Ефективне дроблення стружки інструментальним оснащенням з пружними елементами

ЕФЕКТИВНЕ ДРОБЛЕННЯ СТРУЖКИ ІНСТРУМЕНТАЛЬНИМ ОСНАЩЕННЯМ З ПРУЖНИМИ ЕЛЕМЕНТАМИ

О.В. Шевченко, канд.техн.наук, доц.; А.Ю.Бєляєва, асп. НТУУ “КПІ”

При токарній обробці багатьох матеріалів, особливо таких, як високолеговані сталі та деякі сплави кольорових металів, стружка має вигляд довгої неперервної стрічки або спіралі - так званої „зливної” стружки. У зв'язку з необхідністю видалення зливної стружки із робочої зони верстата знижується продуктивність праці, а навивання та заплутування стружки на деталі верстата утруднює експлуатацію автоматизованого обладнання, в тому числі верстатів з ЧПК та промислових роботів. Крім того, наявність зливної стружки є основною причиною травматизму робочих-верстатників.

Дроблення стружки на верстаті здійснюється в залежності від характеру взаємодії різального інструмента і оброблюваної деталі [1]. При різанні з постійними параметрами забезпечується незмінність швидкості різання, подачі і глибини в межах даної технологічної операції. Різання із змінними параметрами передбачає порушення одного чи декількох із цих умов. Заходи першого з цих видів мають найбільше поширення через свою простоту. Однак можливості дроблення при цьому визначаються не тільки властивостями застосовуваних пристроїв, але і характеристиками самої стружки. Дроблення стружки при різанні із змінними параметрами здійснюється шляхом: порушення цілісності оброблюваної поверхні рисками і канавками; дискретним різанням, що є різновидом вібраційного різання металів, при якому закон коливань відрізняється від гармонійного; вібраційним різанням, що є одним з найбільш ефективних і надійних методів дроблення стружки в процесі різання.

Сутність процесу вібраційного різання полягає у тому, що на прийняту для даної операції кінематичну схему накладається додатковий спрямований вібраційний рух інструмента відносно заготовки. Звідси фізичними основами процесу різання є - періодична зміна режимів різання та змінне циклічне навантаження оброблюваного матеріалу та різального інструмента. При правильному виборі напрямку коливань, їх частоти та амплітуди вібраційне різання дозволяє надійно і ефективно дробити стружку. При цьому параметри вібраційного різання при дробленні стружки визначаються режимами різання, але не залежать від оброблюваного матеріалу, що обумовлюється миттєвим перериванням процесу різання. Таким чином, вібраційне різання забезпечує ефективне дроблення стружки без проведення попередніх експериментів щодо підбору геометрії інструментів, режимів різання тощо. Разом з тим вібраційне різання має і деякі недоліки. Примусове створення вібрацій в процесі різання може призводити до зниження точності та якості оброблюваної поверхні, а у деяких випадках і до зниження стійкості різального інструмента внаслідок вібраційного впливу на нього. Тому при використанні вібраційного різання доцільно перш за все домагатися надійного дроблення стружки при збереженні стійкості інструмента на рівні звичайного різання. Позитивний ефект, що отримується за рахунок дроблення стружки, може виправдати часткове зниження інших показників процесу різання.

Для дроблення стружки використовується низькочастотна вібраційна обробка з частотами коливань до 200 Гц [2]. Вібрації можуть бути лінійними, кутовими чи комбінованими (лінійно-кутовими). У випадку лінійних коливань різальний інструмент здійснює прямолінійні коливання відносно заготовки паралельно координатним осям, а саме, паралельно напрямкам осьової і радіальної подач інструмента та паралельно вектору швидкості різання (тангенціальні вібрації). Кутові коливання, враховуючи малий діапазон переміщення різального інструмента, за своїм впливом на процес різання наближаються до лінійних.

При різанні з осьовими вібраціями інструмент відносно заготовки, крім руху вздовж осі заготовки з подачею S здійснює коливальний рух в напрямку подачі. При різанні без вібрацій відстань a(t) (рис.2) між траєкторіями вершини різця на двох сусідніх обертах деталі постійна і дорівнює осьовій подачі S. При різанні з осьовими вібраціями ця відстань змінна і залежить як від подачі, так і від амплітуди коливань А, фазового кута щt та зсуву фаз у вигляді [1]:

де щ - кругова частота коливальних рухів інструмента;

щ_д - кутова швидкість деталі. При цьому треба враховувати, що для забезпечення дроблення стружки відношення щ/щ_д не повинно бути цілим числом.

