Содержание к диссертации
Введение
1. Пути повышения эффективности процесса чистового точения 17
1.1. Анализ существующих направлений совершенствования процесса чистового точения 18
1.1.1. Основные требования, предъявляемые к режущим инструментам 18
1.1.2. Задачи повышения эффективности процесса чистового точения и пути их решения 20
1.2. Анализ современных конструкций СМП 28
1.3. Современное состояние проблемы обеспечения дробления стружки 39
1.3.1. Анализ существующих методов дробления стружки 41
1.3.2. Схемы дробления стружки с учетом ее формы и условий контакта с подвижными и не подвижными препятствиями 43
1.3.3. Прогнозирование дробления сливной стружки... 52
1.4. Обоснование цели и задач исследования 58
2. Теоретическое обоснование формы режущей кромки смп для чистовой обработки 61
2.1. Теоретическое и экспериментальное обоснование формы режущей кромки, обусловленной формой передней поверхности 62
2.2. Теоретическое и экспериментальное обоснование формы режущей кромки, обусловленной формой задней поверхности 65
2.2.1. Определение характера и степени влияния формы режущей кромки на направление схода стружки и на параметры срезаемого слоя 66
2.2.2. Варианты исполнения видоизмененной режущей кромки 73
2.2.3. Исследования условий работы формообразующего участка активной части режущей кромки 81
2.2.4. Исследования условий работы переходного участка активной части режущей кромки 92
Выводы по разделу 99
3. Проектирование рациональной формы режущей кромки с разделением ее на участки с заданным функциональным назначением 101
3.1 Условия проведения экспериментального исследования 103
3.2. Конструирование дискретной режущей кромки с заданным функциональным назначением каждого из ее участков 110
3.2.1. Обоснование алгоритма проектирования дискретной режущей кромки 111
3.2.2. Конструкции СМП с дискретной режущей кромкой с заданным функциональным назначением каждого из ее участков.. 120
3.3. Экспериментальные исследования работоспособности СМП с дискретной режущей кромкой с заданным функциональным назначением каждого из ее участков 129
Выводы по разделу 135
4. Исследование характера влияния стружкозавивающих элементов на процесс дробления стружки 136
4.1. Анализ функционального назначения участков передней поверхности СМП 136
4.2. Экспериментальные исследования влияния участков передней поверхности современных конструкций СМП на стружкообразование при чистовом точении 140
4.3. Обоснование геометрических параметров выступов и их размещения относительно вершины СМП 155
4.3.1. Исследование особенностей взаимодействия выступа со стружкой в плоскости перпендикулярной к передней поверхности.. 155
4.3.2.Экспериментальное исследование влияния высоты выступа на радиус витка 159
4.4. Влияние выступов на форму стружки и параметры ее витка 162
Выводы по разделу 170
5. Комплексная методика проектирования смп для чистового точения 171
5.1. Определение рациональной формы режущей кромки 171
5.2. Обоснование технологического приема, обеспечивающего расширение диапазона режимов резания с дроблением стружки 172
5.3. Методика проектирования рациональной формы передней поверхности 179
5.3.1. Определение координат центра тяжести поперечного сечения срезаемого слоя 180
5.3.2. Определение «базовой» точки положения выступа на передней поверхности 181
5.3.3. Экспресс-метод проектирования передней поверхности СМП 185
Выводы по разделу 190
Заключение. Основные результаты и выводы 191
Список используемых источников 194
Приложение 207
- Анализ современных конструкций СМП
- Теоретическое и экспериментальное обоснование формы режущей кромки, обусловленной формой задней поверхности
- Конструирование дискретной режущей кромки с заданным функциональным назначением каждого из ее участков
- Экспериментальные исследования влияния участков передней поверхности современных конструкций СМП на стружкообразование при чистовом точении
Введение к работе
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 (СМП), получивший широкое распространение за рубежом [3]. Современный уровень развития технологии изготовления твердосплавных
9 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,
10 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. Л., Кушнер B.C., Иванов В.В., Михайлов СВ., 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 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
12 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:
Проанализированы условия работы активной части режущей кромки СМП в процессе чистового точения пластичных материалов.
