Підвищення продуктивності чорнової обробки плоских поверхонь чавунних деталей торцевими фрезами з надтвердих матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Підвищення продуктивності лезової чорнової обробки плоских поверхонь фрезеруванням є важливою задачею металообробного виробництва. Ефективним шляхом вирішення даної задачі є впровадження процесів обробки прогресивними інструментами, оснащених новими інструментальними матеріалами з високими фізико-механічними властивостями. Зокрема запровадження процесів торцевого фрезерування надтвердими матеріалами замість обробки твердосплавними фрезами дозволяє досягати одночасного підвищення продуктивності і якості обробки деталей та гарантує ріст ефективності верстатобудування та машинобудування в цілому. Впровадження надтвердих матеріалів на операціях чорнової обробки плоских поверхонь чавунних деталей є особливо актуальним, оскільки до 27% від загального числа виготовлених деталей на верстатах із ЧПУ і багатоцільових верстатах припадає на корпусні деталі, а на трудомісткість їхньої обробки - близько 60% сумарної трудомісткості.

Підвищення продуктивності при знятті припусків 8...10 мм на чорнових та попередніх операціях торцевого фрезерування вимагає застосування прогресивних схем різання, визначення параметрів обробки при яких забезпечується максимальна ефективність даного процесу. Крім того комплекс властивостей нових інструментальних матеріалів потребує пошуку нових підходів до проектування інструменту, геометрії різальних елементів та режимів різання.

Дослідження розглянутих перспективних напрямків підвищення продуктивності чорнової обробки, при забезпеченні стабільності процесу та стійкості торцевих фрез оснащених НТМ, має важливе значення і є актуальним на сучасному етапі розвитку машинобудування та науки про інструмент і різання металів.

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є підвищення продуктивності чорнової обробки плоских поверхонь чавунних деталей торцевими фрезами зі спірально-ступінчастим розташуванням ножів, оснащених надтвердими матеріалами, із забезпеченням стабільності фрезерування шляхом використання раціональних параметрів фрез та режимів їх роботи.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

· встановити умови ефективної роботи чорнових торцевих фрез з НТМ на основі порівняльного аналізу конструкцій і геометричних параметрів фрез, характеристик процесу чорнового торцевого фрезерування, матеріалів різальної частини ножів та їх впливу на продуктивність чорнової обробки і стійкість інструменту;

· визначити геометричні параметри фрез та режими їх роботи за умови мінімізації динамічного перевантаження ножа за допомогою розробленої моделі процесу врізання косокутного безвершинного ножа чорнової торцевої фрези в заготовку із врахуванням перехідних явищ;

· визначити вплив конструкції фрези, схеми зрізання припуску та режимів експлуатації інструменту на динамічну стабільність процесу обробки плоских поверхонь торцевими фрезами з надтвердих матеріалів за допомогою розробленої моделі багатоножового чорнового торцевого фрезерування;

· експериментально встановити взаємозв'язок між режимами обробки і основними геометричними параметрами ножа фрези і величинами складових сили різання і нормальних середніх напружень на передній поверхні ножа;

· дослідити вплив режимів різання на стійкість торцевих фрез з НТМ та характер зношування різальних їх елементів при чорновій обробці чавунів;

· обґрунтувати конструктивні параметри фрези, схеми зрізання припуску, геометрію інструменту та режими різання для досягнення підвищення продуктивності.

1. Аналіз особливостей конструкцій та геометричних параметрів фрез, характеристик процесу та інструментальних матеріалів

Аналіз механізмів регулювання осьового та торцевого биття різальних елементів торцевих фрез, типів і форм полікристалів з НТМ, методів їх закріплення в інструменті та схем зняття припуску показав необхідність застосування спірально-ступінчастої схеми розташування різальних елементів та розподілу припуску за глибиною та подачею, регулювання осьового та радіального положення різальних елементів та доцільність оснащення різальних елементів непереточуваними круглими пластинами при стандартній геометрії та переточуваними напаяними пластинами при використанні спеціальної геометрії.

Дослідження впливу режимів різання та геометричних параметрів ножів фрез при обробці чавунних заготовок на продуктивність обробки і стійкість інструменту дозволило встановити загальні межі ефективної роботи фрез з НТМ, однак аналіз даних явищ показав, що надійні практичні рекомендації відносно раціональних параметрів процесу майже відсутні.

Встановлено, що загальною умовою ефективної обробки чорновими торцевими фрезами з НТМ є використання обладнання з високими показниками точності та жорсткості і методів стабілізації процесу обробки.

