К ВОПРОСУ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ РАСТОЧНЫХ РЕЗЦОВ

DOI: 10.24412/2077-8481-2024-1-14-24 УДК 621.95.01

А. А. ЖОЛОБОВ, канд. техн. наук, проф.

О. Н. КЛЯУС

К. А. ИЛБОВНИКОВ

Белорусско-Российский университет

К ВОПРОСУ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ РАСТОЧНЫХ РЕЗЦОВ

Аннотация

Созданы расточные резцы более жестких конструкций за счет разработки переходных участков и улучшения геометрии конической части резца путем моделирования упругого смещения различных конструкций резцов при формировании отверстий. Предложена новая форма державки с тороидальным диском и бочкообразной конической частью, увеличившая сопротивляемость силам резания. Определены оптимальные геометрические формы и параметры резцов с наименьшим упругим смещением при формировании отверстий.

Ключевые слова:

жесткость расточного резца, конструкции расточного резца, упругое смещение, переходной участок.

Для цитирования:

Жолобов, А. А. К вопросу совершенствования конструкций расточных резцов / А. А. Жолобов, О. Н. Кляус, К. А. Илбовников // Вестник Белорусско-Российского университета. - 2024. - № 1 (82). -С. 14-24.

Введение

На протяжении длительного времени процесс растачивания отверстий остается консервативным в отношении конструкции инструментов. Во многих странах, в том числе и в России, существуют стандарты (например, ГОСТ), которые устанавливают определенную конфигурацию этих инструментов, производящихся в огромных объемах, достигающих десятков тысяч экземпляров ежегодно.

Однако анализ упругой деформации расточных резцов, изготовленных в соответствии с ГОСТ, под воздействием сил резания показывает, что общепринятая конструкция стержня инструмента не является оптимальной для сопротивления силам резания, что стало основанием для дальнейшего улучшения его конструкции.

Следует отметить, что в этой об-

ласти также проводятся определенные исследования и разработки.

1. Патент [1] предлагает универсальный токарный резец, который может использоваться для обработки как наружных, так и внутренних поверхностей деталей. Инструмент снабжен двумя сменными режущими пластинами, одна из которых используется для наружного точения, вторая - для внутреннего, установленными под углом друг к другу. Возможность поворота резца на 90° и перемещения режущих пластин позволяет оперативно переходить от одного технологического перехода к другому. Для дополнительной жесткости резца ось цилиндрической части державки смещена вверх относительно прямоугольной.

2. Патент [2] описывает расточной инструмент, содержащий круглую державку и головку с режущей пластиной, режущая кромка которой расположена в

© Жолобов А. А., Кляус О. Н., Илбовников К. А., 2024

плоскости горизонтального осевого сечения державки. Резец снабжен торсионным валиком, на первом и втором конце которого выполнены шлицы, параллельные его оси, причем первый конец валика имеет гладкий цилиндрический поясок, размещенный между шлицами и телом валика. Второй конец валика с торцевой стороны последнего имеет цилиндрический хвостовик с резьбой. При этом державка выполнена с круглой осевой полостью, в её первом конце выполнена цилиндрическая выточка, на втором конце закреплена втулка со шлицевым отверстием. Торсионный валик установлен в полости державки, причем его цилиндрический поясок размещен в цилиндрической выточке полости, его второй конец размещен во втулке со шлицевым отверстием. Головка резца закреплена на шлицах первого конца торсионного валика, а валик закреплен в державке гайками, установленными на его резьбовом хвостовике с упором на торец втулки со шлицевым отверстием. Авторы утверждают, что жесткость конструкции увеличивается за счет применения торсионного валика.

3. Патент [3] предлагает конструкцию расточного инструмента, в корпусе которого установлены: держатель режущего элемента цилиндрической формы с радиальными и шпоночным пазами; микрометрический винт с крепежной шайбой и пружиной между ними; крепежный винт для фиксации держателя режущего элемента в виде двух гаек и винта; режущий блок с цилиндрическим хвостовиком, закрепленный в держателе режущего элемента винтами для ограничения радиального перемещения держателя режущего элемента в корпусе. На головке винта имеется шкала, а на корпусе - индикаторная линейка. При вращении микрометрического винта режущий блок перемещается вдоль держателя режущего элемента, а радиальные и шпоночный пазы держателя режущего элемента позволяют эффективно закреплять режущий

инструмент. Повышение жесткости инструмента и, как следствие, точности обработки осуществляется путем исключения зазоров, возникающих в микрометрической резьбовой паре.