Різання з осьовими вібраціями впливає на зміну площі зрізу, яка пропорційна a(t), та підвищує шорсткість обробленої поверхні відносно різання з рівномірною подачею. Тому різання з осьовими вібраціями використовують для чорнових та напівчистових операцій, до яких не ставляться жорсткі вимоги стосовно якості обробленої поверхні.

При різанні з радіальними вібраціями інструмент відносно заготовки здійснює коливальні рухи в напрямку поперечної подачі. Для надійного дроблення стружки радіальними вібраціями при поздовжньому точінні необхідно забезпечити більші амплітуди коливань відносно їх амплітуд осьових вібрацій. Збільшені амплітуди радіальних коливань підвищують висоту мікронерівностей обробленої поверхні відносно обробки з осьовими вібраціями, тому перевагу треба віддавати дробленню стружки з осьовими вібраціями. Різання з радіальними вібраціями є досить ефективним на операціях з поперечною подачею.

Кінематика процесу різання з тангенціальними вібраціями суттєво відрізняється від кінематики різання з осьовими та радіальними вібраціями [3]. Основними особливостями такого різання є: 1) практично незмінні розміри поздовжнього та поперечного перерізів зрізу; 2) коливання за один цикл у великих межах швидкостей різання, при цьому їх значення можуть суттєво перевищувати швидкості, з якими виконується звичайне різання; 3) мікропрофіль обробленої поверхні в цьому випадку мало відрізняється від профілю поверхні, отриманої звичайним різанням.

Розміри поперечного перерізу зрізу при різанні з тангенціальними вібраціями малих амплітуд змінюються незначно і їх можна не враховувати. При значному підвищенні амплітуд коливань та малих діаметрах деталей ці зміни необхідно враховувати, оскільки вони призводять до зміни глибини різання і як наслідок до коливань товщини та ширини зрізу.

При різанні з вібраціями можлива обробка у двох режимах -- безперервне та перервне різання. Процес перервного різання, що здійснюється за рахунок зміни швидкостей за один період коливань, складається з двох частин -- різання та відпочинку. За будь-яких режимів різання та вібрацій відрив інструмента настає в той момент, коли швидкість руху інструмента відносно оброблюваної поверхні деталі дорівнює нулю.

Коливальні рухи інструмента з метою дроблення стружки під час обробки на токарно-револьверних верстатах можуть бути забезпечені спеціальними різцетримачами з пружними елементами, що встановлені в револьверній головці та забезпечують коливальний рух різця від привода інструментального шпинделя. Пружні елементи виконують функцію напрямних чи шарнірів та з'єднують корпус різцетримача з віджимною частиною з різцем.

Враховуючи те, що різцетримачі з пружними елементами мають характеристики жорсткості, що суттєво відрізняються від аналогічних характеристик типових різцетримачів верстатів, їх вплив на динамічні процеси під час дроблення стружки потребує окремого дослідження.

Аналіз ступеня впливу конструктивних параметрів різцетримачів з пружними елементами на ефективність дроблення стружки може бути проведено на математичній моделі, що враховує коливальні процеси в основних вузлах верстата та параметри процесу різання.

Для більшості реальних динамічних систем токарних верстатів домінуючими є поперечні коливання в площині YOZ, що визначена в даних дослідженнях системою координат інструмента. Відомо, що основним фактором, що впливає на періодичну зміну сили різання, є зміна площі зрізу при відносних переміщеннях інструмента та деталі. Враховуючи це, зміну площі зрізу можна взяти за основу для аналізу впливу динамічних характеристик системи і окремих вузлів верстата на процес дроблення стружки.

Для математичного опису пружної системи верстата виділимо в його технологічній системі підсистеми, що здійснюють домінуючий вплив на процес дроблення стружки, а саме: інструмента та привода подачі. Доцільно динамічну модель підсистеми інструмента будувати при використанні головних координат, що дозволяє повністю розділити змінні, які визначають рух інструмента в довільній площині YОZ.

У відповідності до схеми, що наведена на рис.1, підсистема інструмента являє собою двомасову динамічну модель, що під впливом сили різання P(t) робить коливання в площині YОZ.