2. Аналітичні дослідження динаміки процесу чорнового фрезерування на базі розроблених математичних моделей процесів одно- та багатоножового торцевого фрезерування

Забезпечення на максимально високому рівні стійкості інструменту може бути досягнуте за рахунок мінімізації перехідних процесів, викликаних ударною взаємодією інструменту і заготовки в моменти його врізання/виходу.

Відомим є закон навантаження еквівалентної динамічної пружної системи, що забезпечує відсутність перевантаження системи при імпульсних навантаженнях і який характеризується значенням коефіцієнта динамічності . Запропоновано досягнення таких умов навантаження оброблюючої системи за рахунок наближення динамічної поведінки реальної системи до вказаної шляхом варіювання конструктивних та геометричних параметрів фрез, режимів і схеми обробки. Математично поставлену задачу можна описати наступною залежністю:

, (1)

де - оптимальний закон навантаження динамічної пружної системи; - розрахункова залежність навантаження реальної динамічної системи; г, л, r - передній кут, кут нахилу головної різальної кромки та радіус різальної пластини відповідно; - діаметр фрези; ,n, t - подача на зуб, частота обертання фрези та глибина різання відповідно; е, B - ексцентриситет та ширина заготовки відповідно; и - кут, який визначає положення вершини різального елемента.

При розгляді однократного врізання при наявності сліду від попереднього різу по необробленій плоскій поверхні при стабільному значенні припуску, що зрізається, а також наявності радіусної косокутної різальної кромки та рівномірний розподіл навантаження залежність навантаження реальної системи можна представити через відношення поточної площі до повної площі контакту передньої поверхні ножа з заготовкою (2). Визначення поточної площі контакту проводиться при розбитті повної площі на ділянку до моменту перетину передньої поверхні ножа і після контакту ножа з верхньою площиною заготовки.

. (2)

На базі аналізу впливу вихідних параметрів на характер навантаження згідно із запропонованою моделлю встановлено, що найбільш ефективним шляхом досягнення співпадання розрахункового та оптимального характерів навантаження косокутного безвершинного ножа торцевої фрези є варіювання значень глибини різання, переднього кута, кута нахилу головної різальної кромки та значення ексцентриситету положення фрези відносно заготовки.

Для визначення раціональних параметрів геометрії ножа фрези, режимів і схеми обробки необхідним є додаткове експериментальне визначення реальних значень таких вхідних параметрів моделі, як: узагальнена маса , жорсткість та коефіцієнт демпфування динамічної пружної системи.

З метою перевірки умови міцності різальної частини ножа фрези та згідно з поставленою задачею щодо підвищення зносостійкості інструменту розроблено геометричну модель для визначення залежностей площі контакту передньої поверхні ножа із заготовкою від кінематичних та геометричних параметрів процесу торцевого фрезерування із врахуванням змінності зрізу по ширині заготовки.

Необхідно відмітити, що в даній моделі, на відміну від типових, враховані наступні особливості: рух ножа фрези в процесі різання по циклоїді, кут між площинами передньої поверхні у двох послідовних циклах траєкторії, наявність частини площі зрізу у від'ємній півплощині напрямку - координата .

В результаті моделювання встановлено типовий характер впливу основних вихідних параметрів моделі на площу контакту і значний та нелінійний вплив кута нахилу головної різальної кромки.

У відповідності до поставлених задач проводилось аналітичне дослідження впливу конструктивних параметрів торцевих фрез, режимів і схеми обробки на силові показники багатоножового торцевого фрезерування, що реалізовано шляхом створення удосконаленої математичної моделі процесу обробки, яка, на відміну від існуючих, враховує наявність перехідних процесів в моменти врізання/виходу ножів фрези, змінну кількість ножів, які приймають участь в різанні, неоднаковість товщини і ширини шару, що зрізається окремим ножем внаслідок торцевого та радіального биття ножів.

Моделювання проводилось в інтегрованому математичному середовищі MatLAB - пакет Simulink.

Аналіз результатів проведених досліджень показав їх відповідність типовим залежностям впливу конструктивних параметрів фрез, схеми і режимів обробки на сумарне значення складових сил різання, що підтверджує адекватність розробленої моделі для прогнозування сумарних значень сил різання при чорновому торцевому фрезеруванні спірально-ступінчастими фрезами з надтвердих матеріалів.

