Проектирование сменных многогранных пластин для токарных резцов

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СМЕННЫХ МНОГОГРАННЫХ ПЛАСТИН ДЛЯ ТОКАРНЫХ РЕЗЦОВ

Учебное пособие





















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.9.02
ББК 34.63
      П79

Авторы: Хлудов С. Я., Маркова Е. В., Чечуга О. В., Якушенков А. В.


Рецензенты:
канд. техн. наук, заместитель генерального директора НПФ «Техполиком», ФГАОУ ВО НИТУ «МИСиС» Григорий Анатольевич Нуждин;
доктор техн. наук, профессор кафедры «Технология машиностроения», ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет»
Валерий Васильевич Иванов




П79 Проектирование сменных многогранных пластин для токарных резцов : учебное пособие / [Хлудов С. Я. и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 104 с. : ил., табл.
            ISBN 978-5-9729-1390-9

            Описаны физические процессы и схемы разрушения сливной стружки при точении на многовитковые или отдельные элементы в условиях чистового точения при обработке материалов групп P и M (по классификации ISO). Разработаны алгоритмы управления и прогнозирования формы сходящей стружки в условиях чистовой токарной обработки. Теоретически и экспериментально установлены и описаны критерии ломания стружки в условиях токарной обработки.
            Для студентов, обучающихся по специальности «Инструментальные системы машиностроительных производств» (направление подготовки дипломированных специалистов «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»).

УДК 621.9.02
ББК 34.63











ISBN 978-5-9729-1390-9

     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ......................................................5
1. РАЗРУШЕНИЕ ВИТКА СТРУЖКИ КАК ПРОЦЕССА СТРУЖКОЛОМАНИЯ................................................6
1.1. Актуальность процесса разрушения витка стружки...........6
1.2. Состояние вопроса разрушения витка стружки при точении..10
1.2.1. Анализ существующих способов разрушения витка стружки.10
1.2.2. Анализ разрушения витка сливной стружки как процесса..13
1.3. Анализ функционального назначения участков передней поверхности СМП..............................................15
1.4. Особенности построения передней поверхности сменных многогранных пластин.................................16
2. АНАЛИЗ ТЕОРИЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА СТРУЖКОЗАВИВАНИЯ.......................27
2.1. Анализ существующих схем стружкозавивания...............27
2.2. Форма и параметры витка стружки, образующейся при точении пластичных материалов............................40
2.2.1. Форма витка сливной стружки...........................40
2.2.2. Параметры витка сливной стружки.......................47
2.3. Взаимодействие витка стружки с выступами и уступами, расположенными на передней поверхности СМП...................51
Выводы по главе 2............................................60
3. АНАЛИЗ СХЕМ РАЗРУШЕНИЯ ВИТКА СТРУЖКИ КАК ПРОЦЕССА СТРУЖКООБРАЗОВАНИЯ..............................61
3.1. Внешнее воздействие на виток стружки со стороны препятствий.......................................61
3.1.1. Взаимодействие витка стружки в форме винтовой и плосковинтовой спиралей с препятствиями....................61
3.1.2. Взаимодействие витка стружки в форме цилиндрической спирали с препятствиями......................................77

3

3.1.3. Взаимодействие витка стружки в форме плоской спирали с препятствиями............................................86
Выводы по главе 3..........................................90
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................91
Список использованных источников...........................92

4

ВВЕДЕНИЕ


     Проектирование технологического процесса изготовления деталей машин и механизмов должно учитывать необходимость эффективного использования высокопроизводительного оборудования. Использование обрабатывающих центров, станов с ЧПУ при обработке материалов групп Р и М по классификации ISO предъявляет особые требования к инструментальному обеспечению. Одним из таких требований является разрушение витка сливной стружки.
     Отсутствие разрушения витка сливной стружки вызывает снижение производительности, повышение себестоимости и при этом не обеспечивается требуемое качество обработанной поверхности.
     В настоящее время наиболее широко используемый способ разрушения витка стружки основан на использовании сменных многогранных пластин (СМП) со специальной формой передней поверхности. В то же время в литературе отсутствуют теоретически обоснованные методики проектирования передней поверхности СМП. Такие методики являются секретами каждой фирмы-изготовителя твердосплавного инструмента. Учитывая, что используемый режущий инструмент с механическим креплением СМП в большей степени является произведенным зарубежными фирмами, отечественные инструментальные предприятия испытывают проблемы при решении вопросов импортозамеще-ния. Поэтому задача разработки методик проектирования прогрессивных импортозамещающих конструкций СМП со специальной формой передней поверхности, обеспечивающей разрушение витка, то есть благоприятной формы стружки, является актуальной задачей.

