Прогрессивные конструкции сменных многогранных пластин для чистового точения пластичных материалов

В современном производстве при организации процесса механической обработки пластичных материалов возникает проблема обеспечения дробления стружки при достижения требуемого качества обработанной поверхности [1 — 4]. Использование в современном машиностроительном производстве высокоточного автоматизированного металлорежущего оборудования повышает требования к инструментальной оснастке [5 — 6]. Именно возможности инструмента и определяют эффективность эксплуатации дорогостоящих станков и обрабатывающих центров [7 — 8]. В свою очередь повышение точности заготовительного производства влечет за собой возрастание роли чистовых лезвийных операций [2 — 3, 5, 8 — 9]. Решение приоритетной задачи обеспечения качества обработанной поверхности должно сочетаться с поиском оптимального решения задач повышения производительности и снижения себестоимости процесса обработки [10 — 13].

В условиях чистового точения инструмент работает с высокими скоростями резания и небольшими сечениями срезаемого слоя. Стружка формируется при высокой температуре и имеет малую жесткость витка, что еще более затрудняет ее дробление [5]. Непрерывная стружка не позволяет автоматизировать операции установки, обработки и контроля, препятствует механизации вспомогательных процессов ее уборки и транспортировки, является причиной поломок инструмента и снижения качества обработанной поверхности изделия, а также может стать потенциальным источником травматизма обслуживающего персонала [1,5].

Из множества способов дробления стружки наиболее простым и в полной мере эффективным является способ дробления за счет использования инструментов, оснащенных специальными сменными многогранными пластинами (СМИ), получивший широкое распространение за рубежом [3]. Современный уровень развития технологии изготовления твердосплавных инструментов предоставляет возможность проектировать рабочие поверхности СМП любой формы [14]. Однако разнообразие конструкций СМП у зарубежных фирм-изготовителей указывает на то, что нет единого взгляда на процесс стружкодробления и общего теоретического обоснования их проектирования [5].

Техническая информация, которой сопровождают свою продукцию зарубежные фирмы-изготовители, носит рекомендательный и, в большей степени, рекламный характер, что не позволяет достоверно оценивать эксплуатационные возможности предлагаемых СМП. Использование универсальных конструкций СМП, предлагаемых фирмами-изготовителями для широкого диапазона обрабатываемых материалов, во многих случаях не обеспечивают желаемого результата [5]. В свою очередь методики проектирования режущих поверхностей СМП являются промышленными секретами зарубежных фирм изготовителей [8].

В результате отечественные машиностроительные предприятия, в том числе военно-промышленного комплекса, могут оказаться в полной зависимости от импортного инструмента. Поэтому совершенствование существующих и разработка импортозамещающих конструкций СМП с рациональной формой передней поверхности и режущей кромки, а также методик их проектирования является актуальной научной и практической задачей.

В первом разделе рассмотрены основные этапы развития и состояние задачи повышения эффективности процесса чистового точения в условия современного производства. Показано, что особенностью современного машиностроения является резкое сокращение жизненного цикла его изделий, которые работают в условиях повышенного износа, что вызывает необходимость использования для их изготовления труднообрабатываемых материалов, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками. Отмечается, что в современном производстве в условиях рыночных отношений, когда доля автоматизированного оборудования: станков с ЧПУ, обрабатывающих центров, постоянно увеличивается, при обработке таких материалов задача получения продукции высокого качества становится все более актуальной. Обосновывается необходимость совершенствования конструкций СМП, как одного из направлений решения перечисленных задач.

Значительный вклад в исследование процесса резания и создание теории проектирования режущих инструментов внесли Бобров В. Ф., Васин С. А. Верещака А.С., Гречишников В. А., Грановский Г. И., Грановский В. Г., Зорев Н. Н., Игошин В. В., Кудинов В. А., Куфарев Г. JI., Кушнер B.C., Иванов В. В., Михайлов С. В., Полетика М. Ф., Розенберг А. М., Хандожко А. В., и др.