3. Конструкція експериментальної чорнової торцевої фрези, яка дозволяє реалізовувати різні схеми зняття припуску, алгоритм її складання та налагодження, розроблений апаратно-програмний комплекс для визначення силових характеристик процесу фрезерування та методики проведення експериментальних досліджень

Розроблено алгоритм збирання даної торцевої фрези з реалізацією різних схем зняття припуску, який дозволяє виставляти різальні елементи з точністю в радіальному напрямку ±0,01 мм, в осьовому - ±0,01 мм і в торцевому -± 0,002 мм.

Для визначення силових характеристик процесу чорнового торцевого фрезерування розроблено та виготовлено апаратно-програмний комплекс. Використання динамометра, удосконаленого за рахунок введення спроектованої плати підсилення, стабілізації та регулювання сигналу дозволило проводити реєстрацію значень складових сили різання за допомогою аналого-цифрового перетворювача L-Card серії Е-440 в автоматизованому режимі.

Проведено планування експериментальних досліджень з визначення силових та стійкісних показників процесу одно- та багатоножового торцевого фрезерування та представлені методики визначення статичних та динамічних параметрів технологічної обробної системи.

4. Експериментальні та аналітико-експериментальні дослідження впливу режимів різання на період стійкості і характер зношування ножів з НТМ, визначення значень складових сили різання, середніх нормальних контактних напружень на передній поверхні, жорсткості верстата, узагальнених характеристик динамічної обробної системи та раціональних геометричних параметрів ножа фрези і її режимів експлуатації

Згідно з представленими в розділі 3 методиками експериментально визначено значення узагальненої маси, жорсткості та коефіцієнта демпфування обробної системи. Аналіз отриманих амплітудно-частотних характеристик системи показав, що в досліджуваному діапазоні зміни режимів різання резонансні частоти відповідають власним коливанням стола. Отримані значення узагальнених динамічних характеристик використані для пошуку раціональних геометричних параметрів та режимів різання, що забезпечують мінімізацію перевантаження ножа фрези, який реалізується через математичну модель, запропоновану в розділі 2. В результаті проведених розрахунків встановлено, що вхідні параметри впливають на значення дисперсії між оптимальною і розрахунковою залежністю навантаження:

,

де - кількість замірів, - різниця в і-й точці (1), наступним чином: збільшення глибини різання та радіуса при вершині призводить до зростання перевантаження ножа, подачі на зуб та переднього кута - до його зменшення, частота обертання фрези не впливає на даний показник, а кут нахилу головної різальної кромки та координата центра фрези (ексцентриситет) мають суттєвий і нелінійний вплив з наявністю одного та більше екстремумів.

На основі аналізу дослідження отримані наступні рекомендації: збільшення подачі на зуб при одночасному заданні малих значень кута різання (ексцентриситету ), задання значень кута нахилу головної різальної кромки в межах від -3...-10, надання радіусу при вершині значень в діапазоні 3...5 мм, загострення ножа фрези з від'ємним переднім кутом в межах -5...0 дозволяють мінімізувати перевантаження ножа.

За допомогою розробленого апаратно-програмного комплексу експериментально визначено значення складових сили різання при обробці чавуну СЧ 20 фрезами, оснащеними НТМ марки гексаніт-Р. Математична і статистична обробка отриманих результатів дозволила побудувати узагальнену степеневу залежність типу:

,

для якої визначені значення постійного коефіцієнта та показників степені. Аналіз впливу режимних і геометричних параметрів процесу чорнового торцевого фрезерування на значення складових сили різання дозволив встановити, що дані залежності носять характер, типовий для фрезерування НТМ. Особливостями використання косокутної безвершинної геометрії є: у всьому діапазоні зміни вихідних параметрів співвідношення складало 1,73...3,12, яке при гостровершинному незношеному інструменті приймає значення менші одиниці; збільшення радіуса призводить до лінійного зростання всіх складових сили різання, найбільший вплив спостерігається на складову .

На основі отриманих експериментальних силових залежностей досліджено нормальні середні напруження на передній поверхні ножа, і встановлено, що в досліджуваному діапазоні режимів різання і параметрів геометрії ножа фрези напруження на 30-40 % менші межі витривалості НТМ, однак в додатній області значень кута нахилу головної різальної кромки та значних від'ємних значеннях переднього кута напруження близькі до межі витривалості.