5

1. РАЗРУШЕНИЕ ВИТКА СТРУЖКИ КАК ПРОЦЕССА СТРУЖКОЛОМАНИЯ

1.1. Актуальность процесса разрушения витка стружки

     Особенностью современного машиностроения является использование для изготовления его изделий материалов групп Р и М, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками. Эти группы составляют материалы, при обработке которых на высоких скоростях резания образуется сливная непрерывная стружка. В зависимости от рода и механических свойств обрабатываемого материала, геометрических параметров и формы передней поверхности режущего инструмента, условий обработки в процессе точения образуется сливная стружка, принимающая различную форму и размеры ее витка.
     Отсутствие разрушения витка сливной стружки вызывает снижение производительности, повышение себестоимости, и при этом не обеспечивается требуемое качество обработанной поверхности (рис. 1.1).
     Причины образования стружки различной формы, проблема управления ее сходом и последующее разрушение витка являлись и являются предметом пристального внимания многих исследователей [6, 27, 47, 49, 51, 54, 67, 70, 71, 76, 78, 80, 86, 94, 95, 99, 117].
     Развитие науки о резании металлов тесно связано с возрастанием актуальности задачи разрушения витка стружки. При использовании инструментов с режущей частью, выполненной только из инструментальных сталей, обработка производилась с небольшими скоростями резания [71]. Поиск оптимальной геометрии режущего клина в этот период осуществлялся в направлении повышения стойкости инструмента [49]. В случае, когда стружка имела неблагоприятную форму и излишне загромождала рабочее место, требовались дополнительные затраты на ее уборку. В условиях чистовой токарной обработки задача ломания стружки являлась второстепенной и решалась рабочим путем механического воздействия на нее или за счет приостановки процесса резания. Разработка и внедрение твердых сплавов для оснащения режущей части инструментов позволили резко увеличить скорости резания. Возрос объем срезаемой стружки и, соответственно, затраты на ее удаление [18, 54]. Увеличилась скорость ее движения. Удаление стружки, имеющей высокую температуру и острые зазубренные края, из рабочего пространства непосредственно оператором часто становилось причиной производственных травм. Необходимость постоянного контроля над процессом обработки являлась в этот период сдерживающим фактором распространения многостаночного обслуживания [49, 71].


6

Рисунок 1.1. Взаимосвязь непрерывной сливной стружки с выходными параметрами лезвийной обработки

     Исследования процесса стружкообразования, имеющие цель установления рациональной геометрии режущего клина твердосплавного инструмента и оптимальных режимов резания, касались и проблемы разрушения витка стружки. Результатами таких исследований явились конструкции передней поверхности со стружкозавивающими элементами. Однако найденные решения успешно реализовывались только в рамках конкретной операции, а при изменении условий обработки требовали их корректировки. Тем не менее, этот период характеризовался накоплением достаточно большого экспериментального материала, который позднее был обобщен и реализован в рекомендациях по проектированию передней поверхности токарных резцов [6, 20, 47, 58, 81].
     Стремление к повышению производительности обработки привело к прогрессу в области станкостроения и к созданию новых режущих материалов. Применение твердых сплавов с покрытием позволило значительно повысить скорость резания и уменьшить время обработки. В результате возросли объемы получаемой при обработке стружки. Внедрение в металлообрабатывающем производстве станков с ЧПУ резко обострило задачу ее разрушения. Стружка, неблагоприятная с точки зрения удаления ее из зоны резания и от станка, стала серьезным препятствием на пути автоматизации процесса резания (рис. 1.2).


Рисунок 1.2. Формирование сливной стружки:
а - точение с образованием сливной стружки, б - образец сливной стружки в форме «путанки»

      Для решения вопросов получения благоприятной формы стружки российские и зарубежные исследователи начинают разрабатывать системы автоматизированного управления процессом стружкообразования. Практическими результатами этих работ явилось создание различных методов и устройств, направленных на обеспечение разрушения витка стружки. Однако, недостатки, которыми обладали многие из предлагаемых решений, препятствовали их реа-8

лизации и ограничивали применение узкими рамками конкретной операции. Особенно остро задача разрушения витка стружки встает при чистовом точении. В условиях чистовой обработки стружка имеет малую толщину, причем формируется она при больших скоростях резания, следовательно, при высоких температурах. Все это в целом снижает жесткость витка стружки, что усложняет его разрушение. Выполненные в этот период работы [47] в области стружко-образования показали, что, по-видимому, не существует универсального способа завивания и разрушения витка стружки, т. е. в каждом частном случае обработки эту задачу приходится решать по-своему.
     Широкое внедрение новых компьютерных технологий в машиностроении, позволяющих многократно повысить эффективность технологической подготовки производства, вывело задачу разрушения витка стружки на новый уровень. Современное машиностроительное производство работает в условиях как разовых, так и повторяющихся заказов. При этом возрастает роль оперативности принятия решения технологом на этапе технологической подготовки производства. Эффективное использование дорогостоящего, высокопроизводительного оборудования без устойчивого разрушения витка стружки становиться невозможным. Сложность уборки стружки на станках с ЧПУ и обрабатывающих центрах усугубляется тем, что оператор, как правило, не может прервать обработку при образовании стружки неудовлетворительной формы [19, 21, 25].
     Эффективное использование современного металлообрабатывающего оборудования требует такого процесса стружкообразования, при котором:
     -       стружка не создает препятствий для автоматических перемещений узлов станка;
     -       форма, размеры и направление схода стружки не препятствуют автоматизации установки заготовки и снятия обрабатываемой детали со станка, а также оперативного контроля процесса обработки;
     -       на чистовых операциях исключается контакт стружки с обработанными поверхностями детали;
     -       отсутствует влияние стружки на преждевременный выход режущего инструмента из строя;
     -       стружка занимает минимальный объем пространства, имеет стабильную форму при постоянных режимах резания.
     Исследование разрушения витка стружки как процесса стружколомания является актуальной задачей как с точки зрения теории, так и с точки зрения практики.

