Прогрессивные виброустойчивые конструкции металлорежущих инструментов

Перевертов В.П., Авдонин Г. Т. ПРОГРЕССИВНЫЕ ВИБРОУСТОЙЧИВЫЕ КОНСТРУКЦИИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

Повышение виброустойчивости и производительности металлорежущих инструментов может быть достигнуто вследствие увеличения их жесткости или с еще большим успехом повышением их демпфирующей способности.

Демпфирующая способность инструмента может быть повышена так называемым конструктивным демпфированием, т.е. за счет увеличения сопротивления в стыках, в местах соединений режущих пластинок с режущим блоком и блока с державкой инструмента, а также активным демпфированием, т.е. введением в конструкцию инструментов специальных виброгасящих устройств.(Рис.1)[ 1,2,3,4]

Одним из вариантов таких конструкций инструментов, где использовано сопротивление в стыках, являются клеесборные резцы. Эти резцы состоят из универсальной державки, в которой механически крепятся различные режущие блоки (в зависимости от перехода). В гнездо режущего блока вклеена специальным термостойким клеем твердосплавная пластинка. Применяются термостойкие клеи ВК9, ВК2 0 и др.

Демпфирование колебаний происходит как в плоских стыках режущего блока с державкой, так и в слое клея, заполняющего зазоры между твердосплавной пластинкой и режущим блоком по всей поверхности контакта; при этом по отдельным малым площадкам возможен и металлический контакт между твердосплавной пластинкой и блоком.

Опыты и промышленное использование показали, что такие резцы значительно более виброустойчивы, чем стандартные резцы с напаянными пластинками и резцы с механическим креплением твердосплавных пластинок. Клеесборные резцы обычно имеют амплитуду автоколебаний приблизительно в два-три раза меньше, чем резцы с механическим креплением и стандартные резцы с напаянными пластинками, что приводит к существенному повышению стойкости инструмента.

В настоящее время для промышленного использования разработана целая серия таких резцов.

Одним из перспективных путей гашения автоколебаний при обработке деталей из высокопрочных сталей и сплавов является демпфирование колебаний с помощью пассивных и активных демпферов.

Первый этап

Факторы влияющие на интенсивность автоколебаний

1 2 3 4 . 6 7 8

I Л- . С Ь V У к а а Ф,а,ю,Е*

эг

Тэ, /max ЩТД

Су Проб ный проход Опред еление ' ІНТи

V -

И

Сравнение: Заключение о динамической устойчивости процесса

Аф< >Аопт, Шгф < > Шгопт

Яаф < > Rадоп Устойчив: Аф * Аопт Неустойчив:

Ко нец

Изменение параметров по номограмме

уТГуТГфТ

Ь4- аТ

Цель:

Ка^1

Т^0,1Тк

Аф^Аопг

Заключение

Устойчив: Аф *Ао пт Неустойчив: Аф >Аопт I

Конец

Третий этап

--------Г“

К

А

I * /

Испол>зсвание прогрес - Использование Использование активных

сивных виброустой - виброус т ой - чивых демп- феров и

приспос облений и специальных устройств

Аф»Аопт

Конец

Рис.1. Структурная схема методики управления интенсивностью автоколебаний применительно к процессу

точения

Специально проведенное исследования с клеесборными резцами, оснащенными пластинками твердого сплава ВК8 и ВК60М, приклеенными клеями ВК9, ВК20, показали, что клеесборные резцы имеют приблизительно в 2...3 раза большую стойкость и меньшую амплитуду колебаний, чем резцы с напаянными и механически закрепленными пластинками.

Исследования проводились на токарно-винторезном станке 1К62. Обрабатываемый материал 2 0ХГИМ. Изготовлены были три партии резцов по 10 шт.: а) резцы с напаянными пластинками, б) резцы с механиче-

ским креплением, в) резцы с наклеенными пластинками.

Резцы имели одни и те же геометрические размеры и геометрию режущей части: у=50 , а =100, ф

=450, аі=100, ф=350, А=0. Режим резания: У=1 м/с, Бо =0,3 мм/об. Доводка режущих поверхностей производилась алмазными кругами на металлической связке. За критерий притупления резцов был принят износ го задней грани Л=0,5мм. Для замера вибраций была использована виброизмерительная аппаратура.

Анализ экспериментальных осциллограмм (рис.2) показывает, что в технологической системе возникают незатухающие автоколебания с частотой, равной собственной частоте доминирующей колебательной

системы. Во всех опытах доминирующей системой являлась консольно закрепленная деталь, которая имела частоту колебаний Ї =10 0...750 Гц, в зависимости от геометрических размеров деталей (параметров доминирующей колебательной системы).

Наибольшая амплитуда вибраций наблюдалась в случае применения резцов с напаянными пластинками (рис.2). Несколько лучшие результаты показали резцы с механически закрепленными пластинками (рис.2,б).

Наивысшую виброустойчивость имели резцы клеесборной конструкции (рис.2,в). Низкий уровень амплитуды колебаний при обработке такими резцами можно объяснить демпфирующими свойствами применяемого клея и рассеянием энергии колебаний в плоском стыке «пластинка - державка».