Враховуючи рекомендації щодо вибору раціональних режимів обробки і геометрії ножа фрези за умови мінімізації його перевантаження та результатів досліджень нормальних середніх напружень, проведено дослідження впливу подачі, глибини та швидкості різання на характер зношування та період стійкості фрез з НТМ марки гексаніт-Р при обробці чавуну при незмінних значеннях геометрії (передній кут , кут нахилу головної різальної кромки , радіус при вершині мм, задній кут ). Результати досліджень показали, що за рахунок використання раціональної геометрії можливе досягнення періоду стійкості Т = 250…350 хв, що відповідає рівню чистових та напівчистових процесів торцевого фрезерування НТМ.

Оптичні дослідження зношування ножів фрез у всьому досліджуваному діапазоні зміни режимів різання при чорновій обробці чавуну СЧ 20 торцевою фрезою, оснащеною НТМ марки гексаніт-Р показали рівномірний характер зношування різальної кромки з подальшим осипанням, в деяких випадках спостерігається утворення мікросколів з подальшою інтенсифікацією зношування на даних ділянках.

При застосуванні геометрії та режимів різання, які не відповідають розробленим рекомендаціям, а саме: при додатніх значеннях кута нахилу головної різальної кромки та значному від'ємному значенні переднього кута спостерігається інтенсивне зношування, яке характеризується зародженням та ростом тріщин з наступним руйнуванням різальної пластини.

Для оцінки стабільності процесу торцевого чорнового фрезерування досліджено вплив конструктивних параметрів фрез зі спірально-ступінчатими схемами різання і режимів їх експлуатації на коефіцієнт нерівномірності фрезерування:

.

Особлива увага при дослідженні стабільності обробки приділялась впливу типу кривих вищих порядків, за якими проводилось розміщення ножів у спірально-ступінчастій схемі різання, на нерівномірність фрезерування. Розрахунки коефіцієнта нерівномірності фрезерування дозволили встановити, що швидкість різання не впливає на нерівномірність обробки оскільки її вплив спостерігається тільки на величину сили, а не на характер її зміни. Тому при дослідженні стабільності багатоножового фрезерування швидкість різання не враховувалась.

Аналіз отриманих результатів показав підвищення стабільності обробки при збільшенні значень подачі та глибини різання за рахунок зменшення впливу торцевого та радіального биття ножів фрези на перерозподіл припуску, що зрізається, між окремими ножами фрези.

Подібний вплив на нерівномірність чорнового торцевого фрезерування має відношення ширини заготовки до діаметра фрези. При зміні відношення B/D в межах 0,4...0,8 спостерігається зменшення значення коефіцієнта нерівномірності в 1,85...2,16 рази.

Узагальнення рекомендацій щодо вибору раціональних типів кривих вищих порядків для розташування по них різальних елементів фрез дозволило встановити, що в більшості випадків багатоножового торцевого фрезерування при кількості ножів в спіралі 6 ... 12 перевагу має спіраль Архімеда, для вузьких поверхонь при малій кількості ножів в спіралі - параболічна спіраль, а для широких поверхонь - логарифмічна спіраль.

За результатами комплексу експериментальних досліджень, розроблених математичних моделей та аналітичних залежностей, створено керівні матеріали щодо проектування чорнових торцевих фрез з надтвердих матеріалів та вибору раціональних режимів різання та геометрії ножів досліджуваних фрез, при застосуванні яких забезпечується підвищення продуктивності чорнової обробки чавунних деталей у 2-4 рази.

Висновки

фреза різальний надтвердий торцевий

1. Вперше, за рахунок використання раціональних конструктивних параметрів торцевих фрез з надтвердих матеріалів та режимів їх роботи, визначених на основі розроблених математичних моделей та експериментальних досліджень, вирішена задача підвищення продуктивності чорнової обробки плоских поверхонь чавунних деталей.

2. На основі проведеного порівняльного аналізу особливостей конструкцій та геометричних параметрів фрез, характеристик процесу та інструментальних матеріалів виявлено доцільність використання чорнових торцевих фрез, оснащених НТМ, за умови застосування спірально-ступінчастих схем різання для розташування ножів фрез в межах зміни: подачі на зуб - 0,05...0,25 мм/зуб ( 800...1600 мм/хв), сумарних глибин різання - 4...12 мм, швидкості різання - 8…25 м/с та НТМ марки гексаніт-Р.

3. За допомогою розробленої аналітичної моделі чорнового торцевого фрезерування встановлений негативний вплив на динамічне перенавантаження ножів в процесі їх врізання у заготовку кута нахилу головної різальної кромки в діапазоні додатних значень та великих додатніх значень кута врізання (ексцентриситету осі фрези та заготовки). Позитивно впливають на вказану характеристику: збільшення подачі на зуб до 0,2...0,25 мм/зуб та зменшення радіуса при вершині ножа до 3...5 мм.

