Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ форм передней поверхности 8
1.1. Плоская форма передней поверхности 8
1.2. Передняя поверхность с радиусной канавкой вдоль режущей кромки
1.3. Локальные сферические углубления на плоской передней поверхности 12
1.4. Локальные сферические выступы на плоской передней поверхности 14
1.5. Передняя поверхность сложной формы 17
1.6. Цилиндрическая передняя поверхность 20
1.7. Цели и задачи исследования 22
2. Геометрические особенности резцов с цилиндрической передней поверхностью 23
2.1. Специфические геометрические параметры 23
2.2. Расчет кинематических углов 29
2.3. Толщина срезаемого слоя и рабочая длина режущей кромки 42
2.4. Моменты инерции и сопротивления поперечного сечения стружки 47
2.5. Выводы 53
3. Экспериментальное определение характеристик процесса резания при цилиндрической передней поверхности 55
3.1 .Полная ширина площадки контакта 58
3.2. Усадка стружки 67
3.3. Средняя температура резания 73
3.4. Силы резания 75
3.5. Выводы 82
4. Эксплуатационные характеристики резцов с криволинейной режущей кромкой, обусловленной формой передней поверхности 83
4.1.Резцы с вогнутой режущей кромкой 84
4.2. Резцы с выпуклой передней поверхностью 90
4.3.Выводы 109
Основные выводы 111
Список испльзованных источников 113
Приложение 119
- Передняя поверхность с радиусной канавкой вдоль режущей кромки
- Расчет кинематических углов
- Усадка стружки
- Резцы с выпуклой передней поверхностью
Введение к работе
Эффективность работы предприятий машиностроительного комплекса во многом определяется эксплуатационными характеристиками режущих инструментов. При этом в отдельных отраслях машиностроения детали машин и механизмов по условиям их эксплуатации изготавливают из труднообрабатываемых материалов, лезвийная обработка которых сопряжена с низкой стойкостью инструмента.
Основу современных металлорежущих инструментов составляют сменные многогранные пластины (СМП) из твердых сплавов, номенклатура которых постоянно расширяется. Форма передней поверхности СМП является важнейшим конструктивным элементом, поэтому она подвергается постоянному совершенствованию. Основное внимание при этом уделяется снижению уровня сил резания, формированию компактной стружки, отвечающей требованиям автоматизации и безопасности, а также повышению стойкости инструмента. Работы в этом направлении базируются на достижениях в области теории и практики обработки металлов резанием.
Целенаправленные действия по совершенствованию формы передней поверхности возможны лишь при полном представлении об особенностях формирования стружки на ней. В связи с этим недостаточная изученность процесса резания инструментами с цилиндрической передней поверхностью обусловили актуальность и выбор темы диссертации.
Цель данной работы заключается в повышении эффективности процессов точения на основе применения инструментов с цилиндрической передней поверхностью.
Для достижения поставленной цели на основании проведенного анализа необходимо решить следующие задачи:
1. Выполнить моделирование для определения геометрических параметров резцов с различными видами цилиндрической передней поверхности.
2. Провести экспериментальные исследования основных характеристик процесса резания инструментами с цилиндрической передней поверхностью.
3. Исследовать графические модели процесса точения резцами с цилиндрической передней поверхностью с определением границ диапазонов режимов резания, обеспечивающих стабильное стружкодробление.
4. Исследовать геометрические характеристики поперечного сечения срезаемого слоя в зависимости от кривизны режущей кромки, обусловленной формой передней поверхности.
5. Провести экспериментальные исследования эксплуатационных параметров резцов с цилиндрической передней поверхностью.
Объектом исследования являются процессы, вязанные с формированием стружки на передней поверхности, которые обеспечивают эксплуатационные показатели инструмента.
Предмет исследования составляют научные и методические основы, обеспечивающие эффективность процессов точения.
В первой главе дан анализ существующих форм передней поверхности СМП для токарной обработки. Недостаточная изученность особенностей процесса резания инструментами с цилиндрической передней поверхностью определили цель и задачи исследования.