Сделана классификация элементарных участков передней поверхности СМП для чистовой обработки по их форме и функциональному назначению.
Установлен характер влияния формы, местоположения и геометрических параметров элементов передней поверхности СМП, определяющих процессы завивания и дробления стружки.
Разработана методика проектирования рациональной формы дискретной режущей кромки с заданным функциональным назначением каждого из ее участков.
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
14 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 на 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.
Анализ современных конструкций СМП
Современные СМП для чистовой обработки, должны представлять собой многофункциональные конструкции, которые не только, безусловно, обеспечивают требуемое качество обработанной поверхности детали, но и способны формировать ее с максимальной производительностью и минимальной себестоимостью [3, 5, 19], обеспечивая отвод и дробление стружки, а также повышение виброустойчивости процесса чистового точения. Современные СМП могут быть универсальными и специальными. Первые предназначены для широкого диапазона обрабатываемых материалов и условий обработки, а вторые максимально учитывают особенности конкретного производства.
Ведущие фирмы-изготовители предлагают потребителям широкий выбор СМП для черновой, получистовой и чистовой обработки. Для различных групп обрабатываемых материалов изготавливаются режущие пластины, обеспечивающие устойчивое дробление стружки в широких диапазонах режимов резания. В то же время, разнообразие физико-механических свойств обрабатываемых материалов, условий эксплуатации, требований к инструменту в каждом конкретном случае, особенностей производства сводят на нет попытки создания универсальной конструкции СМП, пригодной для любого вида обработки [43]. С другой стороны, универсальность конструкции СМП, необходимая изготовителю инструмента, для потребителя во многих случаях оборачивается потерями эффективности использования дорогостоящего оборудования.
В тех случаях, когда выбранная конструкция СМП не обеспечивает желаемого результата, изготовитель предлагает использовать режущие пластины из «второго выбора», что привело к созданию их очень большой номенклатуры. Например, фирмой Sandvik Coromant (Швеция) для чистовой токарной обработки рекомендуются СМП с индексами формы передней поверхности: WF; WL; PF; MF; KF; LC; QF; 23; MF . Фирма Korloy (Южная
Корея) выпускает СМП для оснащения токарных резцов для чистового точения с индексами формы передней поверхности: HF; HFP; GF; D02; С05. Японская фирма Tungaloy для чистового точения предлагает СМП с индексами формы передней поверхности: TF; TS; SS; 01; 17 СВ; PF; PS; 23. Аналогичные по количеству предложения имеются в рекламной продукции таких производителей твердосплавного инструмента как Iscar (Израиль), «Sterlam» (Швейцария), Mitsubishi (Япония), Sumitomo (Япония), Impero (Италия), Hertel (Германия), Kennametal (США) и т.д.
Разнообразие форм передних поверхностей СМП, которые предлагаются различными фирмами-производителями твердосплавного инструмента, обусловлено отсутствием универсального решения проблемы дробления стружки, которая требует дальнейшего изучения и поиска оптимальных решений, в том числе и в направлении совершенствования существующих и создания новых конструкций СМП, имеющих рациональные геометрические параметры режущего клина, формы режущей кромки и стружкозавивающих элементов на передней поверхности [19].
Анализ конструкций СМП показал, что результаты предыдущихисследований и опыт, полученный при использовании напайногоинструмента, реализован во многих современных конструкциях переднейповерхности СМП [44]. Например, довольно широко используются вметаллообрабатывающей промышленности пластины состружкозавивающими канавками, которые выпускаются многими фирмами. Геометрические параметры канавок у СМП разных фирм различаются не значительно и их применение чаще всего ограничено областью обработки углеродистых и легированных сталей. Так, СМП фирмы Impero (Италия) с одинарной канавкой и с индексом формы передней поверхности «55» обеспечивают стружкодробление в диапазоне подач s = 0,1...0,7 мм/об и глубины / резания 1...8 мм. Фирма Korloy (Южная Корея) для СМП с похожей формой передней поверхности с обозначением «В25» рекомендует следующий диапазон режимов применения: t = 2,0... 6,0мм;
Кроме того, применяются пластины с двумя и даже с тремя стружечными канавками. При малых сечениях среза работает первая канавка, при больших - вторая и т.д. Таким образом, достигается универсальность пластины, обеспечивая дробление стружки при разной глубине резания. Подобная конструкция реализована в СМП с индексом формы передней поверхности 43, выпускаемой фирмой Sandvik Coromant (рис. 1.4). Эта пластина имеет двухступенчатые стужкозавивающие канавки, располагающиеся по контуру пластины, параллельно ее режущим кромкам, и оформленные дугами окружностей. Пересечение этих дуг дает промежуточный стружкозавивающий уступ, который завивает стружку и способствует ее дроблению при работе с малыми подачами. При работе на больших подачах стружка обтекает этот уступ и завивается уступом второй канавки.