в) резец с приклеенной пластинкой

Рис.2. Экспериментальные осциллограммы резцов различной конструкции

Как показали стойкостные испытания, клеесборные резцы имели с наибольшую стойкость. Результаты стойкостных испытаний различных конструкций резцов представлены на рис.3.

Для предприятия «Салют» была разработана целая гамма клеесборных виброустойчивых резцов (рис.4).

Рис.3. Зависимость износа резцов по задней грани ^з) от времени испытания (Тмин) 1-резцы с напаянными пластинками; 2-резцы с механически закрепленными пластинками; 3- резцы с приклеенными пластинками

Рис.4. Конструкции клеесборных виброустойчивых токарных резцов для различных видов технологических

операций

Основными преимуществами, определяющими эффективность разработанных конструкций резцов являются:

- возможность располагать в одной базовой державке несколько типов резцов - проходные, подрезные, фасонно-галтельные, резьбовые, а также создавать различные компоновки резцов специального

назначения;

- снижение металлоемкости оснастки в 6...10 раз;

- в связи с большой жесткостью и виброустойчивостью резцов, более полисе использование мощности станка и повышенных режимов резания при заданной стойкости резца;

- снижение расхода твердого сплава за счет повышения виброустойчивости и стойкости;

- технологичность конструкции, простота в изготовлении и удобство в эксплуатации;

- повышение производительности и качества обработанных поверхностей деталей при малой затрате

средств на изготовление и эксплуатацию.

Для предприятия «Салют» были определены (с целью уменьшения амплитуды вибраций) оптимальные режимы резания и геометрия резцов при точении специальных деталей из стали ХН77ВНТ10 на токарных станках с программным управлением.

По заводской технологии режим резания был следующим:

Бо=0,15 мм/об, Л=200 об/мин; ¿=2,5мм; БдеТ =47мм. Обработка деталей производилась поочередно двумя резцами: проходным и подрезным.

С целью повышения производительности труда была предложена конструкция резца, позволяющая вести обработку как цилиндрической части, так и торца одним резцом, показанным на рис.5.5.

Оптимальным режимом резания по новой технологии следует считать: Бо=0,13 мм/об; У=34 0 об/мин;

¿=2,5мм. Эти мероприятия позволили увеличить производительность обработки деталей и повысить качество обработанных поверхностей.

Рис.5. Резец токарной комбинированный для станков с программным управлением

Перспективными являются также разработки инструментов с активным демпфированием. Активное демпфирование достигается за счет использования возмущающих устройств с дополнительным источником энергии. Сила сопротивления (демпфирования) с известным приближением по уравнению (3.3) пропорциональна скорости виброперемещений, поэтому целесообразно для повышения демпфирования к инструменту приложить дополнительную силу, пропорциональную скорости. Это выполнено с помощью специального резца-демпфера, управляемого относительными колебаниями системы резец-заготовка через датчик скорости и генератор ультразвуковой энергии. Структурная схема такой системы представлена на рис. 6.

Рис.6. Структурная схема активного демпфирующего устройства: ЗР - зона резания: СПИД - упругая система станок-приспособление - инструмент - деталь; ДС - датчики скорости и перемещений (Д14; ПЭП); ГУКС - генератор ультразвуковых колебаний самоподстраивающийся; КУ - корректирующее устройство; Рэ

- эквивалентная переменная сила ультразвукового вибратора

Рис.7. Функциональная схема активного демпфера:

1 — обрабатываемая заготовка; 2 -датчики скорости и перемещений; 3 - резец; 4 — магнитострик- цион-ный вибратор; 5 - управляе-мый электромагнит; 6 - резцеде-ржатель; 7 - измеритель вибраций; 5 -корректирующее электронное устройство; 9 - ультразвуковой усилитель мощности; 10 - источник постоянного тока

Скорость колебаний детали измеряют электромагнитным преобразователем скорости, основанным на методе вихревых токов, а резца - пьезопреобразователем типа Д14. Сигнал с преобразователя скорости управляет генератором ультразвуковых колебаний, напряжение которого прикладывается к магнитострик-ционному преобразователю перемещений; упругие силы последнего, пропорциональные скорости, через резец и зону резания действуют на заготовку.

Демпфирование зависит от двух факторов; передаточной функции преобразователя скорости и передаточной функции магнитострикционного преобразователя (вибратора) . Это означает, что демпфирование

системы при соответствующем усилении сигнала управления автоматически управляется силой вибратора, которая пропорциональна скорости виброперемещений, и при такой конструкции вибратора может изменяться в широких пределах. Частотная характеристика такого демпфера должна соответствовать характеристике регулятора, т.е. в систему должно вводиться электронное корректирующее устройство (рис. 7).

Активный демпфер представляет собой специальный резец 3, который зажимается в резцедержателе токарного станка. Магнитострикционный преобразователь 4, который подсоединен к ультразвуковому усилителю мощности 9, жестко соединяется с резцом 3. Преобразователь 4 подмагничивается постоянным полем электромагнита 5, который питается от постоянного (автоматически регулируемого) источника тока 10. Управляющий сигнал с вихретокового преобразователя скорости виброперемещений 2, установленного на расстоянии 0,5 - 1,5 мм от заготовки 1, через измеритель скорости вибраций 7 и блок коррекции 8 управляет усилителем мощности 9.

В разработанном устройстве сила демпфирования генерируется с помощью преобразователя 4, который с одной стороны закреплен в суппорте 6, а с другой через зону резания действует на деталь 1.

Демпфирующие свойства разработанного активного резца-демпфера были исследованы применительно к чистовому точению. Амплитуда автоколебаний с применением такого устройства снижается приблизительно в три раза. Записи круглограмм показали, что при обработке с помощью устройства заготовок из жаростойкой стали Х15Н5Д2Т высота волнистости обработанной поверхности снижается в 2,5 - 3,5 раза по сравнению с обработкой обычными резцами.

Рис. 8. Функциональная схема устройства с регулируемой жесткостью: 1 - специальный резец; 2 -

сипьфон; 3 - гидропривод; 4 - гидравлический насос; 5 - гидравлический корректор; 6 - электронное корректирующее устройство; 7 - виброизмерительный прибор; 8 - датчики; 9 - обрабатываемая заготовка; А опорные поверхности

Введение ультразвуковых колебаний приводит также к качественным изменениям характера стружкооб-разования. Коэффициент поперечной усадки стружки уменьшается приблизительно на 18 - 35% во всем

исследованном диапазоне скоростей резания (01 - 1,5 м/с) и подач (0,052 - 0,42 мм/об).

Такие резцы с активным демпфированием наиболее применимы для чистовой обработки нежестких деталей, так как их применение приводит главным образом к снижению интенсивности колебаний заготовки.

Управление интенсивностью автоколебаний технологической системы. можно осуществлять инструментами с регулируемой жесткостью. Примером такого инструмента является резец с изменяющейся жесткостью, функциональная схема которого показана на рис. 6. Резец 1 имеет пониженную жесткость в направлении действия силы Ру. В прорезь резца между опорными поверхностями А вставлен полый сильфон 2. Камера сильфона гидроприводом 3 соединена с гидравлическим корректором 5 и насосом 4. Гидравлический корректор управляется через электронное корректирующее устройство 6 сигналом с электромагнитного преобразователя перемещений (датчика) 8.

Конструкция позволяет изменять жесткость технологической системы в направлении оси О¥ или со-

здать автоматически регулируемую жесткость в этом направлении. Применение такого устройства позволяет уменьшить амплитуду автоколебаний и волнистость обработанной поверхности приблизительно в три раза.

На рис.9, 10, 11 и 12 представлены графики круглограммы, резцы с активным демпфированием и общий вид установки

Рис. 9. Амплитудно-частотная характеристика системы СПИД станка 1К62 с активным демпфером (2) и без

демпфера

без демпфера с демпфером

Рис.10. Экспериментальные круглограммы, полученные после обработки образцов из жаростойкой стали Х15Н5Д2Т. режим обработки: V = 0,6 м/с, Б= 0,11 мм/об, в = 3,0 мм; геометрия инструмента: у=50, а=120

Рис.11. Общий вид резцов, с устройством активного демпфирования колебаний, для чистового точения

Рис. 12. Общий вид ультразвуковой установки для чистового точения труднообрабатываемых сталей и

сплавов

Трудоемкими являются операции нарезания резьб. Наибольшие трудности встречаются при нарезании внутренних глухих резьб малых диаметров (В = 1 4 5 мм) и средних диаметров (В = 6 4 2 0 мм).

Трудности нарезания внутренних резьб малых диаметров связаны с низкой прочностью и виброустойчивостью резьбонарезных инструментов. Такие резьбы в большинстве случаев нарезаются метчиками. Однако применение стандартных метчиков не обеспечивает ни нужной производительности, ни требуемого качества нарезаемых резьб, а для ряда трудно обрабатываемых материалов операция нарезания таких резьб является чрезвычайно трудоемкой, так как одним метчиком (или комплектом) до притупления (или поломки) не всегда удается нарезать резьбу даже в одном отверстии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Авдонин Г.Т. Исследование технологических особенностей чистового точения при наличии автоколебаний. Диссер. к.т.н. - Самара, КГПИ, 1983. - 222с.

2. Авдонин Г.Т., Виряскин А.И., Боровков В.В., Черемисин А.С. Виброустойчивые клеесборные конструкции резцов для токарной обработки. - В кн.: Обработка высокопрочных сталей и сплавов инструментами из сверхтвердых синтетических материалов. Куйбышев, 197 8, вып.1, с. 116-118.

3. Авдонин Г.Т., Алексеев А.В. Обработка отверстий в высокопрочных сталях. - М.: Железнодорожный транспорт, №1. 2002.- С.50-52.

4.Авдонин Г.Т.Обеспечвние качества резания деталей машин при автоколебаниях технологической системы СПИД. - Международный симпозиум. Надежность качество. - Пенза: ПГУ.2003. - С.345-350.