Особенности проектирования торцовых фрез с переменными схемами резания, оснащенными неперетачиваемыми пластинками твердых сплавов для обработки деталей из труднообрабатываемых материалов

Оригинальная статья / Original article УДК 621.9.02

DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2019-3-434-442

Особенности проектирования торцовых фрез с переменными схемами резания, оснащенными неперетачиваемыми пластинками твердых сплавов для обработки деталей из труднообрабатываемых материалов

© О.М. Балла

Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск, Россия

Резюме: Целью работы является повышение эффективности механической обработки деталей из труднообрабатываемых материалов путем применения специальных конструкций торцовых фрез с переменными схемами резания. В ходе работы применялись экспериментальные и теоретические методы исследования повышения работоспособности необходимых конструкций торцовых фрез с неперетачиваемыми пластинками твердых сплавов для обработки труднообрабатывамых материалов на стадии их проектирования. Разработана методика проектирования специальных конструкций торцовых фрез с неперетачиваемыми пластинками твердых сплавов для фрезерования труднообрабатываемых материалов как для черновой, так и чистовой обработки. Использование расчетных методов позволяет исключить влияние субъективных факторов на качество проектирования и снижает его трудоемкость. Применение необходимых торцовых фрез с неперетачиваемыми пластинками твердых сплавов, работающих с обратными стружками, повышает эффективность как черновой, так и чистовой механической обработки деталей из труднообрабатываемых материалов, и, как показали результаты лабораторных и производственных испытаний, обеспечивает интенсификацию съема металла от 2 до 10 раз. В ряде случаев они являются единственно возможным вариантом обработки в производственных условиях.

Ключевые слова: торцовые фрезы, неперетачиваемые пластинки твердого сплава, схема резания, труднообрабатываемые материалы, проектирование

Информация о статье: Дата поступления 27 февраля 2019 г.; дата принятия к печати 18 мая 2019 г.; дата он-лайн-размещения 28 июня 2019 г.

Для цитирования: Балла О.М. Особенности проектирования торцовых фрез с переменными схемами резания, оснащенными неперетачиваемыми пластинками твердых сплавов для обработки деталей из труднообрабатываемых материалов. Вестник Иркутского государственного технического университета. 2019;23(3):434-442. DOI: 10.21285/1814-3520-2019-3-434-442

Design features of face milling cutters with variable cutting patterns equipped with disposable hard alloy inserts for machining of parts made of hard-to-machine materials

Oleg M. Balla

Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, Russia

Abstract: The purpose of the paper is to improve the efficiency of mechanical processing of parts from hard-to-machine materials by using special designs of face mills with variable cutting patterns. The study uses experimental and theoretical research methods of improving the performance of required designs of face mills with disposable hard alloy inserts for the processing of hard-to-machine materials at their design stage. The method of designing special constructions of face mills with disposable hard alloy inserts for milling of hard-to-machine materials for both rough and finishing machining has been developed. The use of computational methods allows to eliminate the influence of subjective factors on design quality and reduces design complexity. The use of special face mills with disposable hard alloy inserts operating with reverse shavings increases the efficiency of both rough and finishing machining of parts from hard-to-machine materials and from 2 to 10 times intensifies metal removal as it was proved by the results of laboratory and production testing. In some cases they are the only possible machining option in production conditions.

Keywords: face mills, disposable hard alloy inserts, cutting pattern, hard-to-machine materials, designing

0

Information about the article: Received February 27, 2019; accepted for publication May 18, 2019; available online June 28, 2019.