Фирма Impero (Италия) реализовала такую идею в пластине с индексом формы «66», которая (по данным фирмы) обеспечивает дробление стружки в диапазоне подач s = 0,2... 1,2 мм/об при глубине t резания 0,5... 1,2 мм.
Фирма Hertel (Германия) в 1976 г. запатентовала конструкцию пластины, у которой стружечная канавка имеет многоступенчатую форму [23]. В каждом из углов многогранной пластины канавки, пересекаясь, образуют ребро. Уступы каждой ступени канавки располагаются параллельно режущим кромкам пластины. Каждый уступ лежит в одной плоскости, параллельной основанию пластины. Ступени канавки, образованные плоскостями, постепенно поднимаются относительно основания пластины. Тем самым предполагалось, что в зависимости от конкретного режима резания стружка сама находит уступ, наиболее подходящий для ее завивания.
На этапе проектирования СМП конструктором создается такая форма передней поверхности, которая обеспечивает при контакте стружки с передней поверхностью желаемые направление схода стружки и радиус витка. Отличительной особенностью современных конструкций СМП для чистового точения, выпускаемые зарубежными производителями твердосплавного инструмента, является формирование выступа на передней поверхности непосредственно у вершины пластины.
Фирмой Korloy (Южная Корея) для чистовой обработки рекомендуется режущая пластина с индексом формы передней поверхности D02. Отмечается эффективность использования данной формы передней поверхности для керметов (безвольфрамовые твердых сплавов). Пластинами с индексом формы передней поверхности D02 оснащаются резцы для обработки сталей групп Р10 и Р20 по классификации ISO. Рекомендуемый диапазон применения:
Теоретическое и экспериментальное обоснование формы режущей кромки, обусловленной формой задней поверхности
Форма задней поверхности обусловлена методами ее получения. Возможность варьирование ее формы до настоящего времени не получило пристального внимания как в теоретических, так и в экспериментальных работах. Производственный опыт показывает, что задняя поверхность СМП, как правило, формируется в виде плоскости, расположенной перпендикулярно («негативная геометрия») или под углом («позитивная геометрия») к опорной плоскости, и в форме цилиндра («негативная геометрия») или конуса («позитивная геометрия») [14, 18, 27, 76]. В процессе стружкообразования активная часть режущей кромки, обусловленная формой задней поверхности, является образующей поверхности резания. При токарной обработке поверхность резания определяет форму поперечного сечения срезаемого слоя. Микропрофиль обработанной поверхности детали формируется из отдельных участков поверхности резания. Таким образом, форма режущей кромки, обусловленная формой задней поверхности, определяет условия стружкообразования и, соответственно, высоту микронеровностей обработанной поверхности, т.е. ее шероховатость. Изменяя форму задней поверхности СМП конструктор варьирует параметрами срезаемого слоя и высотой микронеровностей обработанной поверхности и, соответственно, изменяет вероятность дробления стружки и условия формирования обработанной поверхности.
При токарной обработке с использованием сменных многогранных пластин в зависимости от подачи s и глубины резания t в срезании припуска принимают участие как криволинейные, так и прямолинейные участки режущей кромки [76]. Участок в форме дуги окружности, обеспечивающий плавное сопряжение главной и вспомогательной режущих кромок, принято называть радиусом при вершине СМП. У СМП стандартного исполнения криволинейная часть режущей кромки выполняется в форме дуги окружности с радиусами R: 0,4мм; 0,8мм; 1,2мм; 1,6мм; 2,4мм [77]. При чистовом точении в случае, когда глубина резания соизмерима с радиусом R при вершине, криволинейная часть одновременно является как главной, так и вспомогательной режущими кромками СМП. Форма и параметры поперечного сечения срезаемого слоя в таком случае зависят от радиуса при вершине и величины подачи.