Вторая глава посвящена рассмотрению геометрических особенностей резцов с цилиндрической передней поверхностью. Образующаяся в результате пересечения с задней поверхностью режущая кромка криволинейна, для неё характерно непостоянство геометрических параметров в различных её точках. Кроме того, такая кромка формирует стружку с более жестким поперечным сечением, по сравнению со стружкой, сформированной прямолинейной кромкой
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований, направленных на изучение контактных, деформационных, силовых и температурных характеристик процесса резания при цилиндрической передней поверхности инструмента. Установлено их отличие от аналогичных характеристик для инструментов с плоской передней поверхностью.
В четвертой главе рассмотрены эксплуатационные характеристики резцов с криволинейной режущей кромкой. Показано, что вогнутая режущая кромка целесообразна для активизации процесса стружкодробления при точении с большим отношением ширины срезаемого слоя к его толщине. Выпуклая передняя поверхность приводит к повышению стойкости инструмента
Автор защищает:
1. Зависимости для установления геометрических параметров резцов с цилиндрической передней поверхностью.
2. Результаты экспериментальных исследований основных характеристик процесса резания инструментами с цилиндрической передней поверхностью, таких как: -размеры площадки контакта стружки с передней поверхностью; -коэффициент усадки стружки; -средняя температура резания; -составляющие силы резания.
3. Графические модели процесса точения резцами, оснащенными СМП с вогнутой и выпуклой режущими кромками, которые отражают границы диапазонов режимов резания, соответствующих стабильному стружкодроблению.
4. Зависимости для расчета геометрических характеристик поперечного сечения срезаемого слоя.
5. Результаты исследования эксплуатационных параметров резцов с цилиндрической передней поверхностью.
Научная новизна заключается в научном обосновании условий приоритетности процесса точения инструментами с вогнутой или выпуклой цилиндрической передней поверхностью на основе моделирования формы поперечного сечения срезаемого слоя и условий контактирования стружки с обеспечением повышения стружкодробящей способности и стойкости инструментов.
Практическая ценность работы заключается в технологических рекомендациях по применению резцов с криволинейной режущей кромкой, конфигурация которой обусловлена формой передней поверхности.
Передняя поверхность с радиусной канавкой вдоль режущей кромки
В процессе изнашивания инструмента на его передней поверхности появляется лунка износа, приводящая к формированию стружки в виде регулярной спирали. С развитием лунки износа изменяется и характер стружки. Она начинает дробиться на короткие спирали, а затем на фракции в виде колец и полуколец. Поэтому возникла идея воспроизвести подобную лунку на передней поверхности в виде радиусной канавки. Первоначально такие канавки формировались заточкой алмазными кругами [25,29,35,43]. В последствии, с развитием в области порошковой металлургии, такие канавки стали формировать в процессе прессования СМП. Схема завивания стружки, сходящей по такой передней поверхности, приведена на рис. 1.3. По сути дела такая канавка представляет собой часть вогнутой цилиндрической поверхности, ось которой расположена параллельно главной режущей кромке.
Схема для определения радиуса витка стружки Re для стружкозавивающей канавки Как уже отмечалось, основной задачей радиусной канавки является завивание стружки в спираль определенного диаметра, который зависит от радиуса канавки. Поэтому конкретные геометрические параметры такой канавки обеспечивают требуемую форму и размеры стружки в достаточно узких диапазонах изменения параметров режима резания. Для расширения универсальности СМП были предложены двойные стружкозавивающие канавки, каждая из которых работает в своем диапазоне изменения режимов резания. Кроме того, наличие канавки на передней поверхности СМП обеспечивает положительные значения передних углов, что снижает уровень силы и температуры резания и приводит к повышению стойкости инструмента. Инструменты, оснащенные такими СМП, также достаточно изучены и для их применения приведено достаточное количество технологических рекомендаций, например [12,30,37,41,42,54,58].