9

     1.2. Состояние вопроса разрушения витка стружки при точении


     Разрушение формирующейся при обработке стружки на части удобные для ее удаления из зоны резания является самостоятельной задачей, решению которой посвящены многие работы как отечественных, так и зарубежных исследователей [6, 27, 47, 49, 51, 54, 67, 70, 71, 78, 80, 86, 94, 95, 100].

1.2.1. Анализ существующих способов разрушения витка стружки

     Важность задачи разрушения витка стружки для тех или иных условий производства привело к созданию большого количества способов, которые условно можно объединить в два метода: кинематический и некинематический (рис. 1.3) [12, 39, 71, 92].
     В первом случае разрушение целостности витка обеспечивается за счет использования специальных устройств или программ для станков с ЧПУ. При кинематическом способе достигается изменение параметров поперечного сечения стружки, соответственно, угла схода и жесткости витка. Виток стружки разрушается на отдельные участки, длина которых зависит от соотношения скорости резания и числа циклов движения инструмента. По кинематике эти способы можно рассматривать в двух вариантах:
     -       дискретное резание с периодическим включением или изменением подачи при непрерывном вращении изделия;
     -       осциллирующее точение, когда инструменту с непрерывным движением подачи сообщается возвратно-поступательное движение в направлении подачи.
     При чистовом точении, когда приоритетной задачей является обеспечение качества обработанной поверхности, использование кинематических способов приводит к повышению шероховатости обработанной поверхности, что в результате ограничивает их использование.
     Некинематические способы предполагают специальные действия, связанные с заготовкой, режимами обработки и инструментом. Их можно условно разделить на искусственные и естественные.


10

Рисунок 1.3. Методы и способы разрушение витка стружки

     К искусственным методам можно отнести предварительную подготовку заготовки, которая осуществляется либо до обработки, либо непосредственно в процессе обработки. В некоторых случаях перед чистовым проходом на обрабатываемой поверхности заготовки прорезаются цилиндрические или винтовые канавки с крупным шагом и глубиной соизмеримой с глубиной резания. В процессе обработки изменение глубины срезаемого слоя приводит к разрушению целостности витка. Однако колебания глубины резания, например, при обработке тонкостенных не жестких деталей, могут привести к возникновению вибраций, что, в свою очередь, отрицательно скажется на качестве обработанной поверхности и стойкости инструмента [53].
     При чистовой обработке применяют электроискровой способ некинематического разрушения витка стружки путем использования специальной установки, которая обеспечивает разрушение витка стружки электрическим разрядом. Для многоинструментальных наладок, которые характерны для современных обрабатывающих центров и токарных станков с ЧПУ, электроискровой способ требует их модернизации, что во многих случаях не допустимо.
     В металлообрабатывающем производстве, как один из способов обеспечения устойчивого разрушение витка стружки, используется варьирование режимами резания. Для чистового точения изменение подачи ограничено необходимостью получения требуемого качества обработанной поверхности, а оптимальная скорость резания назначается из условия максимальной производительности и минимальной себестоимости операции [109]. Поэтому в условиях чистового точения, варьирование режимами резания имеет ограниченное применение.
     Наиболее естественным образом управление траекторией движения стружки, ее видом и формой осуществляется путем выбора или разработки специальных форм передней поверхности инструмента [96]. На этапе проектирования СМП конструктором разрабатывается такая форма передней поверхности, которая обеспечивает желаемые направление схода стружки и параметры ее витка. Разнообразие видов и типов стружкозавивающих элементов у различных производителей объясняется отсутствием единой точки зрения на механизм стружкозавивания и влияние формы и геометрических параметров отдельных участков передней поверхности и уступов на выходные характеристики процесса резания. Тем не менее, естественность способа делает его наиболее привлекательным и распространенным по сравнению с другими способами. Согласно патентным исследованиям, 64,8 % всех изобретений приходится на этот вид управления стружкой [49].

12