Измерение температурного удлинения токарного резца в процессе чистового точения

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

УДК 621.91.02

Измерение температурного удлинения токарного резца в процессе чистового точения

И. Н. Греков, С. А. Любомудров

Приведена методика измерения удлинения токарного резца в процессе точения и исследования зави-

шх режимах резания. Пре-инструмента в целях его

симостей температурного удлинения резца от времени точения при различных режимах резания. Предоставлены рекомендации по расчету температурного удлинения режущего /

дальнейшей компенсации.

Ключевые слова: температурное удлинение, токарная обработка, точность обработки, температурная погрешность, чистовое точение.

Введение

В современном машиностроении все больше применяются детали из цветных труднообрабатываемых сплавов на основе титана и алюминия, особенно в авиационном производстве [4]. К точности изготовления этих деталей предъявляются повышенные требования. Допуски по пятому квалитету точности являются обычным требованием.

В машиностроении, особенно при обработке цветных сплавов, зачастую окончательной обработкой детали является чистовое точение, поскольку точность современных станков позволяет обеспечить заданные параметры точности и качества поверхностного слоя детали [1]. При этом возникает задача компенсации погрешностей обработки, вызванных самим процессом резания.

Погрешности обработки при точении могут быть обусловлены температурными деформациями режущего инструмента.

Во многих случаях температурные деформации инструмента являются доминирующей составляющей погрешности обработки [4]. Поэтому изучение закона изменения температурного удлинения токарного резца при точении в целях компенсации температурных деформаций — актуальная задача.

Постановка задачи

Существуют различные методы повышения точности обработки путем компенсации температурных деформаций или их минимизации. Большинство этих методов требуют модернизации оборудования, его доукомплектования дополнительными опциями (например, приспособлением для активного контроля действительного размера обрабатываемой поверхности), что, в свою очередь, требует значительных финансовых затрат. На практике для уменьшения температурных деформаций режущего инструмента чаще всего применяется СОЖ. Но ее применение не всегда возможно, в том числе и из-за химического воздействия на поверхность заготовки, и не всегда достаточно для полной компенсации температурных деформаций.

Другим методом является компенсация температурного удлинения режущего инструмента за счет смещения вершины режущего инструмента на значение этого удлинения. Метод может быть реализован на станках с ЧПУ, но для его реализации на практике необходимо знать точное значение температурного удлинения резца.

В ходе данной работы формулируется метод компенсации температурных деформаций режущего инструмента, который может быть

ШШШМБОТКА

применен на станке с ЧПУ без какой-либо его модификации.

Приблизительно температурное удлинение резца во время токарной обработки [2] описывают следующей формулой:

% = %с(1-eт/Tc),

где % — тепловое удлинение резца в данный момент времени; %с — удлинение резца, соответствующее тепловому равновесию; т — время работы инструмента; е — основание натуральных логарифмов; Тс — время нагрева резца до наступления теплового равновесия.

На практике не всегда удается достичь теплового равновесия и соответствующего максимального удлинения головки резца для возможного применения формулы (1). Поэтому для более точного описания зависимости теплового удлинения резца % от времени обработки т при чистовой обработке предлагается использовать эмпирическую формулу [5]

% = К(т + А)(1 - e-aт),

ПК БИН-2И

где К и А — коэффициенты, зависящие от режимов резания, материала детали, материала и формы резца; а — коэффициент, зависящий от материала и формы режущего инструмента.

Цели эксперимента — измерить температурное удлинение инструмента и проверить справедливость зависимости (2) при различных режимах резания: скорости резания V, м/мин, подачи в, мм/об, глубине резания £, мм.

Полученная зависимость позволит компенсировать температурные деформации инструмента при токарной обработке на станке с ЧПУ и повысить тем самым точность обработки заготовок.

Экспериментальные исследования

Для эксперимента использована цилиндрическая заготовка диаметром 150 мм. В ходе исследований произведено точение на длину 350 мм. Материал заготовки — сталь 50Х. Твердость заготовки — 230 НВ. Обработка произведена на токарно-винторезном станке особо высокой точности 16Б16КА.

Согласно рекомендациям [6] для токарной обработки выбран следующий режущий ин-

Рис. 1. Устройство для измерения теплового удлинения резца в процессе резания

струмент: державка токарная 8ап^1к Согошап1 ВСЬСИ 2525М 12 и пластина твердого сплава 8ап^к СогошаП ССМТ 120404-РЕ 4215.

Для измерения удлинения режущего инструмента, вызванного его нагревом в процессе обработки, на кафедре «Технология машиностроения» СПбГПУ разработано специальное приспособление (рис. 1).

В державке резца 2 (рис. 1) выполнено сквозное отверстие, в котором расположен стержень, изготовленный из инвара 4. Одним концом стержень крепится через резьбовую втулку 1 (посаженную на стержень с натягом, резьбовое соединение также выполнено с натягом) под режущей пластиной. Другой конец стержня проходит через втулку 3 по скользящей посадке (втулка выполнена из теплоизоляционного материала) и упирается своим торцом в измерительный наконечник индуктивного датчика 5, закрепленного на резцедержателе.

В процессе обработки резец нагревается, и происходит его удлинение, что приводит к перемещению стержня, которое фиксируется датчиком. Обладая коэффициентом линейного расширения приблизительно в двадцать раз меньше, чем у стали, из которой выполнена державка, стержень из инвара не меняет своей длины, что дает возможность следить за тепловыми деформациями резца. Данные с индуктивного датчика, получаемые при измерении, фиксируются измерительным прибором БИН-2И. Прибор соединен с компьютером, на котором при помощи специально разработанного программного обеспечения ведется запись данных в файл для дальнейшего их анализа.