Подобные патенты могут быть полезны при разработке новых инструментов для растачивания отверстий в целях повышения производительности, точности и эффективности этого процесса.

С учетом вышеизложенного, для формирования точных отверстий с высоким качеством поверхности существует определенная возможность в улучшении конструкций расточных резцов с учетом вышеприведенных и других разработок.

Принимая во внимание все вышеизложенное, по аналогии с [4], на основе созданной твердотельной модели расточного резца были разработаны модели для исследования, представленные на рис. 1. Причем размеры геометрических параметров переходного участка принимались таким образом, чтобы они не превышали наименьший диаметр растачиваемого отверстия, рекомендуемого [5].

Задача исследований заключается в подборе оптимальной геометрической формы и параметров резца с целью обеспечения минимально возможного упругого смещения вершины рабочей части пластины под воздействием сил резания.

К вопросу выбора оптимальной геометрии переходного участка

в виде тороидального диска

Результаты исследований, полученные в [4], показали, что жесткость расточного резца с переходным участком в виде конуса выше, чем стандартного. В связи с этим возникло предположение о возможности получения более жесткого инструмента путем внедрения переходного участка в виде тороидального диска и подбора его основных параметров.

а)

в)

Рис. 1. Конструктивные формы исследуемых инструментов: а - резца, выполненного по [5]; б - то же по [6]; в - углы заточки режущей пластины

В основе выбора оптимальной геометрии переходного участка лежит величина упругого смещения вершины режущей пластины в зависимости от изменения его геометрии. Чем меньше эта величина, тем более жесткой является конструкция. Вместе с тем следует учитывать тот факт, что стружка, получаемая в результате снятия припуска, должна иметь возможность свободного удаления из зоны резания. Другими словами, между инструментом и обрабатываемым им отверстием должен быть зазор, величина которого равна или больше глубины резания. На основании этого анализа получается следующее выражение:

Rmin - R - 2 - t - h„

где hi - половина высоты державки [5], мм; R - радиус кривизны, мм; t - глубина резания, мм; d - диаметр формируемого отверстия.

Необходимо отметить тот факт, что геометрическая форма тороидального диска сохраняется при выполнении условия

/ = 2 • Rmn,

где Rmin - минимально возможный радиус кривизны.

В противном случае переходный участок имеет несколько иную форму, которая в статье не рассматривается. Таким образом, Rmin = 0,5 мм при / = /min = 1 мм.

На рис. 2 представлены варианты расположения переходного участка на резце.

а)

Конический

участок

Призматический

Линия перехода

участок

Рис. 2. Параметры переходного участка расточного резца с твердосплавной пластиной

б)

Окончание рис. 2

Для определения упругого смещения вершины режущей кромки твердосплавной пластины необходимо принять определенные исходные данные, в качестве которых в рассматриваемом примере установлены: диаметр обработанного отверстия d = 40 мм; длина отверстия l = 95 мм; длина вылета расточного резца L = 100 мм, а также принять дополненные расчетами достаточно жесткие режимы резания [7, 8]: глубина резания t = 3 мм; подача s = 0,16 мм/об; скорость резания V = 180 м/мин, что соответствует Рх = 459 Н; Ру = 463 Н; Pz = 867 Н; h = 12,5 мм.

Тогда, исходя из выражения (1), с учетом обозначенных исходных данных,

0,5 < R < - - t - h;

2 П

40

0,5 < R < - 3 - 12,5;

2

0,5 < R < 20 - 3 - 12,5;

0,5 < R < 4,5.