У некоторых типов СМП на передней поверхности имеются локальные сферические углубления, расположенные вдоль главной режущей кромки. Примером таких СМП является форма WCMX, которая используется для оснащения некоторых типов сверл, например, U-drill (Sandvik Coromant) [58]. Наличие таких углублений позволяет формировать стружку с волнообразным поперечным сечением, что исключает ее пакетирование и облегчает ее отвод из глубины обрабатываемого отверстия.
Углубление имеет выход на главную заднюю поверхность, в результате чего на главной режущей кромке имеется криволинейный вогнутый участок. В процессе резания сходящая стружка "продавливается" в углубление, увлекая за собой периферийные участки, что приводит к некоторому уменьшению общей ширины стружки. В итоге формируется виток стружки с выпуклым ребром жесткости на ее контактной стороне, что облегчает ее дробление. Проведенные исследования показали, что наличие такого углубления приводит к некоторому снижению температуры резания по сравнению с плоской поверхностью без углубления. Это обусловлено меньшими размерами контактной площадки.
Появление СМП со сферическими выступами на передней поверхности, расположенными вдоль главной режущей кромки, обусловлено необходимостью уменьшения площади контакта со стружкой. Размеры площадки контакта являются важной характеристикой процесса резания, от которой зависят температура и сила резания, а также усадка стружки. Примером СМП с такой геометрией передней поверхности могут служить СМП фирмы SUMITOMO, известные под торговой маркой «Bumpy» [57]. Фирма Sandvik Coromant выпускает аналогичные СМП с индексом геометрии передней поверхности "QR" [12,19]. На рис. 1.5 представлена конструкция СМП со сферическими выступами, разработанная Ленинградским филиалом СПТБ «Оргпримтвердосплав» в 80-е годы прошлого столетия[27]. СМП с аналогичной геометрией выпускают и в настоящее время. Так, фирмой KORLOY предлагаются СМП с индексом геометрии передней поверхности "GH" (рис. 1.7). Аналогичные СМП с индексом геометрии передней поверхности "86" выпускает MKTC-Sandvik [42].
Кроме того, что данная форма передней поверхности уменьшает площадь контакта со стружкой со всеми вытекающими из этого последствиями, она обладает еще и следующим преимуществом. Сходящая стружка продавливается во впадины между сферическими выступами, в результате чего формируется ее волнообразное поперечное сечение. А это увеличивает жесткость витка стружки, что благоприятно сказывается на ее дроблении. Следует особо подчеркнуть, что СМП с такой геометрией по сути дела реализуют принцип укороченной передней поверхности сосвойственными ей известными преимуществами. В настоящее время известны предложения заменить неподвижные сферические выступы на вращающиеся под действием сил трения от сходящей по ним стружки [8,32].
Расчет кинематических углов
Процесс деформирования срезаемого слоя при превращении его в стружку и изнашивание контактных поверхностей инструмента определяется не величиной углов, получившихся в результате изготовления этого инструмента, а величиной кинематических углов, образовавшихся при сложном рабочем движении инструмента в процессе резания. У многих инструментов вектор истинной скорости резания в различных точках режущей кромки не сохраняет постоянным свое положение в пространстве. Поэтому кинематические углы в различных точках режущей кромки отличаются друг от друга. В связи с этим анализ углов резца с цилиндрической передней поверхностью, проведенный в [38,51] применительно к инструментальной системе координат, нельзя признать окончательным.
Для расчета углов и их анализа воспользуемся общей для всех инструментов методикой [33], по которой углы рассчитываются в плоскости, нормальной к режущей кромке, как для статического, так и для рабочего состояния инструмента. Сущность методики заключается в том, что векторы скоростей движений инструмента и направленные отрезки, характеризующие положение в пространстве передней и задней поверхностей, а также главной режущей кромки последовательно проектируются с одной проекции на другую. При этом проектируются не сами векторы и направленные отрезки, и их ортогональные составляющие.
Проведем анализ кинематических углов резцов с цилиндрической передней поверхностью при поперечном и продольном точении. Однако прежде необходимо определить углы резца в статической системе координат. На рис. 2.3. приведена расчетная схема для определения статических углов для резца с вогнутой передней поверхностью, соответствующая поперечному точению.