Предварительно проведена тарировка разработанного приспособления и построена градуиро-

1

2

3

4

5

МЕШПООБМБОТК|»

мкм

50

40

30

20

10

0

5

10

80

60

40

20

0

3

7 7 4 8

А /У,

& ....

- —-

100

200

300

400

Значения коэффициентов A, K, жимах резания

Таблица a при различных ре-

Порядковый номер эксперимента Режимы резания Коэффициенты

s. мм/об t, мм v, м/мин A K a

5 0,07 0,15 460 556,7 0,019 0,011

1 0,07 0,15 300 780,2 0,012 0,01

8 0,07 1 460 196,5 0,092 0,016

3 0,07 1 300 369,5 0,097 0,009

6 0,2 0,15 460 29,6 0,089 0,041

2 0,2 0,15 300 133,6 0,056 0,022

7 0,2 1 460 17,2 0,323 0,102

4 0,2 1 300 71,0 0,231 0,019

Рис. 2. Градуировочная характеристика для измерения тепловых деформаций резца

вочная характеристика, по которой определяется температурная деформация инструмента в зависимости от показаний прибора БИН-2И (рис. 2).

Значения коэффициентов эмпирического уравнения (2) определяются по экспериментальным данным, полученным в результате проведения полного факторного эксперимента методом наименьших квадратов, согласно которому необходимо минимизировать функцию

X [- K

i=1

i;, мкм

где ^ — экспериментальное значение температурного удлинения резца в момент времени т^; п — количество точек, снятых за время удлинения резца.

В качестве факторов эксперимента принимаются режимы резания: скорость резания v, м/мин, подача в, мм/об, глубина резания £, мм. Двум уровням каждого фактора соответствуют минимальное и максимальное значения режимов резания согласно рекомендациям [6].

По результатам проведенных экспериментов были построены экспериментальные зависимости удлинения инструмента от времени обработки т (рис. 3) и рассчитаны коэффициенты уравнения (2) для работы с различными режимами резания (табл).

На рис. 4. в качестве примера обработки экспериментальных данных изображена теоретическая и практическая кривые для эксперимента 1.

мкм

15

10

0

Теорет ическая

Пра ктическая кривая кривая

Рис. 3. Экспериментальные зависимости удлинения инструмента от времени обработки: 1—7 — порядковые номера экспериментов

100

200

300

400

Рис. 4. Результат аппроксимации данных первого эксперимента

х, мкм

5

X. c

X. c

Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj

Для оценки точности построенной модели сравним теоретическое значение удлинения инструмента со значением, полученным на практике. В момент времени т = 100 с %пр = 6,93 мкм, %теор = 7,04 мкм. Погрешность оценки составляет 1,5 % для данного эксперимента.

Выводы

В результате проведенных исследований опробован метод измерения температурного удлинения токарного резца непосредственно во время обработки заготовки, проверена математическая модель зависимости удлинения резца от времени обработки при работе с различными режимами резания. Эксперименты подтвердили работоспособность метода измерения температурного удлинения резца и адекватность предложенной модели.

При обработке на станке с ЧПУ эта модель может быть использована для корректировки траектории движения инструмента, что позволит если не исключить, то значительно уменьшить влияние температурных деформаций на точность обрабатываемой детали.

Литература

1. Анухин В. И., Любомудров С. А., Макарова Т. А.

Оценка точностных возможностей токарных станков // Вестн. Инжекона. Сер. «Техн. науки». Вып. 3. СПб.: Изд-во Инжекона, 2005. С. 108-111.

2. Жуков Э. Л. Основы технологии машиностроения. Этапы проектирования и точность технологических процессов: учеб. пособие / Под общ. ред. С. Л. Мурашкина. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2008. 408 с.

3. Иноземцев А. А., Башкатов И. Г., Коряковцев А. С. Титановые сплавы в изделиях разработки ОАО «Авиадвигатель» // Современные титановые сплавы и проблемы их развития: сб. М.: ВИАМ, 2010. С. 43-46.

4. Каблов Е. Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года. // В сб. Авиационные материалы и технологии: Юбил. науч.-техн. сб. (прил. к журн. «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 1-7.

5. Макарова Т. А., Любомудров С. А. Обеспечение качества обработки специальных алюминиевых сплавов при тонком точении // Управление качеством: проблемы, исследования, опыт: сб. науч. тр. Вып. 5. СПб.: Изд-во СПбГИЭУ, 2007. С. 86-96.

6. Руководство по металлообработке. техн. справ. АВ Баи^к СогошапЬ. 2010. 201 с.

7. Технологическое обеспечение качества изделий в машиностроении: учеб. пособие. / А. М. Соловейчик [и др.] СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2010. 250 с.

АО «Издательство "Политехника"» предлагает:

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ В ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ

И ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

под редакцией В. В. Кузнецова

ISBN 978-5-7325-1048-5 Объем 378 с. Цена 520 руб.

Монография посвящена проблемам анализа, синтеза и моделирования сложных систем различной природы. Содержание материала соответствует разделу паспорта научной специальности 05.13.01 «Системный анализ управления и обработка информации». Материалы монографии сгруппированы так, что они удовлетворяют требованиям ученых при выполнении фундаментальных и прикладных исследований.

Монография рассчитана для использования учеными, специалистами-практиками, аспирантами при выполнении исследований и анализе больших, территориально распределенных технических систем, а также сложных проектов.

Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru.