Підвищення стійкості токарних твердосплавних різців керуванням віброактивністю процесу різання

Підвищення стійкості токарних твердосплавних різців керуванням віброактивністю процесу різання

Я. А. Степчин

Житомирський державний технологічний університет

Поставлення проблеми

У сучасних умовах зростання вимог до точності виготовлення деталей (і заготовок) збільшується частка чистових операцій у загальному часі обробки різанням. Різальний інструмент є одним з найменш надійних елементів технологічної обробної системи (ТОС) [1], тому підвищення його періоду стійкості є однією з основних задач машинобудування.

Вагомою складовою, що впливає на стійкість інструменту та якість обробки, є рівень та характеристики вібрацій, що виникають у ТОС. Вплив вібрацій на стійкість інструментів (та якість обробки) загалом оцінюється негативно [2, 3, 4, 5], за винятком випадку введення вібрацій у зону різання для поліпшення умов обробки важкооброблюваних металів та сплавів. У цьому випадку визначаються вузькі діапазони варіювання частот та амплітуд коливань, що забезпечують додатній вплив на умови обробки різанням [3, 5, 6].

Але отримані залежності стійкості лезових інструментів від основних параметрів вібраційних процесів при різанні рекомендації щодо протидії вібраціям [3, 6] не враховують зміни поточних характеристик ТОС з часом зношення різця, відповідно визначають найкращі умови безвібраційної обробки у визначений (найчастише за все, початковий) момент часу.

Таким чином, є необхідність у методах, що забезпечать більш повне використання ресурсу кожного різального інструменту на основі визначення умов оптимальної поза рівнем вібрацій обробки різанням з поточним контролем та підтримкою досягнутого рівня “маловібраційного” режиму обробки протягом всього періоду стійкості інструменту.

Мета дослідження

Визначення взаємозв'язку спрацювання різальних інструментів (на прикладі токарних твердосплавних різців) із зміною динамічних характеристик процесу різання (ПР) і розроблення методу підвищення стійкості токарних твердосплавних різців керуванням віброактивністю процесу різання.

Основна частина

Для досягнення поставленої мети були виконані теоретичні та експериментальні дослідження динамічної поведінки складових ТОС [7], побудована її математична модель [8] та визначено вплив на стійкість токарних різців параметрів віброактивності процесу різання та умов обробки.

Теоретичні дослідження динамічної поведінки ТОС при спрацюванні різця показали значну залежність віброактивності системи від зношування різця - найбільше зростання віброактивності простежується на першій частоті власних коливань “системи інструменту” [8] (супорта по „головній осі жорсткості”) щ₃ = 4230 с^-1 (рис. 1).

У експериментальних дослідженнях було застосовано крейтову систему LTC (для віброакустичних досліджень) виробництва LCard для запису сигналу з п'єзоакселерометра підсилення аналого-цифрового перетворення та передачі на ПЕОМ.

Визначено основні динамічні характеристики досліджуваної ТОС (на основі верстата КА-280), залежність віброактивності ПР від зміни параметрів режиму різання, геометрії, вильоту різця та способу встановлення заготовки.

Також визначено взаємозв'язок стійкості токарних твердосплавних різців з рівнем віброактивності ПР.

На основі виконаних досліджень розроблено метод керування стійкістю, який за рахунок призначення „оптимальних” (за вибраних вхідних умов) параметрів режиму різання та їх зміною з часом підтримує рівень віброактивності процесу різання, що забезпечує подовження періоду стійкості токарного різця.

Рисунок 1 - АФЧХ розімкнутої системи (верстат КА-280). Вхідні параметри токарної обробки: а = 0,05 мм, в = 1 мм, V = 250 м/хв, К = 2, усталене різання. Величина фаски спрацювання по задній поверхні різця h = 0,1 мм. щ₁ = 1330 с^-1 - перша власна частота згинаючих коливань шпинделя (з трикулачковим патроном і заготовкою). щ₂ = 1830с^-1, щ₃ = 4220с^-1 - власні частоти згинаючих коливань супорта по головних осях жорсткості, щ₄ = 4670 с^-1 - перша власна частота крутних коливань шпинделя

На рисунку 2 наведені експериментальні графіки (а та б), що показують зміну “оптимальних” за рівнем віброактивності обробки параметрів V та S з часом зношення різця (збільшенням фаски зношення по задній поверхні h).Послідовно змінюючи складові режиму різання - варіанти 1 - 3 - 4 - (рис. 2) є можливість виконувати обробку при фіксованих значеннях S та V, коли при збільшенні фаски спрацювання підтримується мінімум вібрацій.

Рисунок 2 - Співвідношення віброактивності процесу різання, параметрів режиму різання та спрацювання токарного різця. Графік а - мінімальна віброактивність за умов t = 0,5 мм, ц = 90?, г = 10?, б = 6?, б - t = 0,5 мм, ц = 45?, г = 0?, б = 8?. Зона в - підвищена віброактивність обробки

При порівнянні варіанта 1 - 3 - 4 з найкращими варіантами ( точки 3 та 5) сталих S, V отримуємо зростання ефективності обробки за критерієм максимальної площі обробленої поверхні не меньше ніж на 36% (точка 3), за продуктивністю обробки - на 35% (точка 5), для варіантів 2-3-4 ? 28% та 12 % відповідно [7].

На рисунку 3 подана номограма, що дозволяє визначати набір оптимальних за рівнем вібрацій пар V та S при зміні інших вхідних умов для заданих верстата, типу інструменту та набору типових деталей без подальшого використання обладнання для віброакустичної діагностики. Враховуючи, що верстати, оснащення та інструмент, призначені для автоматизованої лезової обробки, повинні відповідати високим вимогам з точності та уніфікації елементів, є можливість обмежити діапазон варіювання вхідних параметрів.

Рисунок 3 - Номограма для визначення оптимальних за рівнем вібрацій параметрів режиму різання. 1 - базовий графік, що відповідає геометрії різця г = 0?, ц = 90? (93?);

2 - г = - 15?, ц = 45?; 3 - г = 10?, ц = 90?. 4 - гранично допустимі значення швидкості; а - діапазон недоцільних за рівнєм продуктивності значень швидкості різання;

б - діапазон подач, що знижують показники якості обробки

Таким чином, цілеспрямовано змінюючи у процесі обробки різанням співвідношення швидкість різання - подача з метою зниження віброактивності процесу різання, є можливість керувати стійкістю інструменту та підвищувати ефективність обробки.

Summary

The increase capacity for work head-alloyed turning tools in the control vibrations cutting process. The questions of results investigation dependence capacity for work head-alloyed tools of the vibrations characteristics cutting process. This article propose the method investigation good cutting regime by level vibrations.

Cписок літератури

1. Гольдрайх Г. М., Деревянченко А. Г., Джугурян Т.Г., Капительман Л. В. Управление технологической системой прецизионных станков по состоянию режущих инструментов//СТИН. - 1995. - № 6. - С. 5- 11.

2. Жарков И.Г., Попов И.К. Влияние автоколебаний станка на стойкость инструмента //Станки и инструмент. - 1971. - №5. _ С. 26-28.

3. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом.- Л.: Машиностроение, 1986. - 184 с.

4. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. - М.: Машиностроение, 1976. - 278 с.

5. Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрациями. _ М.: Машиностроение, 1970. _ 351 с.

6. Исаев А.И., Анохин В. С. Влияние ультразвуковых колебаний на стойкость инструмента при резании металлов // Вестник машиностроения. - 1982. - №8. - С. 121-127.

7. Мельничук П.П, Степчин Я.А. Керування стійкістю токарних твердосплавних різців в умовах віброактивності технологічної обробної системи: Збірник наук. праць КНТУ. - 2004. _ Вип.15.- 484 с.

8. Мельничук П.П., Степчин Я.А. Оцінка динаміки ТОС при спрацюванні токарного різця // Вісник ЖДТУ. _Технічні науки. - 2004. - №4(31), Т.1. - С. 66-69.