В результате инженерного анализа в САПР SolidWorks Simulation величина упругого смещения вершины режущей пластины расточного резца Ду с переходным участком в виде тороидального диска в зависимости от изменения геометрии переходного участка при М = 12,5 мм:

R = 0,5 мм, l = 1 мм, Ду = 0,1654 мм (см. рис. 2, а), Ду = 0,1662 мм (см. рис. 2, б);

R = 1,5 мм, l = 3 мм, Ду = 0,1628 мм (см. рис. 2, а), Ду = 0,1644 мм (см. рис. 2, б);

R = 2,5 мм, l = 5 мм, Ау = 0,1600 мм (см. рис. 2, а), Ау = 0,1627 мм (см. рис. 2, б);

R = 3,5 мм, l = 7 мм, Ду = 0,1569 мм (см. рис. 2, а), Ду = 0,1615 мм (см. рис. 2, б);

R = 4,5 мм, l = 9 мм, Ду = 0,1533 мм (см. рис. 2, а), Ду = 0,1602 мм (см. рис. 2, б).

Таким образом, исходя из полученных значений при М = 12,5 мм, видно, что жесткость инструмента повышается при увеличении радиуса кривизны с R = 0,5 мм до R = 4,5 мм. Причем эта величина в статике составляет порядка 7 мкм. Однако в динамике процесса резания эта величина может быть значительно большей и существенно влиять на точность формируемого отверстия.

Поскольку жесткость инструмента (см. рис. 2) по варианту а больше, чем по варианту б, то в качестве наиболее эффективного варианта исполнения переходного участка принимается вариант а. Соответственно, оптимальным параметром переходного участка явля-

ется его расположение по варианту а с R = 4,5 мм и l = 9 мм.

Сборная твердотельная модель расточного резца с твердосплавной пластиной и переходным участком в виде тороидального диска представлена на рис. 3.

Рис. 3. Сборная твердотельная модель расточного резца с твердосплавной пластиной и переходным участком в виде тороидального диска

Совсем нетрудно предположить, что коническая часть расточного резца, соединенная с призматической, может иметь и бочкообразную геометрическую форму. В связи с этим возникает необходимость подбора ее оптимальной геометрии.

К определению оптимальной геометрии бочкообразной части с переходным участком в виде тороидального диска

Определение оптимальной геометрии бочкообразного исполнения рабочей части инструмента для получения наиболее жесткой конструкции осуществляется путем изменения конической части державки резца таким образом, чтобы получить некоторую дугу бочки (рис. 4).

На рис. 4 представлена бочкообразная форма, на которой определена величина h2, представляющая собой

наибольшее расстояние от точки на дуге до оси инструмента.

Изменяя значения расстояния h2, можно получить любой радиус кривизны дуги. Причем максимальное значение величины hi определяется из условия

h < h2 < d - t,

где hi - половина высоты державки, мм; d - диаметр обработанного отверстия, d = 40 мм.

Тогда в рассматриваемом случае

12.5 < h2 < 20 - 3;

12.5 < h2 < 17 мм.

Определение наиболее жесткой конструкции расточного резца при разных значениях h2 осуществляется путем

выявления минимального значения упругого смещения вершины режущей кромки твердосплавной пластины при исходных данных, принятых из предыдущего примера.

На основании значений расстояния hi, указанных в выражении (5), и упругого смещения вершины режущей кромки твердосплавной пластины Ду составлена табл. 1.

Рис. 4. Параметры бочкообразной части расточного резца с твердосплавной пластиной

Табл. 1. Значения расстояния h2 и упругого смещения вершины режущей кромки твердосплавной пластины Ду при изменении значений координаты Y

Значение расстояния hi, мм Упругое смещение вершины режущей кромки твердосплавной пластины Ду, мм

12,5 0,1232

13 0,1148

13,5 0,1076

14 0,1014

14,5 0,09607

15 0,09121

15,5 0,08706

16 0,08342

16,5 0,08011

17 0,07740

Следует отметить, что чем больше расстояние hi, тем меньше упругое смещение вершины режущей кромки твердосплавной пластины Ду.

Из данных табл. 1 видно, что переход к конфигурации с бочкообразной конической частью резца существенно повышает сопротивление силам резания.

Исходя из значений табл. 1, при h2 = 17 мм увеличение жесткости инструмента, в сравнении с инструментом с подобным параметром fe = 12,5 мм, составляет порядка 60 %, что является оптимальным параметром бочкообразной части резца для рассматриваемого примера. В результате осуществлен подбор оптимальной геометрии бочкообразной части расточного резца (рис. 5).

Установлено, что упругое смещение вершины расточного резца с кони-

ческой рабочей частью (см. рис. 1, а) и r =1 мм составляет Ду = 0,1661 мм, а с бочкообразной - при r = 1 мм (см. рис. 1, б) Ду = 0,07740 мм ( т. е. более чем в 2 раза меньше), что позволяет ее рекомендовать для широкого использования.

В табл. 2 приведены данные по упругой деформации стержней рабочих резцов разной конфигурации при статическом нагружении, о чем уже указывалось ранее.

Рис. 5. Модель расточного резца с подобранной геометрией бочкообразной части

Табл. 2. Варианты выполнения расточного резца

Вариант выполнения переходного участка расточного резца Стандартная конструкция расточного резца Конструкция с конической рабочей частью и переходным участком в виде тороидального диска Конструкция с бочкообразной рабочей частью Конструкция с бочкообразной рабочей частью и переходным участком в виде тороидального диска

Ду, мм 0,1661 0,1533 0,07740 0,06821

Как видно из табл. 2, конструкция с бочкообразной рабочей частью и переходным участком в виде тороидального диска имеет наименьшую величину упругого смещения, а следовательно, и более высокую жесткость.

На указанную конструкцию получен патент [6].

С целью подтверждения результатов теоретических исследований были проведены экспериментальные исследования, для проведения которых были изготовлены расточные резцы по [5] и по [6]. На фотографии (рис. 6) показаны эти резцы в изготовленном виде.

Рис. 6. Фотографии изготовленных резцов, выполненных по [5]

Приведенные на фотографиях резцы выполнялись с абсолютно одинаковой призматической и конической частями по длине. Изготовление державок резцов производилось из одной части горячекатаного проката стали 45. Обработка точением и фрезерованием осуществлялась с одинаковыми режимами резания, а термообработка - нормализация обеих державок - производилась одновременно. Напайка пластины из

твердого сплава Т15К6 и ее заточка тоже производились с теми же режимами. При установке резцов выдерживался вылет, равный 110 мм от нижней части резцедержателя. Закрепление инструментов производилось динамометрическим ключом с идентичным усилием.

В качестве образцов для проведения исследований принимался прокат горячекатаный из стали 45 диаметром 100 мм и длиной 75 мм, причем для

них, как и для заготовок резцов, принималась часть проката из одного первичного материала.

Заготовки для экспериментов перед растачиванием подвергались сверлению, рассверливанию до диаметра 45 мм при обильном охлаждении СОЖ, а затем трехразовому растачиванию до диаметра 50 мм с шероховатостью не более 1,25 мкм по Ra, растачивание тоже производилось с обильным охлаждением. Причем при растачивании подрезался торец, на который затем наносились риски и цифры, через 90°. В дальнейшем в районах этих рисок и цифр производилось измерение диаметров отверстий нутромером 50...100 мм с ценой деления 0,002 мм (ГОСТ 9244-75).

Методика исследований для чистоты эксперимента не предусматривала снятие заготовок для замеров с последующей новой установкой. Все исследования проводились на одном образце с постепенным увеличением его диаметра: 50, 52, 55, 59, 64 и 70 мм, т. е. с поэтапным увеличением глубины резания в пределах 1; 1,5; 2,0; 2,5 и 3,0 мм.

Обработка производилась на токарном станке с ЧПУ модели 16К20Ф3С32, позволяющим очень точно программировать эти значения, как и скорость главного движения в 100 м/мин и подачу 0,1 мм/об. Перед началом эксперимента резцы подвергались приработке с целью снятия максимального износа главной режущей кромки и выхода в зону установившегося износа, для чего на специальных образцах из того же материала производилось растачивание резцами, используемыми в дальнейшем эксперименте, глубиной 1,5 мм (среднего по эксперименту), скорости резания 100 м/мин и подаче 0,1 мм/об детали.

