцией приведенной силы [8] А = л-с2-(с2 / E), где с - половина длины трещины; с - предел прочности материала; Е - модуль упругости. При взаимодействии дислокаций в материале в процессе внедрения резца в массив заготовки в форме клина, в экстремальных точках создаются условия для возникновения микротрещин на уровне молекул. Особенно такое явление наблюдается при повышенных амплитудах колебаний атомов, сопровождаемых торможением движения свободных валентных электронов термоЭДС с падением их скорости [9; 10]. Известно [7; 11], что вариация расстояния между атомными плоскостями и изменение силы межатомной связи описываются нелинейными законами микромеханики прочности и разрушения. При приложении нагрузки к твердому телу в процессе механической обработки расстояние между атомами меняется в зависимости от силы межатомной связи и приложенной нагрузки. Имеется ряд исследований, утверждающих о влиянии потока коллективизированных электронов термоЭДС на изменение силы сопротивления резанию при обработке вязких металлических материалов, протекающего от режущего инструмента к заготовке или в обратном направлении в зависимости от ряда активности металлов [5; 7; 9; 12]. При этом межатомные взаимодействия в материале заготовки не превышают 90 кДж/моль, например, при массе молекулы стали марки 30ХГСА порядка 910-26 кг и размере её не выше 2,2510-10 м, при радиусе заострения вершины резца в пределах (12-16)10-6 м, обеспечивающего стружкообразование. При волновом потоке коллективизированных внешних электронов термоЭДС между резцом и заготовкой, движущихся со средней скоростью 5 106 м/с, происходит приращение амплитуд колебаний атомов в материалах заготовки и режущего инструмента 244 Технологические процессы и материалы в пределах 10-3 нм при частоте 10 ТГц. При этом увеличивается сопротивление резанию за счет частичного прерывания потока валентных электронов. Такие явления способствуют прохождению акустических волн при резании и раскачиванию микролибрации пары «резец-заготовка» и началу вибрирования технологической системы [13-15]. Создание оптимальных условий работы средств технологического оснащения обеспечивает рост точности, качества и производительности, эффективности механической обработки. Уместно отметить то, что сдерживающим фактором, кроме вибрации в освоении высокой технологии, является низкая стойкость режущего инструмента, требующего нового подхода как к конструированию, так и к технологии его производства и эксплуатации. 2. Расточная оправка с демпфированием колебательных процессов. В практике механической обработки используют специальные конструкции режущего инструмента для демпфирования как поперечной, так и угловой вибрации. Для снижения амплитуд вибрации технологической системы при резании и повышения сопротивления динамической системы используют устройства гашения вибрации и ударного рассеивающего действия. Учитывая анализ существующих разработок в области режущего инструмента, в работе предлагается новая конструкция расточной оправки с демпфирующим элементом [16]. Расточная оправка, представленная на рисунке, состоит из корпуса 1 с осевым отверстием, в котором установлен виброгаситель 2, и резцовой головки 3 с режущей пластиной 4 типа CNMG, SNMG или ССМТ, CNGA. Виброгаситель 2 состоит из шпильки 5, имеющей отверстие под смазочно-охлаждающую жидкость и на концах резьбу для установки упорного кольца с резьбой 6, кольца из жесткой резины 7, задней резьбовой втулки 8, цилиндра 9, имеющего осевую кольцевую полость, внутри которой размещены металлические стержни 10 из материала, плотность которого превышает плотность материала корпуса, сориентированные вдоль оси цилиндра, а свободное пространство между стержнями заполнено микропорошком 11. Торцевые поверхности цилиндра 9 герметично ограничены упорными втулками 12, контактирующими с резиновыми подушками 13, выполненными из мягкой резины. Виброгаситель зафиксирован в корпусе 1 базовой втулкой 14. Резцовая головка 3 крепится к базовой втулке 14 тремя винтами 15. Базовая втулка 14 фиксируется в корпусе 1 двумя диаметральными шпильками. На плоскостях контакта резцовой головки 3 с базовой втулкой 14 выполнены насечки. Координатная привязка расточной оправки в станке выполнена: продольное сечение по горизонтальной оси Z, поперечное сечение по горизонтальной оси X и вертикальной Y, в соответствии с рекомендациями ISO 841:2001. Расточная оправка работает следующим образом. В процессе точения на расточную оправку действует сила сопротивления резанию, которая способствует деформации и изгибу оправки и одновременному прогибу и повороту стержней из металла, плотность которого выше плотности материала корпуса, при этом увеличивается коэффициент сопротивления упругой системы, приводящий к снижению амплитуды вибрации расточной оправки. Расточная головка с виброгасителем представленной конструкции обеспечивает увеличение массы, осевое смещение центра тяжести расточной оправки и приближение его к плоскости резания. В результате чего происходит изменение собственной частоты расточной оправки и стабилизация вибрационного процесса в переходном и резонансном режимах работы. Поглощение и рассеяние энергии колебательного процесса осуществляется в следующих парах трения: стержни 10 из материала повышенной плотности -микропорошок 11, резцовая головка 3 - базовая втулка 14. Кроме того, снижение амплитуды вибрации происходит в кольце из жесткой резины 12 и резиновых подушках 13 из мягкой резины. Расточная оправка с демпфирующим элементом 245 Вестник СибГАУ. 