Анализируя представленные данные, можно утверждать, что отличие геометрических параметров в различных точках режущей кромки вызвано различным положением точки относительно оси заготовки. Это отличие будет тем значительнее, чем ниже положение точки на режущей кромке. При постоянной ширине В это положение определяется радиусом тш цилиндра передней поверхности и, наоборот, при постоянном радиусе гш- шириной В. Расчеты показывают, что наибольшему изменению подвергаются углы X и ф, причем угол поверхности X в большей степени.
Необходимо иметь в виду, что если в результате расчетов угол aN получился со знаком « - », то это свидетельствует о том, что направление вектора S5 на схеме выбрано в противоположном направлении. Поэтому в зависимости (2.32) - (2.33) угол 7N вводится со знаком, полученным в результате расчета по зависимости (2.36). Приведенные зависимости пригодны для расчета кинематических углов и для резца с выпуклой передней поверхностью. Схема для определения кинематических угаов при поперечном точении В таблице 2.2 представлены значения кинематических углов для резцов с выпуклой и вогнутой передними поверхностями. Их значения определяли при тех же условиях, что и в статической системе координат. Величина подачи при этом была принята равной 0,5 мм/об. Из анализа данных таблицы 2.2 вытекает следующее. При рассмотренных условиях кинематические углы наклона главной режущей кромки Л практически не отличается от статических углов Ят(см. табл. 1.1). Наибольшему изменению (уменьшению) подвержены кинематические передние углы y N в точках режущей кромки, для которых характерны наибольшие значения углов Я. Так, для наинизшей точки кромки резца с выпуклой передней поверхностью кинематический передний угол y N меньше статистического ?mN почти в Два раза. Поэтому кроме угла А, на условия деформирования срезаемого слоя будет оказывать влияние и изменение переднего угла, обусловленное формой передней поверхности и кинематикой процесса резания. Очевидно, что с увеличением радиуса гпп цилиндра передней поверхности, приводящим к уменьшению угла X на краях кромки, следует ожидать большие, по сравнению с рассмотренными, значения кинематических передних углов.
Вогнутая Выпуклая Вогнутая Выпуклая Расчетная схема для определения статических углов при продольном точении резцом, имеющим выпуклую переднюю поверхность, представлена на рис. 2.6. Наивысшая точка режущей кромки находится на линии центров станка. В работе участвует режущая кромка, середина которой совпадает с осью симметрии ширины срезаемого слоя. При этом вогнутая передняя поверхность сформирована на резце, имеющим в инструментальной системе координат углы X = 0, ф = 90.
Усадка стружки
Усадка стружки в определённой мере характеризует степень её пластической деформации. Коэффициент укорочения (усадки) стружки KL является качественным показателем деформационных процессов, происходящих в срезаемом слое, зависит от многих факторов, в том числе и от условий контакта и завивания стружки при её сходе по передней поверхности. Как установлено выше, эти условия во многом определяются формой передней поверхности, а также конфигурацией кромки, обусловленной этой формой. Очевидно, что на усадку стружки при цилиндрической передней поверхности будут оказывать влияние геометрические параметры, обусловленные формой кромки, а также особенности деформации стружки при завивании в спираль, которые определяются формой его поперечного сечения. Из проведенного анализа геометрических параметров вытекает, что основное влияние на усадку стружки должен оказывать угол наклона главной режущей кромки Я, поскольку именно он наиболее существенно изменяется в пределах рабочей длины режущей кромки.