В данном случае каждый из резцов обрабатывал порядка 1000 м пути резания, что приблизительно и соответствует теоретическому, ранее установленному и опубликованному в различных источниках.

Причем замер производился по длине отверстия в трех местах, приблизительно в 5 мм от торцов образца и по его середине.

Анализ результатов экспериментов показывает, что для резцов с конфигурацией по [5] по расчету деформация при снятии припуска с 50 мм отверстия до 52 мм (t = 1 мм) равна 0,045 мм, по [6] - 0,019 мм, а на практике эта же величина составляет соответственно 0,066 и 0,028 мм, т. е., как и предполагалось, динамическая составляющая значительно больше определенной расчетами статической.

Выводы

Разработана конструкция расточного резца с бочкообразной рабочей частью и осуществлен подбор оптимальных параметров переходного участка в виде тороидального диска для определенных условий обработки.

При анализе полученных данных видно, что значение упругого смещения вершины режущей кромки для расточного резца с бочкообразной рабочей частью и переходным участком в виде тороидального диска между ней и призматической державкой равно 0,028 мм, что на 42 % меньше значения, полученного для расточного резца стандартной конструкции - 0,066 мм. Следовательно, при обработке отверстий модифицированный расточный резец обладает более высокой жесткостью.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ литературы

1. Универсальный токарный резец для обработки наружных и внутренних поверхностей: пат. RU 0000174976 / Н. М. Цовбун, Н. С. Ли. - Опубл. 14.11.2017.

2. Расточной резец: пат. RU 2692537 / Я. Л. Либерман, М. А. Шишминцев. - Опубл. 25.06.2019.

3. Расточной резец: пат. BY 9108 / Н. Н. Попок, В. А. Терентьев, А. А. Герасимов. - Опубл. 30.04.2013.

4. Жолобов, А. А. Совершенствование конструкций расточных резцов / А. А. Жолобов, О. Н. Кляус // Транспортное машиностроение. - 2022. - № 10. - С. 19-27.

5. ГОСТ 18883-73. Резцы токарные расточные с пластинами из твердого сплава для обработки глухих отверстий. Конструкция и размеры. - Москва: Изд-во стандартов, 2003. - 8 с.

6. Расточной резец: пат. BY 13247 / А. А. Жолобов, О. Н. Кляус, К. А. Илбовников. - Опубл. 30.08.2023.

7. Каталог SANDVIK COROMANT [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www. sandvik.coromant.com.ru. - Дата доступа: 19.01.2023.

8. Справочник технолога-машиностроителя: в 2 т. / Под ред. А. М. Дальского [и др.]. - 5-е изд., испр. - Москва: Машиностроение-1, 2003. - Т. 2. - 946 с.: ил.

Статья сдана в редакцию 19 декабря 2023 года

Контакты:

bru_AA@mail.ru (Жолобов Александр Алексеевич); klyaus.olya@yandex.by (Кляус Ольга Николаевна); ilbovnikov86@mail.ru (Илбовников Кирилл Анатольевич).

A. A. ZHOLOBOV, O. N. KLIAUS, K. A. ILBOVNIKOV ON IMPROVING DESIGNS OF BORING CUTTERS Abstract

Boring cutters of more rigid designs have been created by developing transition zones and improving the geometry of a conical part of the boring tool by simulating the elastic displacement in various boring cutter designs during hole formation. A new shape of a toolholder with a toroidal disk and a barrel-shaped conical part has been proposed, which increases resistance to cutting forces. The optimal geometric shapes and parameters of boring cutters with the least elastic displacement during hole formation have been determined.

Keywords:

boring cutter rigidity, boring cutter designs, elastic displacement, transition zone.

For citation:

Zholobov, A. A. On improving designs of boring cutters / A. A. Zholobov, O. N. Kliaus, K. A. Ilbovnikov // Belarusian-Russian University Bulletin. - 2024. - № 1 (82). - P. 14-24.