Перетачиваемый модульный токарный резец

УДК 621.941.025.1 +620.171.5

ПЕРЕТАЧИВАЕМЫЙ МОДУЛЬНЫЙ ТОКАРНЫЙ РЕЗЕЦ

В.Л.Федоров, А.С.Кошеленко, В.В.Копылов, О.В.Жедь

Кафедра технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов Российского университета дружбы народов Россия, 117198 Москва, ул.Миклухо-Маклая, 6

Разработана и исследована модульная конструкция сборного перетачиваемого токарного резца, предназначенного для автоматизированной токарной обработай деталей вращения в условиях автомобильного производства. Резец обладает статическими и динамическими характеристиками, сопоставимыми с характеристиками стандартных резцов, обеспечивает существенное сокращение расхода инструментальных и конструкционных материалов.

Технология автомобильного производства, в т.н. двигателей внутреннего сгорания, сопряжена с большим объемом механической обработки. При этом значительная часть технологических операций осуществляется на автоматизированном оборудовании -автоматических линиях, станках с ЧПУ и ГПС. На этом оборудовании широко используются токарные резцы, оснащенные сменными поворотными режущими пластинами (СМП). Такие резцы позволяют сократить вспомогательное время, связанное с настройкой станка и сменой инструмента, исключить необходимость переточки режущей части и связанные с этим затраты, сократить расход конструкционной стали, используемой для изготовления корпусов. В то же время на практике применяется достаточно большое количество перетачиваемых монолитных и напайных резцов, позволяющих путем заточки оптимизировать геометрические параметры режущей части применительно к конкретным условиям обработки, что не всегда обеспечивается выбором стандартных СМП. В связи с этим представляется актуальной задача создания сборного токарного резца модульной конструкции, на корпусе которого можно было бы закреплять сменные перетачиваемые режущие элементы с различными геометрическими параметрами и изготовленные из разных инструментальных материалов. Такой подход позволяет использовать преимущества как сборных, так и перетачиваемых резцов, связанные с экономией инструментальных материалов и с возможностью оптимизации условий резания, в частности, по критерию стружкодробления.

Анализ научно-технической информации по материалам отечественных и зарубежных журналов, патентов, каталогов ведущих инструментальных фирм мира показал, что модульный принцип построения конструкций токарных резцов является эффективным способом повышения их технического уровня. Однако известные способы соединения модулей инструментов, оснащенных СМП, отличаются сложностью, требуют высокой точности исполнения контактирующих поверхностей, содержат большое число деталей, обладают высокой стоимостью. Поэтому применение таких конструкций наиболее эффективно на станках с ЧПУ и в ГПС, то есть в условиях, когда суммарные инструментальные затраты составляют значительную часть в общей стоимости оборудования. Для работы на автоматических линиях и станках автоматах необходимо создание универсальной модульной системы токарных резцов, отличающейся, прежде всего, низкой начальной стоимостью при достаточно высоком техническом уровне.

В качестве прототипа, наиболее полно удовлетворяющего указанным выше требованиям, был выбран сборный резец [1], спроектированный на кафедре технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов РУДН для Чаренцаванского инструментального ПО (Армения). Резец состоит из державки и режущего элемента, закрепленного в соединении типа ласточкина хвоста с использованием винта и клина, причем контактирующие поверхности клина и режущего элемента оснащены взаимно зацепляющимися треугольными рифлениями. В предварительных опытах использовали шесть вариантов конструкции прототипа, отличавшихся величиной угла клина (30° и 45°),

шагом рифлений (1 и 2 мм) и технологией обработки поверхностей режущих элементов. Все режущие элементы были выполнены из быстрорежущей стали и имели главный угол в плане ф = 45°.

Комплексные испытания прототипа включали в себя лабораторные исследования статических и частотных характеристик резцов и натурные стойкостные испытания. Исследование статических характеристик осуществляли на специальном испытательном стенде по методике, разработанной на кафедре технологии машиностроения РУДН [2], в условиях нагружения резца плавно изменяющейся силой, имитирующей силу резания, с регистрацией смещения вершины режущего элемента по координатам X, У и Z под действием указанной силы, изменяемой в диапазоне от 0 до 1500 Н. Исследование частотных характеристик также осуществляли на специальном стенде в условиях одновременного нагружения режущего элемента постоянной и переменной составляющими силы, имитирующей силу резания. Частотные характеристики сборных резцов регистрировали в виде графических зависимостей отношения амплитуд колебаний режущего элемента и корпуса резца при изменении частоты колебаний возбуждающей силы в диапазоне 0-0,6 кГц. Стойкостные испытания резцов проводили в условиях продольного точения заготовок из стали 45 со скоростью резания 30-40 м/мин, глубиной резания 2 мм и подачей 0,3 мм/об. В опытах контролировали износ резцов по задней поверхности (до критерия затупления Ь, = 1,5 мм), а также спектр колебаний режущего элемента - с помощью миниатюрного акселерометра, закрепленного на нижней поверхности режущего элемента. Для сравнения на тех же режимах резания испытывали стандартные проходные резцы с напаянными пластинами из быстрорежущей стали, изготовленные на ЧарИПО.