Влияние угла Я на основные характеристики процесса резания детально изучены В.Ф. Бобровым [4]. Им установлено, что при прямолинейной режущей кромке на усадку стружки угол Я оказывает своеобразное влияние. Увеличение угла X при свободном резании приводит к уменьшению KL , что также справедливо и для несвободного резания с отрицательным углом Я. При несвободном резании с положительным углом Я, деформирование срезаемого слоя затруднено за счет тяжелых условий срезания и схода стружки на вспомогательной кромке. Поэтому при переходе от отрицательных углов к положительным KL увеличивается и только при углах Я 45...50 тенденция уменьшения степени деформации стружки, свойственная свободному резанию, начинает оказывать доминирующее влияние KKL уменьшается. В таблице 3.3 приведены значения коэффициентов укорочения стружки KL, которые были получены при поперечном точении поясков шириной 5,5 мм со скоростью резания V=4,6 м/мин резцами со следующими геометрическими параметрами: у=0; а=10; ф=90.
Необходимо подчеркнуть, что при криволинейной кромке изменение длины стружки по сравнению с длиной реза происходит не только за счет естественных деформационных процессов, свойственных резанию металлов. При низких скоростях резания стружка завивается в спираль малого диаметра. Кроме того специфика формирования стружки на цилиндрической передней поверхности заключается еще и в следующем. При вогнутой передней поверхности края стружки загибаются во внутрь витка, что уменьшает его диаметр на краях по равнению со средней частью. В результате этого виток стружки в осевом сечении имеет «бочкообразную» форму. Напротив, при выпуклой поверхности, края стружки вынуждены завиваться таким образом, что ее виток напоминает однополостный гиперболоид. Поэтому длина стружки по краям больше, чем в средней части витка. В силу этих особенностей коэффициент укорочения стружки KL в различных точках по ее ширине будет различным, что и подтверждается результатами экспериментов, представленных в таблице 3.3. В такой ситуации определение усадки стружки по ее длине, измеренной на краю стружки, может привести к ошибочным заключениям. Поэтому объективная оценка KL должна осуществляться в той части стружки, которая не подвержена дополнительной деформации, обусловленной кривизной кромки и формой передней поверхности. В данном случае таким местом является средняя часть стружки и полученные результаты имеют вполне логичное объяснение. Так, при А т, =0,824 мм наибольшее значение KL характерно для резцов с выпуклой передней поверхностью, что обусловлено завиванием стружки в направлении наибольшего сопротивления изгибу. Меньшие значения WX для стружек, сформированных вогнутой и прямолинейной кромками, приводят к соответствующему уменьшению KL. С уменьшением величины Аии при данной схеме обработки усадка стружки по ее ширине выравнивается и приближается к усадке стружки, сформированной на плоской передней поверхности.
При точении с высокими скоростями резания образуется лентообразная стружка. Поэтому ее укорочение по сравнению с длиной реза происходит только за счет естественных деформационных процессов в зоне резания. Предварительными экспериментами было установлено, что в этом случае усадка, измеренная на краю стружки и в ее середине, практически совпадают. Об этом так же свидетельствуют и металлографические исследования, в результате которых установлено совпадение углов текстуры на краю и в средней части стружки, сформированных на цилиндрических передних поверхностях. Значения KL для сравниваемых передних поверхностей при симметричном расположении режущей кромки относительно срезаемого слоя наблюдается и при точении в широком диапазоне изменения скорости резания, которые приведены на рис. 3.6. Представленные результаты получены при тех же условиях, что и в опытах по определению полной ширины площадки контакта. Так, при толщине стенки 2 мм и гпп=5мм (Ат =0,101мм) значения KL для сравниваемых передних поверхностей мало чем отличаются друг от друга. С увеличением толщины стенки до 4 мм при гйИ=5мм (Дпи =0,417мм) наименьшее значение KL соответствует резцам с выпуклой передней поверхностью, а наибольшее - с вогнутой, что не совпадает с результатами, полученными для цилиндрических передних поверхностей при низкой скорости резания. Аналогичные результаты получены и при гии=10мм (Дии=0,202мм). Таким образом, при точении с высокими скоростями резания наименьшая деформация стружки наблюдается на резцах с выпуклой передней поверхностью, что должно отразиться и на уровне температуры резания.