For citation: Balla O.M. Design features of face milling cutters with variable cutting patterns equipped with disposable hard alloy inserts for machining of parts made of hard-to-machine materials. VestnikIrkutskogo gosudarstvennogo tehnich-eskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2019;23(3):434—442. (In Russ.) DOI: 10.21285/1814-3520-2019-3-434-442

1. ВВЕДЕНИЕ

Для ряда отраслей фрезерование является превалирующим по трудоемкости механической обработки [1, 2]. С учетом широкого применения деталей из труднообрабатываемых материалов повышение эффективности фрезерования деталей является актуальной задачей. В данной работе рассмотрены вопросы интенсификации режимов фрезерования на стадии проектирования специальных торцовых фрез с переменными схемами резания.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ

И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Известно, что влияние толщины среза на силы резания значительно меньше ширины среза [3], в работах [4-6] теоретически и экспериментально обоснована возможность управления силами резания за счет изменения формы поперечного сече-

ния среза при сохранении объема удаляемого материала. В работах [7-10] обосновано повышение работоспособности твердосплавных пластин с тангенциальным расположением. Наибольший эффект при этом имеет место при переходе от срезания прямых стружек к обратным, т. е. когда толщина среза превышает ширину. Эффект от срезания обратных стружек возрастает по мере снижения обрабатываемости материалов, рис. 1.

Экспериментальные работы были выполнены при условии сохранения постоянной площади поперечного сечения среза, где а - толщина среза; в - ширина среза; Рг, Ру - составляющие сил резания.

Для реализации переменных схем резания целесообразно применять теорию винтовых поверхностей [11-14]. Наиболее просто данная схема резания может быть реализована в конструкциях торцовых фрез. Схема расположения пластин в плане по спирали Архимеда приведена на рис. 2, а расположение пластин в корпусах по высоте - на рис. 3.

Рис. 1. Зависимость силы резания Pz при точении

Рис. 2. Схема расположения пластин в корпусах фрез в плане: Rmin - радиус расположения 1й пластинки; Rmax - радиус расположения последней пластинки; Vi - окружной шаг расположения пластин Fig. 2. Diagram of plate arrangement in mill cases in the plan: Rmin - location radius of the 1st plate;

Rmax - location radius of the last plate; Vi - circum ferential pitch of plate arrangement

Рис. 3. Схема расположения пластин в корпусах

фрез: у - передний угол; а - за дний угол Fig. 3. Diagram o f pla te ar rangem en t in m ill cases: Y - rake angle; а - back clearance angle

Схе м а срезания припуска пр и в ед е н а н а р и с. 4.

Рис. 4. Схема удаления припуска торцовой фрезой: At - глубина резания для каждого режущего элемента; t - глубина резания для фрезы в целом; AS - радиальное смещение пластин по спирали (или конструктивная подача) Fig. 4. Diagram of allowance removal by a face mill: At - cutting depth for each cutting element;

t - cutting depth for the mill as a whole; AS - radial displacement of plates in a spiral

Фреза, реализующая данную схему резания, показана на рис. 5.

Рис. 5. Фреза с расположением цилиндрических пластин твердого сплава по спирали Fig. 5. Mill with spirally arranged hard alloy cylindrical plates

В основу взятой конструкции заложена схема переменного резания с обратными стружками. Данная схема резания получена расположением режущих пластин в пл а н е п о спи р а ли Архимеда. По оси фрезы каждая пластина смещена относительно д руг д руга на толщину среза. Отработка элементов конструкции была выполнена п ри срез а нии стружек с шириной среза (At) равной 0 , 3 мм и толщинами среза (а) до 3 м м п р и ф резеровании заготовок из титановых спла вов ВТ20, ВТ22 и стали ДИ38Ш (9Г28Ю9МВБ). При фрезеровании титановых сплавов данная схема резания обеспечила увеличение минутной подачи до 3-х ра з п ри удал ени и сум м арн ого при пуска до 5 мм. Для стали ДИ38Ш она является единственной пригодной для применения в производственных условиях, т.к. из-за чрезмерной склонности к упрочнению ее невозможно обрабатывать с малыми толщинами среза.