Как показали результаты комплексных исследований прототипа, интегральная податливость сборных резцов, размах колебаний на основных частотных составляющих спектра при динамическом нагружении и в процессе резания, а также интенсивность изнашивания режущих элементов существенно зависят от геометрических параметров и качества обработки контактирующих поверхностей элементов конструкции. На основании результатов этих исследований в базовую конструкцию прототипа были внесены следующие изменения: угол клина увеличен от 30° до 45° с допуском ±15', угол ласточкина хвоста на державке и режущем элементе увеличен от 60° до 80°, причем поле допуска на угол выступа державки регламентировано положительным, а на режущем элементе -отрицательным. Вспомогательный угол резца в плане уменьшен от 45° до 15°.

Для определения характера изменения реакций на конгакги-ругощих поверхностях элементов резца при изменении угла в плане режущего элемента разработана расчетная модель резца (рис. 1), представляющая собой сечение резца плоскостью, проходящей через ось винта перпендикулярно линии пересечения задних поверхностей режущего элемента. При этом ввиду малых значений задних углов, допускаем, что плоскость действия сил Рх и Ру совпадает с плоскостью модели, а наличие рифлений позволяет в первом приближении пренебречь влиянием главной составляющей силы резания Р2 на величины реакций в плоскости действия сил Рх и Ру . В таком виде расчетная модель резца, математически представляющая собой систему уравнений, описывающих равновесие резца под действием силы закрепления Р0 и внешних сил Рх и Ру , позволяет определить реакции на контактирующих поверхностях элементов и их изменение при варьировании геометрических параметров этих поверхностей, а также варьировании величины и направления суммарной силы Рху = Рх + Ру, соответствующих изменению главного угла в плане ф от 45° до 90°.

В результате математического моделирования на РС установлено, что изменение угла а от 15° до 45° и угла Р от 70° до 90° (см. рис.1) приводит к фактически равновеликому уменьшению реакций на площадке контакта ВС и увеличению реакции на площадке СВ. Это дает основание полагать, что наиболее рациональными являются значения а = 30° и р = 80°, соответствующие средним значениям диапазонов изменения этих углов, принятых при моделировании. При указанных значениях углов аир изменение угла в плане ф от 45° до 90° не вызывает раскрытия стыков контактирующих поверхностей.

С целью проверки результатов, полученных путем математического моделирования, было проведено исследование поляризационно-оптической модели базовой конструкции сборного резца. Плоская модель представляла собой сечение резца, аналогичное представленному на рис.1, с той разницей, что геометрические параметры элементов были выбраны с учетом результатов математического моделирования, а модель режущего элемента имела четыре отдельные вершины, что обеспечивало возможность нагружения модели силой Рху, соответствующей значениям угла в плане 45°, 75° и 90°, а также условиям работы резца в качестве подрезного с углом в плане ф* = 45°. Все элементы модели были выполнены из оптически активного материала ЭД6-МТГФА толщиной 4,2 мм в масштабе 2:1. Нагружение модели силами, имитирующими силы Рху и Р0 , осуществляли через тарированные диски, выполненные из того же оптически активного материала.

Опыты проводили на поляризационно-оптической установке ППУ-7. Для закрепления модели использовали устройство, состоящее из основания и двух прозрачных пластин, между которыми были размещены все элементы модели и нагружающие диски. Для регистрации интерференционных картин использовали фотоаппарат павильонного типа и фотопленку ФТ-31 размером 13x18 мм. Нагружение модели осуществляли с помощью универсального пресса УП-8 рычажного типа с рабочим усилием до 700 Н.