Если переходная режущая кромка выполнена по радиусу R, срезание припуска осуществляется по одному из следующих вариантов (рис. 2.3)[77]: - криволинейными участками главной АВ и вспомогательной ВС режущих кромок;- прямолинейным АА и криволинейным АВ участками и криволинейным участком ВС главной и вспомогательной режущих кромок;- криволинейным участком АВ, криволинейным ВС и прямолинейным С С" участками главной и вспомогательной режущих кромок;- прямолинейным АА и криволинейным АВ участками, криволинейнымВС и прямолинейным С С" участками главной и вспомогательной режущихкромок.
При выполнении условия:где R - радиус при вершине СМП;ф(э - действительный главный угол в плане;t - глубина резания, в срезании припуска участвует только криволинейный участок АВ главной режущей кромки. Участие в срезании припуска только криволинейного участка ВС впомогательной режущей кромки определяется следующими условиями:где т] - угол при вершине пластины.
В процессе чистовой и получистовой обработки в срезании припуска участвует только криволинейная часть режущей кромки АС, т.е. выполняются условия (2.1), (2.2), (2.3). При несвободном резании сечение срезаемого слоя принимает форму фигуры A CD (рис. 2.4), а длина хорды АС при нулевом угле наклона режущей кромки X может быть принята за действительную максимальную ширину срезаемого слоя Ья. Проекция скорости стружки V] на основную плоскость составляет с нормалью к проекции главной режущей кромки угол v [4, 18, 26,]. При прямоугольном несвободном резании (угол наклона главной режущей кромки А,=0), в первом приближении, принимают, что скорость стружки vi перпендикулярна хорде АС фигуры ACD - сечения срезаемого слоя.
Толщина срезаемого слоя а может быть охарактеризована действительной толщиной ад, действительной максимальной толщиной #тах, действительной средней толщиной аср [77].
Конструирование дискретной режущей кромки с заданным функциональным назначением каждого из ее участков
При проектировании СМП с видоизмененной формой режущей кромки, выполненной по лекальной кривой, использовался принцип условного разделения ее активной части по функциональному назначению. Как указывалось в разделе 2, изменение формы переходного (режущего) участка, с целью обеспечения наиболее благоприятных условий срезания припуска, в ряде случаев, входит в противоречие с рекомендациями по выбору рациональной формы формообразующего участка. Эти противоречия можно исключить, если формировать эти участки режущей кромки независимо друг от друга.
Рассмотрим конструкцию СМП с дискретной режущей кромкой с заданным функциональным назначением каждого из ее участков. При этом активная часть режущей кромки разделяется на режущий участок АВ , не участвующий в формировании обработанной поверхности, и формообразующий В "С, который выполняет функцию формообразования обработанной поверхности. Вершина пластины выполняется в виде двух ступеней (рис. 3.6).
При точении каждая из ступеней режущей пластины будет срезать свой участок припуска. Таким образом, припуск t разделяется на tj, который срезается первой ступенью, и 2 удаляемый с поверхности заготовки второй ступенью.
Так как вторая ступень не участвует в формообразовании микропрофиля обработанной поверхности, ее формировании можно осуществлять, обеспечивая наиболее благоприятные условия стружкообразования. Например, если при обработке тонкостенных деталей большой длины или при растачивании глубоких отверстий в процессе чистового точения возникают вибрации, необходимо уменьшить радиус криволинейного участка активной части режущей кромки второй ступени. При этом форма активной части режущей кромки на первой ступени не зависит от исполнения режущей кромки на второй ступени, а ее формирование можно осуществлять, гарантируя наиболее благоприятные условия для обеспечения качества обработанной поверхности.