Кроме того, минутные подачи порядка 5...15 мм/мин очевидны, а также наблюдается низкая стойкость фрез [14], что не подходит для производства. Специ-

альные фрезы в процессе исследования обрабатываемости обеспечили увеличение минутной подачи до 100 мм/мин даже при применении твердого сплава ВК8. Применение современных марок сплавов типа ВП322 и ВРК15, имеющих высокую работоспособность [15], позволяет предполагать дальнейшую интенсификацию режимов фрезерования.

С учетом того, что графическое проектирование фрез достаточно трудоемко и в значительной степени зависит от квалификации конструктора, для исключения влияния субъективных факторов выполнена формализация их расчета. Проектирование фрез данной конструкции сводится к определению числа режущих пластин, необходимых для удаления припуска и их компоновки на технологической спирали. В зависимости от удаляемого припуска пластины могут быть расположены следующим образом:

- на одном витке спирали с равномерным окружным шагом;

- на одном витке спирали с неравномерным окружным шагом;

- на 2-х и более витках спирали с равномерным окружным шагом;

- на 2-х и более витках спирали с неравномерным окружным шагом;

- для небольших припусков возможна компоновка пластин на многозаход-ных спиралях.

Расчет параметров фрез выполняется в следующей последовательности:

1. Определяем диаметр рабочей части фрезы:

й =

2. Находим число режущих элементов по формуле:

z At'

3. Рассчитываем текущие значения радиусов расположения следующих пластин (параметр схемы резания):

где / - порядковый номер пластинки от 1 до г; - конструктивная подача, мм.

4. Рекомендуемые значения конструктивной подачи приведены в табл. 1.

5. Определяем угловые расположения пластин в корпусах фрез относительно первой пластинки по следующей зависимости:

COS(pi =

Ri +

где С - постоянный коэффициент, зависящий от диаметра пластин.

Рассмотрим значения постоянных коэффициентов, которые приведены в табл. 2.

6. Далее проверяем возможные варианты компоновки пластин в корпусах фрез:

- при условии, если

Цг^^ЗбО0,

то пластины располагают в корпусе в соответствии с расчетом;

- в том случае, если

^ 360°

Vi ,

то возможна компоновка пластин с равномерным окружным шагом;

- если это условие не выполняется, то рекомендуется проверить возможность смешанной компоновки пластин, т.е. часть пластин расположить с расчетными (переменными) значениями угловых шагов, а часть (с постоянными) по соблюдению следующего ограничения:

<Pi+i >

360°-Zipj zri

- если

I (Pi « 360°,

то выполняется проверка возможности размещения на торце фрезы двух и более спиралей, число которых в общем случае может быть определено как отношение

Ri = Rmin + AS(i - Д

N =360°

t

1

Таблица 1

Рекомендуемые значения конструктивной подачи в зависимости от диаметра пластины

Table 1

Recommended values of constructive feed depending on the plate diameter_

Диаметр пластины, йпл, мм Макропогрешность формы обработанной поверхности, мм Конструктивная подача, AS, мм

9,525 0,0036 0,9

12,7 0,0041 1,1

15,875 0,0053 1,4

Таблица 2

Значение коэффициента С

Table 2

Coefficient C value

Диаметр пластины, йпл, мм Коэффициент

9,525 15,6

12,7 20,8

15,875 26

Дальнейшее повышение эффективности может быть обеспечено за счет расположения 2-го ряда пластин на спирали, что выполняется при соблюдении важных условий:

!ф! > 360° _ ^

Ri-k - Ri ^ Ам + 2 , J

где к - порядковый номер пластины, начиная с которой выполняются данные условия.

Если же данные условия не выполняется, то необходимо ограничить припуск произведением Atz.

Далее определяем конструктивные размеры корпусов фрез по формуле

Dk = 2

а также угол конуса расположения спирали

аг с tg^=Ys.

Заключительным моментом проектирования является определение присоединительных мест фрез (см. рис. 6).

В соответствии с рекомендациями по стандартам [16], рекомендуется увеличивать базовый диаметр фрез с тангенциаль-

ным расположением пластин твердого сплава, что наглядно представлено в табл. 3, и рекомендуется выполнять его по 5-му квалитету точности.