Резцы с выпуклой передней поверхностью
Анализ инструментов зарубежного производства показывает, что в номенклатуре СМП отсутствуют такие, в которых были бы реализованы преимущества выпуклой цилиндрической передней поверхности. Среди отечественных производителей необходимо выделить Серпуховской опытный инструментальный завод (СОИЗ), на котором в начале 90-х годов прошлого столетия был освоен выпуск специальных СМП для токарных резцов. Одна из конструкций таких СМП представлена на рис.4.3. В соответствии с классификацией ИСО ей можно было бы присвоить обозначение TNMM220402-X.
Необходимо подчеркнуть, что практически отсутствует какая-либо техническая информация о принципах создания такой СМП, её эксплуатационных возможностях и рациональной области её применения. В связи с этим на начальном этапе исследования был проведен теоретический анализ особенностей данной СМП.
Отличительной особенностью геометрии передней поверхности является наличие «бугристых» выступов с максимальной высотой в вершинах СМП, которые ниспадают вдоль главной и вспомогательной режущих кромок. Основание выступа клиновидной формы, которое уменьшается до нуля на главной режущей кромке. Кроме этих выступов на передней поверхности отсутствуют какие-либо явно выраженные стружкозавивающие элементы. Априорно можно предположить, что таким элементом может являться возвышение вокруг центрального отверстия.
Специальная СМП с выпуклой формой передней поверхности угла в различных точках режущей кромки, которое уменьшается по мере удаления от её вершины. Радиус кривизны главной режущей кромки на выпуклом участке передней поверхности составляет 27 мм.
Из-за неудовлетворительной формы стружки все преимущества выпуклой передней поверхности могут быть сведены к нулю. Поэтому были проведены эксперименты по установлению диапазонов изменения режимов резания, в которых достигается стабильное стружкодробление. В качестве обрабатываемого материала была принята сталь марки ЭИ654 (15Х18Н12С4ТЮ), которая, согласно [39], относится к IV группе труднообрабатываемых материалов. СМП из твердого сплава марки ВК10ХОМ устанавливают в резцовую державку PTGNR2525M22 (главный угол в плане ф=90). Эксперименты проведены при скорости резания V= 56 м/мин. На рис.4.4 приведены результаты этих экспериментов в координатах t-s, которые позволяют ориентироваться в выборе подачи и глубины резания при назначении режимов резания, обеспечивающих стабильное стружкодробление.При работе с режимами левее и ниже обозначенной зоны образуется непрерывная стружка в виде спиралей с различным диаметром, шагом и степенью регулярности. Форма дробленой стружки представлена на рис.4.5. Одновременно с этим производились измерения полной ширины С площадки контакта стружки с передней поверхностью. Необходимо отметить, что значение С переменно вдоль рабочего участка главной режущей кромки. Наименьшее значение С достигает у вершины СМП, наибольшее - в месте контакта режущей кромки с обрабатываемой поверхностью. На рис.4.6 приведены значения площадки С, полученные в данных экспериментах. Из рисунка видно, что с уменьшением глубины резания уменьшается разность между значениями С по краям площадки контакта.
Силы резания являются одной из важных характеристик процесса, влияющей на точность обработки. В связи с этим было проведено экспериментальное определение составляющих силы резания Pz, Ру, Рх, с помощью динамометра УДМ 600.
Анализ результатов, представленных в этой таблице, показывает, что уровень составляющих силы резания для СМП TNMM220402-X приближается к уровню сил для СМП формы TNMG 220416. Данная СМП имеет стружкозавивающую канавку на передней поверхности, что обеспечивает положительную геометрию переднего угла.
Влияние формы передней поверхности на стойкость инструмента было проверено в лабораторных условиях. Для получения более достоверных результатов при ограниченном числе дублей поступали следующим образом. Сравнению подвергали две вершины одной и той же СМП. При этом одна из вершин имела плоскую переднюю поверхность с углом у = 10, которую получали путем сошлифовывания имеющейся выпуклости. Сравнение различных форм передней поверхности в пределах одной СМП позволило поставить их в одинаковые условия и свести до минимума разброс стойкости, характерный для различных партий изготовления одной и той же марки твердого сплава [4,13,20,21,48].