Участок ВЪ"соединяет первую и вторую ступени. Его форма не влияет на процесс формирования обработанной поверхности и условия срезания припуска. В этом случае размеры участка ВЪ" определяют расстояние от одной ступени до другой.
Рассмотрим условия работы режущей кромки на первой и второй ступенях в сравнении с условиями работы СМП со стандартным исполнением режущей кромки.
В качестве исходных параметров принимаем условия работы резца, оснащенного СМП CNMG 120408-HF (Korloy -Южная Корея) (рис.3.7а), при чистовом точении стали 45X1 со скоростью резания v=210 м/мин, глубиной резания /=0,5мм и подачей 5=0,12мм/об (рис. 3.76).
Рассчитанное без учета влияния формы передней поверхности СМП CNMG 120408-HF соотношение Q адиальной Р„ и осевой Рг
Ур хрсоставляющих силы резания составляло 1,64. Соотношение О. радиальной Ри осевой Рх составляющих силы резания, полученных измерением в процессеточения резцом, оснащенным СМП CNMG 120408-HF, соответственно, было равно 1,72. Не совпадение рассчитанного и полученного измерением соотношений Q радиальной и осевой составляющих силы резания объясняется тем, что не учитывается влияние на составляющие силы резания выступов на передней поверхности.
На рис. 3.8. представлена фигура поперечного сечения срезаемого слоя при точении режущей пластиной CNMG 120408-HF, где максимальная толщина срезаемого слоя атах = 0,13мм и ширина в = 0,94мм.
Граница разделения припуска начасти преобразующегося в стружку иподминаемого инструментом приа,принятом значении радиуса округления р=8мкм [90], располагалась на серединечасти режущей кромки. При точенииобработанная поверхность имела действительное значение параметра Ra 2,91мкм, а в процессе обработки наблюдались вибрации.
Коэффициент усадки стружки С, = 2,34. В работе [5, 87] указывается, что при точении стали 45X1 критическая величина относительной жесткости витка стружки W„= 0,8x10"4мм. Относительная жесткость витка, определяемая по зависимости 1.6, для данного случая Wc = 0,43х10"4 мм. Форма передней поверхности СМП CNMG 120408-HF при заданных режимах обработки не обеспечивала дробление стружки (рис. 3.9), которая имела форму непрерывной винтовой спирали с радиусом rt = 1,28мм. Таким образом, отсутствие дробления стружки подтверждается не выполнением одного из его необходимых условий.
Целью конструирования СМП с дискретной режущей кромкой с заданным функциональным назначением каждого из ее участков является решение следующих задач:- повышение виброустойчивости процесса чистового точения;- обеспечение шероховатости обработанной поверхности Ra 1,6 мкм;- повышение производительности;- увеличение относительной жесткости витка стружки до величины На первом этапе процесса конструирования СМП решается вопрос о разделении припуска глубиной / = 0,5мм на: t} = 0,1мм, который срезается первой ступенью, и І2 — 0,4мм, удаляемый с поверхности заготовки второй ступенью.
Определяется форма режущей кромки второй ступени. Активная часть режущей кромки выполним по дуге окружности радиусом R2= 0,4мм, реализуя при этом рекомендации, согласно которым уменьшение радиуса при вершине повышает виброустойчивость процесса точения. Определим границы активной части режущей кромки второй ступени. Для этого совместим систему координат Х02У с центром окружности радиусом R2 = 0,4мм. Активная часть АБ режущей кромки второй ступени ограничивается дугой окружности. Координаты точки А рассчитаем по зависимостям (рис. 3.10):
Точка В является крайней правой точкой формообразующего участка активной части режущей кромки второй ступени при формировании поверхности под обработку первой ступенью. Точка В разделяет активную часть режущей кромки второй ступени на режущую и формообразующую. Координаты точки В рассчитаем по формулам:
Соотношение радиальной PY и осевой Рх составляющих силы резания приподаче я=0,12мм/об на второй ступени равно 1,16. Максимальная толщина срезаемого слоя атаХ2 = 0,157мм и ширина в2=0,61мм. Относительная жесткость витка стружки Wc2= 1,2x10"4 мм.