Для фрез больших диаметров присоединительные места можно выполнять как у инструмента с радиальным расположением пластин твердого сплава, рассмотрим рис. 7 и табл.4.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Разработанные конструкции фрез прошли испытания в лабораторных и производственных условиях при обработке титановых сплавов ВТ6, ВТ20, ВТ22 и стали ДИ38Ш (только лабораторные). Режимы фрезерования для данных конструкций фрез определяются по данной формуле:

5мш=пА5Мсп,.

где п - частота вращения шпинделя (зависит от скорости резания для примененной марки твердого сплава и обрабатываемого материала); ЛS - конструктивная подача; Nп - число заходов спирали Архимеда.

При фрезеровании титановых сплавов была достигнута минутная подача при глубине фрезерования 1 = 2,5...5 мм до

dst

d

d1

D

Рис. 6. Присоединительные места торцовых фрез Fig. 6. Connecting places of face mills

Таблица 3

Присоединительные места торцовых фрез c тангенциальным расположением пластин твердого сплава

Table 3

Connecting places of face mills with tangential _arrangement of hard alloy plates_

D dH5 H tH11 bH11 Lmin d1min d2min dst

80 32 50 14,4 7 22 20 13 58

100 40 50 16,4 8 27 27 17 70

125 50 63 16,4 9 30 32 21 72

160 50 63 16,4 9 30 32 21 72

200 50 63 16,4 9 30 32 21 72

D1

d

Л "I .d2

I

.o! / /

У/Ш / / /

, d1 . d3

D

Рис. 7. Присоединительные места торцовых фрез больших диаметров Fig. 7. Connecting places of face mills of large diameters

Таблица 4

Присоединительные места торцовых фрез больших диаметров

Table 4

_Connecting places of face mills of large diameters_

D D1 dH5 H tH11 bH12 L d1min D2min D3min dst

160* 66,7 40 63 16,4 9 31 56 14 20 90

160* 101,6 50 63 25,7 14 32 70 18 26 140

200 101,6 60 63 25,7 14 32 70 18 26 140

250 101,6 60 63 25,7 14 32 70 18 26 170

0

Примечание. * - размеры зависят от диаметров пиноли шпинделя.

Таблица 5

Результаты сравнительных испытаний фрез при чистовой обработке титановых сплавов

Table 5

Results of comparative tests of mills at finishing treatment of titanic alloys_

Типы торцовых фрез Минутная подача, Sмин, мм/мин Глубина фрезерования, t, мм Ширина фрезерования, B, мм Длина обработки, L, мм Время обработки, to, мин Высота микронеровностей, Ra, мкм

1 700 0,5 0,8d 7000 10 1,25

2 150 0,5 0,8d 7000 47 2,5

3 120 0,5 0,8d 7000 58 1,25

4 60 0,5 0,8d 7000 117 Rz = 20

Примечание: 1 - фрезы с тангенциальным расположением цилиндрических пластин твердого сплава на многоза-ходной торцовой спирали; 2 - фрезы с тангенциальным расположением призматических пластин твердого сплава на окружности; 3 - торцовые хвостовые радиусные фрезы с неперетачиваемыми пластинками; 4 - фрезы со вставными ножами с напайными пластинками твердого сплава (применяемые на предприятиях).

160 мм/мин при стойкости порядка 45...60 мин., а при фрезеровании стали ДИ38Ш -до100 мм/мин, стойкость при этом (во избежание нагартовки обработанной поверхности) в случае разрушения пластин была ограничена временным интервалом 20.30 мин.