2014. № 4(56) Коэффициент передачи виброускорения от расточной оправки к заготовке в процессе растачивания отверстия снижается вследствие действия виброгасителя и наличия регламентного смещения центра тяжести оправки по оси Z. Кроме того, центр тяжести расточной оправки смещен по: - горизонтальной оси Х на величину, определяемую по формуле dx = ц-g/p2, где ц - коэффициент Пуассона обрабатываемого материала; g - ускорение земного притяжения; p - собственная поперечная частота оправки; - вертикальной оси Y на величину, рассчитываемую по формуле dy = r-g/œ2, где r = a / j - коэффициент корреляции; a - ударная вязкость обрабатываемого материала, Дж/м2; j - жесткость расточной оправки, Н/м; œ - вынужденная частота оправки. Величина превышения лезвия расточной оправки по оси Y определяется при настройке станка по функции y = PL3 / 3EI, где P - средняя сила сопротивления резанию; L -длина вылета оправки; E - модуль Юнга; I - осевой момент инерции сечения оправки. 3. Экспериментальные исследования процесса резания конструкционных сталей. Экспериментальные исследования сравнительной оценки расточной оправки выполнялись при растачивании трубы диаметром 128 мм с толщиной 14 мм из стали марки 30ХГСА твердостью 38 HRC при подаче s = 0,12 мм/об, частоте вращения n = 150 мин1, длине вылета оправки L1 = 185 мм, на обрабатывающем центре токарной группы прецизионного класса модели SL20HE фирмы HAAS. Измерение пиковой амплитуды виброускорения в процессе растачивания осуществлялось сертифицированным акселерометром с метрологической поверкой модели АТТ-9002 с датчиком, расположенным в зоне базирования оправки в гнезде револьверной головки. Инструментально измеренные пиковые амплитуды виброускорения при глубине точения 1,5 мм в первой серии эксперимента для новой оправки составили: Av = 13, 16, 19, 24 м/с2 при загрузке станка по мощности 0,23 со среднеарифметическим значением Av = 18 м/с2; а во второй серии: Av1 = 8, 9, 10, 11 м/с2 при загрузке 0,13 со средним значением Avi = 9,5 м/с2. Для типовой оправки при загрузке станка 0,23 измеренная амплитуда виброускорения составила Av0 = 31, 53, 68, 78 м/с2 при среднем значении 57,5 м/с2, что в 3 раза больше значения, полученного для экспериментальной расточной оправки. При чистовом точении наблюдалось снижение амплитуд вибрации до 6 раз. Контрольная оценка шероховатости проводилась по параметру Ra c использованием прибора TR220, которая составила 2,193 мкм при точении типовой оправкой и 1,184 мкм при обработке предложенной оправкой, что лучше в 1,85 раза. Технический результат от использования расточной оправки: расширение номенклатуры и размеров деталей, повышение качества и производительности точения длинномерных деталей в виде тонкостенных труб, увеличение стойкости режущего инструмента. Эффективность разработанной расточной оправки в операции точения обеспечивается: - использованием демпфирующего устройства с дополнительной массой, расположенной внутри расточной оправки; - регулированием потока коллективизированных электронов; - наличием сменных головок под различные виды режущих пластин по стандартам ИСО; - отсутствием дополнительной регулировки частоты колебания; - наличием подвода охлаждающей жидкости в непосредственную зону резанья; - концентрацией массы, создающей эффект гашения вибрации в зоне резанья процесса формообразования заданной поверхности. Заключение. Выполненные исследования показали перспективность использования созданной конструкции расточной оправки с демпфирующим элементом в операциях прецизионной механической обработки материалов повышенной прочности и вязкости. Отличительными особенностями оправки, кроме конструктивных, является её способность ограничивать поток коллективизированных электронов термоЭДС в процессе точения конструкционных легированных сталей, что позволяет уменьшить сопротивление резанию. Одна из модификаций расточной оправки с демпфирующим элементом внедрена на базовом предприятии. Новая конструкция расточной оправки дает возможность использования режимов резания со скоростью рабочей подачи порядка 12 м/мин, что в 5-6 раз превышает существующие режимы прецизионного точения конструкционных легированных сталей в процессах типовой технологии.

Об авторах

Елена Владимировна Раменская

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: lena@kraslan.ru
кандидат технических наук, доцент кафедры технологии машиностроения

Юрий Александрович Филиппов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

доктор технических наук, профессор кафедры технологии машиностроения

Денис Валерьевич Латюк

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

аспирант кафедры технологии машиностроения

Список литературы

Дополнительные файлы