Рисунок 1 - Розрахункова схема пружної підсистеми різець-супорт токарного верстатав площині YОZ

Система рівнянь коливальних рухів підсистеми різець-супорт в головній системі координат :

де m₁ та m₂ - зведені маси пружної частини різцетримача та револьверного супорта; і та і - сумарні зведені коефіцієнти демпфірування і жорсткості різцетримача (m₁) та супорта (m₂) в напрямках головних осей координат Oз₁ і Оз₂ підсистеми різець - супорт; кут г = 90+б-в; P_0t - додаткова складова сили різання, що виникає внаслідок вимушених тангенціальних вібрацій інструмента при дробленні стружки; ц=2р•щ/щ_д - фазовий кут; F_тр=- - нелінійна залежність для сили тертя з від'ємним в'язким тертям (результат надходження енергії в систему) та додатнім тертям, на подолання якого витрачається енергія [4]. Частотно незалежне від'ємне тертя, що виникає при різанні, являє собою компоненту сили різання, що запізнюється відносно до товщини зрізу.

Зв'язок між довільною системою координат YOZ та головною системою координат для підсистеми різець-супорт визначається :

де кут в визначає орієнтацію головних осей жорсткості та підсистеми різець-супорт з координатною системою YOZ.

Привод подач, як складова частина верстата, повинен забезпечити створення необхідного тягового зусилля для переміщення робочого органу як зі швидкістю робочих подач, так і під час прискорених переміщень на холостому ході.

У сучасних верстатах з ЧПК основним є привод подач із замкнутою системою керування, що складається з високомоментного двигуна, пасової (зубчастої) передачі, передачі гвинт-гайка кочення та датчика зворотного зв'язку, встановленого на гвинті.

Динамічна модель приводу подач спрощено може бути представлена у вигляді тримасової моделі, що складається з зведених мас та моментів інерції таких складових, як ротор двигуна приводу, повзун супорта та різцетримач (рис.2).

Система диференціальних рівнянь руху підсистеми приводу подач можна подати у такому вигляді:

де J_3, m₂, m₁ - зведений момент інерції ротора двигуна, маса супорта та маса різцетримача відповідно; ц₂ та ц₃ - кут повороту ходового гвинта та зведений до нього кут повороту ротора двигуна привода подачі; h₂₃, c₂₃ - сумарні зведені коефіцієнти крутильного демпфірування і крутильної жорсткості приводу подачі; h_x12, c_x12 - сумарні зведені коефіцієнти демпфірування і жорсткості різцетримача в напрямку подачі; М_дв - момент двигуна приводу подачі; P_0x - додаткова складова сили різання, що виникає внаслідок вимушених вібрацій інструмента в напрямку поздовжньої подачі при дробленні стружки; F_ТР - сумарна сила тертя в напрямних повзуна супорта, гвинтовій передачі, підшипниках та ущільненнях; P_x(t) - осьова складова сили різання (в напрямку подачі); t_в - крок ходового гвинта.

Рисунок 2 - Модель тримасової динамічної підсистеми привода подач

Сила різання Р(t), у розглянутих вище моделях підсистем може бути подана у вигляді Р(t)= К_пит а(t)Ч b(t), де а(t) і b(t) - поточні значення товщини і глибини зрізу, що змінюються в часі; К_пит - питома сила різання, рівна , де у_о - умовне напруження4 - усадка стружки.

Врахування інерційності процесу різання, а саме відставання зміни сили різання від зміни товщини зрізу, враховується в формулі для сили різання введенням постійної процесу стружкоутворення, що при ступінчастому законі зміни припуску або товщини зрізу має вигляд [5]:

,

де - постійна процесу стружкоутворення; - поточне значення часу; - початкове значення часу в момент врізання різця .

Врахування можливого переривання процесу різання, пов'язаного із входом-виходом інструмента з деталі під час дроблення стружки здійснюється за такою залежністю:

 при a(t)·b(t) > 0;

при a(t)·b(t) ? 0.

Моделювання процесу дроблення стружки під час токарної обробки у випадку вимушених лінійних коливань різального інструмента паралельно напрямку поздовжньої подачі проілюстровано на рис.3. Виконано моделювання процесу безперервного вібраційного різання з амплітудою гармонійних коливань 0,15мм, що не перевищує величини поздовжньої обертової подачі (рис.3а) та перервного вібраційного різання з амплітудою 0,3мм, що перевищує величину обертової подачі (рис.3б). Одним з вихідних параметрів моделі є поточне значення сили різання, що на рис.3 проілюстровано від моменту врізання різця в заготовку (0,08 с) до 0,35с. Коливання сили різання обумовлене періодичною зміною площі зрізу внаслідок вібраційного руху різця. Із рис.3б бачимо, що при моделюванні перервного різання сила різання не набуває від'ємних значень, що б суперечило реальному процесу, а обнуляється в момент виходу різця із контакту з деталлю.