Дополнительно выполнялись испытания фрез при чистовой обработке деталей из титановых сплавов. Результаты сравнительных испытаний специальных торцовых фрез для чистовой обработки и инструмента общего применения приведены в табл. 5.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение специальных конструкций торцовых фрез с переменными схемами резания обеспечивает эффективную (как черновую, так и чистовую) обработку из ти-

тановых сплавов и специальной стали. Особенно эффективны фрезы с пластинками, расположенными на многозаходных спиралях при чистовой обработке, т.к. они обеспечивают многократное повышение минутной подачи даже при применении старых марок твердых сплавов. Выполненные исследования показали, что при обработке деталей из труднообрабатываемых материалов возможна интенсификация режимов фрезерования даже в условиях применения традиционных инструментальных материалов не менее чем в 1,5-4 раза, а при узкой специализации инструмента - значительно выше (более 10 раз). Следует отметить, что интенсификация режимов фрезерования была обеспечена увеличением допустимых сечений среза без увеличения скорости резания. Предложенная методика расчета позволяет проектировать специальные фрезы даже конструкторам средней квалификации.

Библиографический список

1. Белянин П.Н. Производство широкофюзеляжных самолетов. М.: Машиностроение, 1979. 256 с.

2. Белянин П.Н. Технология и оборудование для производства широкофюзеляжных самолетов в США. М.: Машиностроение, 1979. 255 с.

3. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975. 344 с.

4. Ларин М.Н. Высокопроизводительные конструкции фрез и их рациональная эксплуатация. М.: Машгиз, 1957. 272с.

5. Обзорный каталог фрезерного инструмента [Электронный ресурс] // Интернет-каталог «Membtr IMC Group. Ingtrsol Cutting Tools». 2008. 71 c. URL: http://in-tercos-tooling.ru/download/Ingersoll_rus.pdf (дата обращения: 23.04.2019).

6. Балла О.М. Повышение эффективности фрезерования деталей из титановых сплавов // Авиационная промышленность. 1989. № 11. С. 44-46.

7. Исследование эффективности тангенциального расположения пластин твердого сплава при фрезеровании // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 21 № 2(121). С. 1020.

8. Балла О.М. Обработка деталей на станках с ЧПУ. Оборудование. Оснастка. Технология. 3-е изд. СПб.:

Лань, 2018. 368 с.

9. Brach K. Frasen und Aufbohren mit Werkzeugen mit tangentialen Wendeschneidplatttn // Werkstatt und Betr. 1981. Vol. 114. No. 4. Р. 257-258.

10. Kahles J.F., Field M., Eylon D. and Froes F.H. Cutting of Titanium Alloys // Journal of metals. 1985. Vol. 37. No. 4. Р. 27-35.

11. Люкшин В.С. Теория винтовых поверхностей в проектировании инструмента. М.: Машиностроение, 1968. 372 с.

12. Сидоренко С.М. Вычислительная геометрия в машиностроении. М.: Машиностроение, 1983. 160 с.

13. Михайлов Г.А. Анализ схем резания и способов разделения срезаемых слоев металла // Научные труды ВЗМИ. 1978. № 35. С. 25-29.

14. Петруха П.Г., Чубаров А.Д., Стерлин Г.А., Данилин Н.Т., Буянова Т.Л. Обработка резанием высокопрочных коррозионностойких и жаропрочных сталей. М.: Машиностроение, 1980. 167 с.

15. Балла О.М. Экспериментальные методы исследование в технологии машиностроения. СПб.: Лань, 2019. 168 с.

16. Балла О.М. Инструментообеспечение современных станков с ЧПУ. СПб.: Лань, 2017. 200 с.

References

1. Belyanin P.N. Proizvodstvo shirokofyuzelyazhnyh sa-moletov [Production of wide-body aircrafts]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1979, 256 p. (In Russ.).

2. Belyanin P.N. Tekhnologiya i oborudovanie dlya pro-izvodstva shirokofyuzelyazh-nyh samoletov v SShA [Technology and equipment for the production of wide-body aircrafts in the USA]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1979, 255 p. (In Russ.).

3. Bobrov V.F. Osnovy teorii rezaniya metallov [Fundamentals of the metal cutting theory]. Moscow: Mashi-nostroenie Publ., 1975, 344 p. (In Russ.).