4. Експериментально встановлено, що при зміщенні діапазону глибин різання до 0,75...1,25 мм на один ніж та швидкості різання до 24,5 м/с силові залежності мають типовий характер, а саме: спостерігається тенденція до пропорційного збільшення складових сили різання при зростанні величин подачі, глибини, переднього кута та їх зменшення при підвищенні швидкості різання.

5. Розроблено математичну модель процесу багатоножового чорнового торцевого фрезерування для проведення силового аналізу, яка, на відміну від існуючих, враховує похибки розташування ножів фрези і елементів режимів різання та перехідні процеси при врізанні і виході ножів. Визначено, що збільшення подачі на зуб в межах 0,05...0,25 мм/зуб (630...1600 мм/хв) та сумарної глибини різання 6…12 мм призводить до зменшення коефіцієнта нерівномірності фрезерування на 15-20 %, а зростання відношення ширини заготовки до діаметра фрези від 0,4 до 0,8 у 2,5…3 рази. Також встановлено, що із зменшенням діаметра фрези перевага повинна надаватися конструкціям з більшою кількістю спіралей, при кількості ножів в спіралі 6...12 перевагу має спіраль Архімеда, для вузьких поверхонь при малій кількості ножів у спіралі - параболічна спіраль, а для широких поверхонь - логарифмічна спіраль.

6. Експериментально доведено, що при заданих умовах проведення досліджень спостерігається рівномірний характер зношування різальної кромки з подальшим осипанням кромки, що досягається за рахунок використання раціональної геометрії ножів фрез та режимів їх експлуатації.

7. На базі проведених теоретико-експериментальних досліджень розроблено рекомендації щодо практичного застосування чорнових торцевих фрез з НТМ із спірально-ступінчастими схемами різання при обробці чавунних деталей з наступними режимами: швидкість різання - 11,7...24,5 м/с, подача на зуб - 0,1...0,25 мм/зуб, сумарна глибина різання - 6...12 мм, що забезпечує підвищення продуктивності обробки в 2-4 рази.

8. Розроблені конструкції чорнових торцевих фрез з надтвердих матеріалів, керівні матеріали щодо вибору умов їх ефективної експлуатації та узагальнені результати досліджень передані для впровадження у виробництво на ВАТ “Верстатуніверсалмаш” (м. Житомир) та ВАТ “Вібросепаратор” (м. Житомир) для чорнової обробки ряду корпусних чавунних деталей з очікуваним річним економічним ефектом 14426,38 грн./рік та 11372,06 грн./рік відповідно.

Література

1. Бушля В.М. Особливості глибинної обробки торцевими фрезами, оснащеними надтвердими матеріалами // Вісник ЖДТУ. - 2003. - № 2 (26). - Т.2 / Технічні науки. - С. 15-28.

2. Бушля В.М. Вплив геометричних та кінематичних параметрів торцевого фрезерування на площу контакту передньої поверхні безвершинного косокутного ріжучого елементу // Вісник ЖДТУ. - 2007. - № 2 (41). - Т.2 / Технічні науки. - С. 3-11.

3. Бушля В.М., Виговський Г.М., Громовий О.А., Мельничук П.П. Комп'ютерне моделювання процесу обробки ступінчатими торцевими фрезами // Резание и инструмент в технологических системах. НТУ “ХПИ”. - 2001. - Вып. 60. - С. 144-153.

4. Виговський Г.М., Мельничук П.П., Бушля В.М. Напрямки удосконалення чистових торцевих фрез для обробки плоских поверхонь деталей // Вісник СумДУ (Технічні науки) - Суми, СумДУ. 2002. - № 2 (35), - С. 19-23.

5. Виговський Г.М., Бушля В.М. Характеристики процесу врізання для глибинної обробки торцевими фрезами // Вісник СумДУ (Технічні науки) - Суми, СумДУ. 2003. - № 2 (48), - С. 12-18.

6. Виговський Г.М., Бушля В.М. Моделювання миттєвих значень сил різання при глибинному торцевому фрезеруванні інструментом оснащеним надтвердими матеріалами // Процеси механічної обробки в машинобудуванні - Житомир: ЖДТУ, 2005. - Вип. 2. - С. 197-202.

Размещено на Allbest.ru