На второй ступени граница разделения припуска на части преобразующегося в стружку и подминаемого инструментом при принятом значении радиуса округления р = 8мкм [90], располагалась в районе точки Bf формообразующего участка активной части режущей кромки.
Примем в качестве формы активной части режущей кромки первой ступени дугу окружности с радиусом RI=R=0,8MM. Участок режущей кромки соединяющей первую и вторую ступени выполним по дуге окружности R3=0,\MM (рис. 3.11). Точка Е сопряжение дуг радиусом R2 и R3 должна располагаться за границей активной части режущей кромки второй ступени. Примем координату ХЕ равной величине подачи s, а координату YE в определим по зависимости:
Экспериментальные исследования влияния участков передней поверхности современных конструкций СМП на стружкообразование при чистовом точении
Рассмотрим топографию передней поверхности СМП разных фирм-производителей и проанализируем их конструкции с учетом формы, места расположения ее элементарных участков и функций, которые они выполняют в процессе стружкообразования.
Фирма «Korloy» (Южная Корея) выпускает СМП CNMG120404 (или08) - D02 для чистовой обработки материалов группы Р (рис.4.2). ПластинаCNMG 120404(или 08)-D02 двухсторонняя и изготавливается с радиусом гпри вершине 0,4 или 0,8мм. Вдоль всего периметра режущей пластинырасполагаетсяцилиндрическая впадина с постоянной глубиной. У ершинвпадина имеет сферическую форму, плавно сопрягаясь с еецилиндрическими участками. Задняя поверхность СМП сформирована в виде плоскости, а у вершин, как часть цилиндрической поверхности с радиусом, равным радиусу г при вершине. Одна из сторон впадины, пересекаясь с задней поверхностью, образует режущую кромку.
У вершины СМП сформированы три выступа с общей плоской вершиной. Боковые поверхности выступов имеют цилиндрическую форму. Плоская вершина выступов переходит в поверхность уступа. Поверхность уступа и дальняя от режущей кромки сторона впадины контактируют с плоской опорной поверхностью.
Использование резцов, оснащенных пластинами CNMG 120404-D02, рекомендовано для точения только с небольшой глубиной резания t, соизмеримой с радиусом R при вершине. При обработке стали 45X1 с подачей s 0,15мм/об, т.е. меньше половины радиуса R при вершине, и глубине резания менее 0,2мм, стружка имела вид непрерывной винтовой или цилиндрической спирали (рис. 4.3, а). Формирование витка стружки осуществлялось по поверхности сферической части впадины. Функцию стружкозавивающего элемента выполнял центральный выступ. Уступ и выступы, расположенные по обе стороны центрального выступа, в процессе стружкообразования участие не принимали. Нестабильный характер полученной стружки объясняется ее малой жесткостью и достаточно большим расстоянием от режущей кромки центрального выступа. После отрыва от поверхности выступа, продолжая свое движение, стружка встречает на своем пути обрабатываемую поверхность. При небольшой жесткости витка стружки, ее контакт с обрабатываемой поверхностью является неустойчивым. Изменение условий контакта стружки с выступом является следствием адаптации зоны стружкообразования к дополнительному воздействию на стружку со стороны препятствий или под воздействием силы тяжести и динамических колебаний стружки.
Увеличение подачи при той же глубине резания привело к возрастанию влияния взаимодействия стружки с поверхностью выступа на ее форму. При малых значениях подачи, выступ выполнял функцию стружкозавивающего элемента, при этом стружка имела форму цилиндрической спирали (рис. 4.3, б). Многовитковая стружка, имеющая форму цилиндрической спирали, после отрыва от поверхности выступа перемещается вдоль режущей кромки по поверхности впадины. Выступ, ближний к главной режущей кромке, выполняет функцию опоры, а цилиндрическая часть впадины, соответственно, функцию стружкоотводящей поверхности. При дальнейшем движении у соседней вершины стружка встречает на своем пути препятствие в виде уступа, контакт с которым вызывает соскальзывание стружки с передней поверхности. Момент соскальзывания стружки с передней поверхности, и возникновение контакта с задней поверхностью пластины, сопровождается резким увеличением радиуса витка вновь образуемых слоев