Величину оптической постоянной сГд0 и цену полосы Од материала модели определяли из соотношений [3]:

где Р: - величина сжимающего усилия, Н; О - диаметр диска, см; Па - порядок полосы в центре диска; (- толщина диска, см По результатам градуировки оптические постоянные

.1,0

имеют следующие значения: сТд0 = 136,6 Н/см полосу; сг‘0 = 325,2 Н/см2 полосу.

Порядок полосы и напряжения в данной точке модели связаны зависимостями:

- для точки, лежащей на ненагруженном контуре: <Ук

1.0

°"о ' ПСі

- для точки, лежащей внутри контура модели:

= г

0-0°  па

2 t

Для анализа условий контактирования элементов модели под действием внешней силы Рху использовали метод полос. На рис.2 представлен пример схемы нагружения модели при Ф = 45° и соответствующие распределения полос на площадках контакта ВС, СО, ЕР режущего элемента и площадке клина.

Рис.2. Распределение полос на площадках контакта фотоупругой модели резца

Анализ картин полос и эпюр контурных напряжений показал, что при увеличении угла в плане ф максимальный уровень порядка полос на площадке ВС увеличивается, а на площадке СО - уменьшается. Это наблюдение подтверждает результаты математического моделирования. Характерно, что для всех рассмотренных случаев нагружения эпюры порядков полос на площадках ВС и СО имеют по два максимума, причем оба эти максимума смещаются вдоль указанных площадок, но ни в одном из случаев нагружения не совпадают с положением граничных точек. Этот факт свидетельствует о том, что перераспределение контурных напряжений при изменении внешней нагрузки в указанном диапазоне условий не приводит к перекосу режущего элемента и раскрытию стыков между режущим элементом и корпусом резца. Поскольку все элементы модели выполнены из одного и того же материала и имеют одинаковую толщину, можно путем сопоставления площадей эпюр контурных напряжений сравнить величины реакций, действующих на соответствующих площадках при изменении внешней нагрузки. Такой анализ позволил подтвердить результаты расчета реакций на контактирующих поверхностях.

На основании результатов комплексного исследования прототипа, математического и поляризационно-оптического моделирования разработана модульная конструкция сборного перетачиваемого токарного резца, представленная на рис.З. Резец состоит из корпуса 1, режущего элемента 2, клина 3 и винта 4. На взаимодействующих поверхностях режущего элемента и клина выполнены треугольные рифления, шаг которых I связан с величиной допустимого износа Ь3 и величиной дополнительно стачиваемого слоя ДЬ соотношением I = И3 + ДЬ , что позволяет переставлять режущий элемент после переточки вверх на одно рифление, сохраняя тем самым положение вершины резца на уровне центров станка. Комплект режущих элементов включает в себя элементы с углами в плане 90°, 75°, 45° и др., выполненные из быстрорежущей стали и твердого сплава. В последнем случае твердосплавная пластина напаивается со стороны главной задней поверхности в тангенциальном положении, а ее длина должна быть не меньше высоты державки. Рабочий участок режущего элемента, содержащего напаянную или приваренную пластину быстрорежущей стали, также не должен быть короче, чем высота державки. При этом обеспечивается наиболее рациональное использование инструментального материала. Для предохранения винта от самоотвинчивания в процессе работы в последнем могут быть выполнены прорези, параллельные нерабочим сторонам, обеспечивающие упругую деформацию клина. На разработанную модульную конструкцию резца получен патент Российской Федерации [5].

Комплексное исследование работоспособности модульной конструкции сборного резца проводили с использованием указанной выше методики исследования статических, частотных характеристик и стойкостных испытаний. Установлено, что интегральная податливость сборных резцов с различными вариантами режущих элементов составляет 20-25 мкм по оси Ъ и 15-20 мкм по осям X и У, что не превышает значений, характерных для

Рис.З. Модульный сборный перетачиваемый резец

сборных резцов средних типоразмеров с СМП. Уровень колебаний в процессе резания и при динамических испытаниях составляет 2-5 g, что также не превышает значений, характерных для резцов средних типоразмеров с СМП [2]. Работоспособность резцов новой конструкции определяется свойствами инструментального материала и величиной главного угла в плане ф режущих элементов.