4. Larin M.N. Vysokoproizvoditel'nye konstrukcii frez i ih racional'naya ekspluataciya [High-performance design of mills and their rational operation]. Moscow: Mashgiz Publ., 1957, 272 p. (In Russ.).

5. Overview catalogue of milling tools. On-line catalogue "Membtr IMC Group. Ingtrsol Cutting Tools". 2008, 71 p. Available at: http://intercos-tooling.ru/download/Inger-soll_rus.pdf (accessed 23 April 2019).

6. Balla O.M. Improving the milling efficiency of titanium alloy parts. Aviacionnaya promyshlennost' [Aviation Industry], 1989, no. 11, pp. 44-46. (In Russ.).

7. Balla O.M. Investigation of the efficiency of tangential arrangement of hard alloy plates during milling. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universi-teta [Proceedings of Irkutsk State Technical University], 2018, vol. 21, no. 2(121), pp. 10-20. (In Russ.).

8. Balla O.M. Obrabotka detalej na stankah s chislovym programmnym upravleniem. Oborudovanie. Osnastka. Tekhnologiya [Machining of parts on CNC machine-

tools. Equipment. Tooling. Technology]. Saint-Petersburg: Lan' Publ., 2018, 368 p. (In Russ.).

9. Brach K. Frasen und Aufbohren mit Werkzeugen mit tangentialen Wen-deschneidplatttn. Werkstatt und Betr, 1981, vol. 114, no. 4, pp. 257-258.

10. Kahles J.F., Field M., Eylon D. and Froes F.H. Cutting of Titanium Alloys. Journal of metals, 1985, vol. 37, no. 4, pp. 27-35.

Lyukshin V.S. Teoriya vintovyh poverhnostej vproektiro-vanii instrumenta [Theory of spiral surfaces in tool design]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1968, 372 p. (In Russ.).

10. Sidorenko S.M. Vychislitel'naya geometriya v mashi-nostroenii [Computational geometry in mechanical engineering]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1983, 160 p. (In Russ.).

11. Mihajlov G.A. Analysis of cutting schemes and separation methods of cut metal layers. Nauchnye trudy Vse-soyuznogo zaochnogo mashinostroitel'nogo instituta [Scientific works of the All-Union Correspondence Machine-Building Institute], 1978, no. 35, pp. 25-29. (In Russ.).

12. Petruha P.G., Chubarov A.D., Sterlin G.A., Danilin N.T., Buyanova T.L. Obrabotka rezaniem vyso-koprochnyh korrozionnostojkih i zharoprochnyh stalej [Cutting of high-strength corrosion-resistant and heat-resistant steels]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1980, 167 p. (In Russ.).

13. Balla O.M. Eksperimental'nye metody issledovanie v tekhnologii mashinostroeniya [Experimental research

methods in mechanical engineering technology]. Saint-

Petersburg: Lan' Publ., 2019, 168 р. (In Russ.).

14. Balla O.M. Instrumentoobespechenie sovremennyh

Критерии авторства

Балла О.М. провел исследование, оформил научные результаты и несет ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ

Балла Олег Михайлович,

кандидат технических наук, доцент кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, Иркутский национальный исследовательский технический университет, Институт авиамашиностроения и транспорта, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Россия, e-mail: ballaom@mail.ru

stankov s chislovym programmnym upravleniem [Tool supply of modern CNC machine-tools]. Saint-Petersburg: Lan' Publ., 2017, 200 p. (In Russ.).

Authorship criteria

Balla O.M. autor have conducted research, formalized research result and bear responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The author declares that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

INFORMATION ABOUT THE AUTHOR

Oleg M. Balla,

Cand. Sci. (Eng.),

Associate Professor of the Department of Technology and Equipment of Machine-Building Production, Irkutsk National Research Technical University, Institute of Aircraft Engineering and Transport, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russia, e-mail: ballaom@mail.ru