Однако остается не решенным круг задач связанных с обоснованием рациональных форм режущей кромки и передней поверхности СМП и определением их характера влияния на взаимосвязь параметров процесса резания: шероховатость обработанной поверхности, виброустойчивость процесса чистового точения, стойкость режущего инструмента, дробление стружки, производительность и себестоимость.

Во второй разделе приводятся результаты теоретического и экспериментального исследований влияния формы режущей кромки на выходные параметры чистового точения.

Рассмотрены варианты исполнения видоизмененной режущей кромки СМП с условным разделением ее по функциональному назначению на формообразующий и переходной участки. Описаны методики проектирования режущих пластин с видоизмененной формой режущей кромки, выполненной по лекальной кривой, сформированной из трех сопряженных дуг окружностей.

Определен характер влияния формы режущей кромки СМП стандартного и не стандартного исполнения на направление схода стружки и геометрические параметры срезаемого слоя. Установлена закономерность влияния величины радиуса при вершине на высоту микронеровностей и обработанной поверхности, производительность чистовой операции и ее виброустойчивость.

Проведен анализ условий работы формообразующего участка режущей кромки стандартного и не стандартного исполнения. Рассмотрены особенности условий работы переходного участка режущей кромки. Установлен характер влияния формы переходного участка режущей кромки на условия стружкообразования и виброустойчивость процесса чистового точения.

На основе анализа полученных результатов установлены закономерности варьирования формой режущей кромки с целью обеспечения режущему инструменту благоприятные условия работы.

Третий раздел посвящен разработке методики проектирования специальных СМП с рациональной формой дискретной режущей кромки с заданным функциональным назначением каждого из ее участков. Описаны условия проведения экспериментальных исследований работоспособности специальных СМП. Обоснован подход к формированию дискретной режущей кромки по функциональному назначению. Рассмотрены конструкции СМП с СМП с рациональной формой дискретной режущей кромки с заданным функциональным назначением каждого из ее участков и разделения припуска для получистовой и чистовой обработки, позволяющих повысить производительность за счет минимизации количества операций, чистовой и финишной обработки, обеспечивающих снижение шероховатости и удаление наклепанного слоя обработанной поверхности, точения с повышенной виброустойчивостью, позволяющая повысить виброустойчивость процесса чистового точения. Проведена экспериментальная проверка работоспособности СМП с дискретной режущей кромкой.

В четвертом разделе рассмотрены особенности процесса проектирования передней поверхности СМП. На основе анализа существующих конструкций СМП обоснована классификация элементарных участков их передней поверхности по функциональному назначению и уточнена систематизация по их форме. Проведены экспериментальные исследования влияния участков передней поверхности СМП на процесс стружкообразования при чистовом точении, а также высоты и местоположения выступа у вершины на величину радиуса витка стружки. Описан характер влияния выступов на форму стружки и параметры ее витка. Изменение составляющих силы резания при взаимодействии стружки со стружкозавивающим элементом обосновывается реализацией различных схем резания, в том числе и с укороченной передней поверхностью.

Пятый раздел посвящен описанию комплексной методике проектирования СМП для чистового точения. Предложен доступный технологический прием, позволяющий управлять параметрами витка стружки и траекторией ее движения, что расширяет диапазон режимов резания с дроблением стружки для существующих конструкций передней поверхности СМП. На основе обобщения полученных результатов компьютерного моделирования и экспериментальных исследований разработана экспресс-методика обоснования рациональной формы передней поверхности СМП с дроблением стружки. В результате использования экспресс — методики устанавливаются параметры скорректированной формы передней поверхности СМП, которая обеспечивает дробление стружки с требуемой формой и параметрами ее элементов.

Комплексная методика включает в себя рекомендации для каждого конкретного случая, позволяющие обосновано выбирать форму режущей кромки СМП для чистового точения, и экспресс-метод проектирования передней поверхности, обеспечивающий гарантируемое дробление стружки.

В заключении приведены основные результаты и сформулированы выводы по работе.

Объектом исследования являются процессы чистового точения, характер изменения выходных характеристик которых связан с варьированием конструктивными параметрами режущего инструмента.

Предметом исследования являются характер влияния формы, местоположения и геометрических параметров стружкозавивающих элементов передней поверхности СМП и формы режущей кромки на процессы формообразования обработанной поверхности, завивания и дробления стружки в условиях чистового точения.