а) б)

Рисунок 3 - Розрахункове поточне значення сили різання Р(t) при безперервному вібраційному різанні (а) та перервному різанні (б)

Для реалізації процесу дроблення стружки на токарно-револьверних верстатах на рівні винаходів створено ряд ефективних конструкцій різцетримачів з пружними елементами в приводі коливальних рухів різця. На рис.4 наведено конструктивну схему різцетримача для дроблення стружки в тангенціальному напрямку [6]. Результати експериментальних досліджень цієї конструкції різцетримача [7] підтвердили ефективність використання різцетримачів з пружинною підвіскою різця та приводом коливальних рухів для дроблення стружки в процесі різання.

Рисунок 4 - Різцетримач для дроблення стружки, де 1 - корпус, 2 - пружні елементи,

3 - віджимна частина, 4 - різець, 5 - вал привода, 6 - ексцентрик, 7 - двоплечий важіль,

8 - шарнір, 9 - вісь повороту важеля

На рис. 5 наведено схему різцетримача для дроблення стружки в напрямку поздовжньої подачі [8]. Різцетримач складається з корпуса 1, встановленого в револьверній головці 2 токарно-револьверного верстата, та з'єднаного за допомогою кільцевого пружнього елемента 3 з віджимною частиною 4 з різцем 5. Пружний елемент 3 забезпечує можливість зміщення віджимної частини 4 відносно корпуса 1 під дією привода.

Рисунок 5 - Схема різцетримача для дроблення стружки в напрямку поздовжньої подачі

Привод коливальних рухів віджимної частини 4 складається з приводного вала 6, що має кінематичний зв'язок з приводом верстата 7 з безступінчатим регулюванням частоти обертання, кривошипа 8, вісь якого утворює з віссю вала 6 кут б, шайби 9, що виконує коливальні рухи навколо трьох осей та утримується від прокручування шпонкою 10, та шатуна 11. Шатун однією опорною частиною контактує з шайбою 9, а другою з віджимною частиною 4 з різцем 5. Зміна частоти коливань різця здійснюється безступінчато у діапазоні до 50 Гц за рахунок регулювання частоти обертання привода 7 від системи керування верстата.

При проектуванні пристроїв для дроблення стружки за рахунок вібраційного руху інструмента необхідно забезпечити такі параметри коливального руху, при яких виконувалося б надійне дроблення стружки за умови довговічності приводу коливань інструмента. Крім того, негативний вплив коливальних рухів на процес різання повинен бути мінімальним, для чого амплітуда коливань повинна бути якомога менше і при цьому забезпечувати миттєве переривання процесу різання, а частоту вимушених коливань різця потрібно якнайдалі віддалити від частот власних коливань вузлів верстата.

SUMMARY

In a paper the question of use of vibrational machining for subdivision of a swaft is considered. Theoretical bases of process of subdivision of a swaft, the description of constructions of special toolholders with elastic elements and results of experimental researches of efficiency of their using for subdivision of a swaft are given.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Вибрационное резание металлов / Н.И. Ахметшин, Э.М. Гоц, Н.Ф. Родиков/ Под.ред. К.М. Рагульскиса. - Л.: Машиностроение; Ленингр. отд-ние,1987.-80с.(Б-ка инженера; Вибрационная техника; Вып. 10).

2. Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрациями. - М.: Машиностроение, 1970. - 352 с.

3. Кумабэ Д. Вибрационное резание/ Пер. с яп. Масленникова С.Л. - М.: Машиностроение,1985.-424 с.

4. Василенко Н.В. Теория колебаний: Учебное пособие. - К.: Вища школа, 1992. - 430 с.

5. Кедров С.С. Колебания металлорежущих станков.-М.: Машиностроение, 1978.-199с.

6. Патент України № 38139А. Різцетримач / Бюл.№4, 2001р.- В23В25/02.

7. Шевченко О.В., Бєляєва А.Ю. Дроблення стружки на токарному верстаті в процесі різання // Вестник НТУУ “Киевский политехнический институт” Серия. Машиностроение.- Киев.- 2002. - Вып.43.- С.121-123.

8. Патент України № 56855А. Різцетримач / Бюл.№ 5.- 2003.- В23В25/02.