Выполнен сравнительный анализ расхода конструкционной стали и инструментальных материалов на 1000 часов работы при использовании модульных резцов, проходных резцов по ГОСТ 18869-73 с напаянной пластиной из быстрорежущей стали, проходных резцов по ГОСТ 18879-73 с напаянной пластиной из твердого сплава и резцов с СМП типа SNUM-120408 по ГОСТ 19052-80. Расчет проводили по методике ОРГПРИМИНСТРУМЕНТ [4]. Установлено, что при использовании модульных резцов взамен резцов с напаянными пластинами из быстрорежущей стали аналогичных типоразмеров число периодов стойкости увеличивается в 3,3 раза. Соответственно уменьшаются число циклов заточки и полезные площади инструментального склада. Общий расход быстрорежущей стали уменьшается в 1,66 раза, а конструкционной стали - в 2,12 раза. Общий расход твердого сплава уменьшается в 1,66 раза по сравнению с резцами с напаянными пластинами и в 2,0 раза - по сравнению с резцами с СМП.

Выводы.

1. Разработана простая и технологичная модульная конструкция сборного проходного токарного резца, обеспечивающая возможность закрепления на едином корпусе режущих элементов из разных инструментальных материалов и имеющих различные геометрические параметры. Передний угол и стружкоформирующие элементы обеспечиваются путем заточки применительно к конкретным условиям обработки.

2. Модульные резцы не требуют подналадки положения вершины после переточки. Заточка резцов может осуществляться централизованно в едином технологическом корпусе. Такие резцы могут найти широкое применение на автоматизированном оборудовании в условиях автомобильного производства при обработке поршней, валов, осей, толкателей и других деталей вращения.

3. Использование модульных резцов взамен стандартных обеспечивает экономию быстрорежущей стали и твердых сплавов в 1,6 раза, а конструкционной стали - не менее, чем в 2 раза.

ЛИТЕРАТУРА

1. A.c. 1756094 СССР МКИ5 В23Р15/28. Способ изготовления резца. / В.Л.Федоров, В.В.Копылов, А.Д.Шустиков и др. (СССР).

2. Матвейкин В.В. Исследование конструкций и рациональных условий использования сборного режущего инструмента по его статическим и динамическим характеристикам (на примере сборных проходных резцов): Дисс. канд. техн. наук - М., 1980. - 234 с.

3. Бабенков КС., Романова В.А. Поляризационно-оптический метод исследования напряжений. - М.: УДН, 1981. - 51 с.

4. Разработка норм расхода металлорежущего инструмента и напильников: Метод, рекомендации. ГСПКТБ "Оргприминструмент" и др. - М.: ВНИИТЭМР, 1989.- 152 с.

5. Патент Российской Федерации 2000891 МКИ5 В23В27/16. Сборный резец. / В.Л.Федоров, В.В.Копылов, М.С.Марджи.

A MODULE REGRINDABLE LATHE TOOL VJLFedorov, A.S.Koshelenko, V.V.Kopylov, O.V.Zhed

Department of Engineering Manufacturing Processes Peoples’ Friendship University of Russia Mikluho-Maklaya St., 6, 117198 Moscow, Russia

A module design of a regrindable lathe tool has been developed and investigated. The tool can be used for automated machining of rotational parts under conditions of automobile industry. The proposed tool possesses static and dynamic characteristics comparable to those of standard insert-type tools and ensures considerable reduction in consumption of cutting toot and structural materials.

Виктор Леонидович Федоров родился в 1944 г., окончил в 1971 г. РУДН. Канд. техн. наук, доцент кафедры Технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов РУДН. Автор более 60 научных работ.

V.L. Fedorov (b. 1944) graduated from Peoples’ Friendship University of Russia in 1971. PhD(Eng), ass. professor of “Mechanical Engineering, Machine Tools and Tooling” Department of Peoples’ Friendship University of Russia. Author of more than 60 publications.

Адольф Семенович Кошеленко родился в 1940 г., окончил в 1967 г. РУДН. Канд. техн. наук, доцент кафедры Технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов РУДН. Автор более 30 научных работ.

A.S. Koshelenko (b. 1940) graduated from Peoples5 Friendship University of Russia in 1967. PhD(Eng), ass. professor of “Mechanical Engineering, Machine Tools and Tooling” Department of Peoples’ Friendship University of Russia. Author of more than 30 publications.

Ольга Викторовна Жедь родилась в 1959 г., окончила в 1981 г. СТАНКИН. Канд. техн. наук, доцент кафедры Технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов РУДН. Автор более 30 научных работ.

O.V. Zhed (b. 1959) graduated from Moscow Institute of Machine Tool and Tooling Design in 1981. PhD(Eng), ass. professor of “Mechanical Engineering, Machine Tools and Tooling” Department of Peoples’ Friendship University of Russia. Author of more than 30 publications.