Целью работы является повышение производительности чистового точения пластичных материалов при достижении требуемого качества обработанной поверхности.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Проанализированы условия работы активной части режущей кромки СМП в процессе чистового точения пластичных материалов.

2. Сделана классификация элементарных участков передней поверхности СМП для чистовой обработки по их форме и функциональному назначению.

3. Установлен характер влияния формы, местоположения и геометрических параметров элементов передней поверхности СМП, определяющих процессы завивания и дробления стружки.

•4. Разработана методика проектирования рациональной формы дискретной режущей кромки с заданным функциональным назначением каждого из ее участков.

5. Разработаны практические рекомендации по повышению эксплуатационных характеристик существующих и предлагаемых новых многофункциональных конструкций СМП.

Методы исследования.

Теоретические исследования базируются на основных положениях теории резания металлов и проектирования инструментов, теории пластичности и упругости, методов математического и компьютерного моделирования, дифференциального и интегрального исчисления, теоретической механики. Экспериментальные исследования осуществлялись по стандартным методикам. Исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием промышленного оборудования и современных измерительных средств. Обработка результатов экспериментов проводилась методами математической статистики с применением ЭВМ. Оценка формы стружки и процесса стружкообразования осуществлялась с использованием скоростной видео и фото съемки камерой Nicon coolpix 5700.

Автор защищает:

— классификацию, позволяющую выявить и систематизировать по функциональному назначению элементарные участки (элементы) передней поверхности;

— геометрическую модель стружкозавивающих элементов передней поверхности СМП для чистового точения, устанавливающую их форму и положение с целью управления процессами завивания и дробления стружки;

— метод оценки влияния формы активной части режущей кромки СМП на выходные параметры чистового точения, определяющий местоположение границы разделения припуска на части, одна из которых удаляется в виде стружки, а другая пластически деформируется инструментом;

— методику проектирования СМП, отличающеюся обоснованием рациональной формы дискретной режущей кромки с заданным функциональным назначением каждого из ее участков для конкретных условий лезвийной обработки;

— способ изменения положения стружкозавивающих элементов передней поверхности СМП относительно поперечного сечения срезаемого слоя, обеспечивающий расширение области режимов резания с дроблением стружки и определяющий их положение при разрушении ее витка па элементы требуемой формы и размеров.

— экспресс-метод проектирования передней поверхности СМП, устанавливающий рациональное положение и форму стружкозавивающего элемента, которые обеспечивают для конкретного обрабатываемого материала гарантированное дробление стружки на элементы с заданными формой и размерами.

Научная новизна заключается:

— в теоретическом обосновании формы и местоположения стружкозавивающих элементов передней поверхности СМП для чистового точения, определяющих процесс завивания и дробления стружки;

— в установлении характера и степени влияния расположения границы разделения припуска на части, срезаемые формообразующим участком режущей кромки, одна из которых удаляется в виде стружки, а другая пластически деформируется, на шероховатость обработанной поверхности и износ режущего инструмента;

— в обосновании дискретного исполнения режущей кромки СМП, при ее разделении по функциональному назначению путем изменения формы задней поверхности.

Практическая ценность.

В результате проведенных исследований разработаны:

— практические рекомендации по улучшению эксплуатационных характеристик существующих и новых многофункциональных конструкций СМП для повышения эффективности чистового точения в условиях автоматизированного производства;

— конструкции СМП дискретного исполнения режущей кромки, обеспечивающие повышение производительности лезвийной обработки за счет совмещения чистового точения и другими видами токарной обработки, и повышение стойкости режущего инструмента за счет разделения тепловых потоков.

Реализация работы.

Результаты работы приняты к внедрению на производстве ООО «Щекинский завод РТО». Материалы диссертации используются в учебном процессе в курсах лекций: «Режущий инструмент», «Резание материалов».

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены на Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения С. С. Петрухина (г. Тула, 2003 г.), на Международной юбилейной научно-технической конференции «Наука о резании металлов в современных условиях», посвященной 90-летию со дня рождения В. Ф Боброва (г. Тула, 2005 г.), на Международной юбилейной научно-технической конференции «Инструментальные системы машиностроительных производств», посвященной 105-летию со дня рождения С. С. Петрухина (г. Тула, 2008 г.) а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета.

Публикации.

Основное содержание работы изложено в 9 публикациях, в том числе в 5 в списке включенных в перечень ВАК, объемом 14,4 п.л., из них авторских 4,3 п.л.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 107 наименований. Работа содержит 206 страниц машинописного текста, включая 134 рисунков и 2 таблицы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

В работе решена актуальная научная задача, имеющая важное хозяйственное значение и состоящая в совершенствование существующих и разработке инновационных импортозамещающих конструкций СМП с j рациональными формами передней поверхности и режущей кромки и способов их проектирования.

В процессе компьютерного моделирования, теоретического и экспериментального исследований получены следующие основные результаты и выводы:

1. Установлен характер влияния формы формообразующего и переходного участков активной части режущей кромки на параметры шероховатости обработанной поверхности, производительность чистового точения и процесс дробления стружки.

2. Результаты, полученные при моделировании процесса чистового точения для конкретных значений подачи, формы режущей кромки и радиуса ее округления, резцами, оснащенными СМП с режущей кромкой у вершины выполненной по дуге окружности или по лекальной кривой, позволяют определить положение границы разделения припуска на части, одна из которых удаляется в виде стружки, а другая пластически деформируется инструментом. При этом одновременно установлен характер влияния местоположения этой границы на шероховатость обработанной поверхности и износ режущего инструмента.

3. Разработана методика проектирования многофункциональных СМП с рациональной формой дискретной режущей кромки и заданным функциональным назначением каждого из ее участков, разделяющих припуск для:

— получистовой и чистовой обработки, которые позволяют повысить производительность за счет минимизации количества операций;

— чистовой и финишной обработки, которые обеспечивают снижение шероховатости;

4. Экспериментально установлено, что при использовании СМП с разделением режущей кромки на участки с заданным функциональным назначением и радиусом формообразующего участка первой ступени равным 10 мм в условиях получистовой обработки (со скоростью резания 210 м/мин, подачей 0,39 мм/об и глубиной резания 2 мм) при точении материалов группы Р (сталей 45X1 и 30ХГСА) достигается шероховатость Rzl, 25 и обеспечивается повышение производительности в 2,3 раза по отношению к СМП стандартного исполнения. При работе СМП с двумя ступенями и зачистной режущей кромкой при чистовом точении (со скоростью резания 300 м/мин) материалов группы М (сталей 08Х18Н10Т и ЭИ 654) достигается:

— заданная шероховатость обработанной поверхности при увеличенной в два раза подаче;

— повышение 2,5 раза стойкости чистовой ступени за счет разделения тепловых потоков по отношению к СМП стандартного исполнения.

5. Разработанная классификация позволяет выявить и систематизировать по функциональному назначению элементарные участки (элементы) передней поверхности. Экспериментально установлена зависимость надежности дробления стружки от высоты и местоположения выступа у вершины СМП.

6. Разработан способ изменения положения стружкозавивающих элементов относительно поперечного сечения срезаемого слоя, на основе которого получен новый технологический прием, позволяющий для существующих конструкций СМП расширить область режимов резания с дроблением стружки на элементы требуемой формы и размеров. Это позволяет обеспечить снижение себестоимости технологической операции на 7 — 10% за счет исключения дополнительных затрат на замену инструмента.

7. Разработан экспресс-метод проектирования передней поверхности СМП со стандартным и не стандартным исполнением режущей кромки, позволяющий обеспечить для конкретного обрабатываемого материала гарантированное дробление стружки на элементы с заданными формой и размерами.

8. Результаты теоретических и экспериментальных исследований положены в основу практических рекомендаций по проектированию рациональных форм режущей кромки и передней поверхности СМП с выступом у вершины, обеспечивающей дробление стружки с заданными режимами чистового точения и повышение производительности, что позволяет расширить область использования дорогостоящего оборудования и повысить их эффективность. Результаты данной работы приняты к внедрению на ООО «Щекинский завод РТО».