Управление процессом формообразования стружки при обработке труднообрабатываемых металлов и сплавов

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

УДК 621.91.02

Управление процессом формообразования стружки при обработке труднообрабатываемых металлов и сплавов

Э. Л. Жуков, И. И. Козарь, Д. Ю. Колодяжный

Статья содержит информацию о решении основной проблемы обработки резанием — обеспечении надежности процесса резания. Эта проблема решена посредством использования специальных токарных резцов с различными типами стружколомов. Получены зависимости, которые позволяют определить условия дробления стружки. Представлена методика определения подач для пластин со сферическими выступами и пластин со стружколомами в виде канавки.

Ключевые слова: процесс формообразования стружки, точение, токарные резцы, стружколомы, пластины со сферическими выступами и в виде канавки.

Введение

При механической обработке резанием одной из доминирующих причин, снижающих устойчивость и стабильность резания, а следовательно, и качество деталей, является образование сливной стружки. Для реализации расчетных технологических параметров процесса необходимо надежное дробление стружки в течение всего периода обработки заготовок.

В настоящее время появилась большая группа труднообрабатываемых материалов и сплавов, например в авиастроении, для которых особенно актуально обеспечение надежности резания [1, 2].

В связи с этим необходимо получить диаграммы для определения режимов резания, обеспечивающих устойчивость стружкодробления. Однако для получения таких диаграмм требуется провести ряд экспериментов, что не всегда удобно. Поэтому важно иметь зависимости, которые определяли бы условия дробления стружки и при этом не требовали дополнительных затрат на эксперимент. При этом по заданным параметрам стружколомающего элемента определяется подача, при которой будет обеспечено дробление стружки [3, 4, 5].

Разработка математической модели процесса образования стружки

В работах Н. Н. Зорева [6] приведена зависимость, при помощи которой можно определить подачу, обеспечивающую необходимую для дробления стружки деформацию для стружколомов в виде канавок. Используя эту зависимость, можно получить подобное выражение для определения подачи для стружколома в виде уступа:

50 _

2(Бу - С^К

А '

где Ву — ширина стружколома в виде уступа; С1 — ширина площадки пластической деформации; гъ — предельно допустимая деформация стружки, которая зависит от свойств материала и равна 0,05-0,07 для различных сталей; К — отношение радиуса завивания стружки Яа в месте ее излома к радиусу завивания стружки Яъ в направлении, перпендикулярном обработанной поверхности. (курсивом латинские буквы) ; А — угол наклона уступа; Ф — главный угол в плане; Ка — коэффициент утолщения (усадки) стружки.

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

МЕШП^БРАБОТКА

I—w—I х

При использовании стружколомов, имеющих фаску, ширина контакта стружки с передней поверхностью должна быть больше ширины этой фаски f. Только в этом случае стружка попадает на элементы стружколома и получает необходимую деформацию для дробления. Если ширина фаски будет больше ширины контакта стружки с передней поверхностью, то дробление не обеспечивается. Поэтому в зависимостях, предложенных Н. Н. Зоревым, вместо ширины фаски необходимо вводить ширину контакта стружки с передней поверхностью, которая характеризуется шириной площадки пластической деформации С^. С учетом сказанного подача для стружколома в виде канавки:

50 —

(Вк - C1)sbK

sinyк sinpKa

где Вк — ширина стружколома в виде канавки; ук — угол входа в канавку; все остальные обозначения приведены выше.

Ширина площадки пластической деформации, входящая в зависимости (1) и (2), может быть определена по формуле [6]

Ci — S0 sin p [Ka(1- tg y) + sec у],

где ф — главный угол в плане; Ка — коэффициент утолщения стружки; у — передний угол инструмента.

Для определения подачи, которая учитывает влияние контакта стружки с передней поверхностью инструмента, выражение (3) подставляется в зависимости (1) или (2). Причем вывод формул для стружколома в виде канавки и для струж-колома в виде уступа будет одинаковым.

После подстановки выражения (3) в формулу (2) и после некоторых преобразований

So —

— BKebK - sbK[Ka(1 - tgy) + secy] sinpS0

Для стружколома в виде уступа выражение для определения подачи, обеспечивающей дробление стружки, с учетом ширины контакта стружки с передней поверхностью выглядит следующим образом:

So — 2Ву&bK / {tg | sin cpKa(2K - 1) +

2

+ sbKsinp[Ka(1 - tgy) + secy]}.

Выражения (4), (5) не отображают полностью формирование стружки на стружколомах, так как стружка сходит по передней поверхности не по нормали к главной режущей кромке, а под углом р, называемым углом схода стружки. В результате значения ширины стружколомов Вк, By, входящие в выражения (4), (5), будут изменяться в зависимости от угла р. Эффективная ширина стружколома (рис. 1), которая участвует в процессе завивания стружки,

Вэ — В/cos р.

Угол схода стружки р зависит от режимов резания, главного угла в плане p и угла наклона главной режущей кромки А. Угол А оказывает непосредственное влияние на угол схода

Заготовка

^Юн

к/ ^

Vc

D

sin ук sin p Ka

Стружка

Из этого выражения подача для стружко-лома в виде канавки будет иметь вид

So — B^bK / {sinyк sinpKa(2K - 1) + + sbKsinp[Ka(1 - tgy) + secy]}.

* Инструмент

Рис. 1. Схема процесса завивания стружки на стружколомах

В

C

стружки, т. е. значение угла можно рассмотреть как разность между углом схода стружки, зависящим от режимов резания и угла Ф, и углом наклона главной режущей кромки А:

Р = Pp - A

Значение тангенса угла tg рр определяется из треугольника AKD (рис. 1):

tgPp =

50нв1пф

SoRsin ф

t/sin ф + S^cos ф t + S^cos ф sin ф

где Pp — угол схода стружки, зависящии от режимов резания и главного угла в плане ф.

Угол X принимает как положительное значение, когда вершина резца занимает низшее положение на главнои режущеи кромке, так и отрицательное, когда вершина резца занимает высшее положение на главной режущеИ кромке. Если угол X отрицательный, то он увеличивает угол схода стружки, а при положительном значении уменьшает его. В результате того что стружка сходит под углом P, подача, обеспечивающая необходимую для дробления стружки деформацию, также будет зависеть от этого угла. Чтобы определить подачу, необходимо в выражения (4) и (5) подставить эффективную ширину стружколома Вэ. Тогда выражение для определения подачи, учитыва-ющеи влияние угла схода стружки P, можно записать как SoH = So/cos р, где Sqk — необходимая подача, учитывающая влияние угла схода стружки р. С учетом, что р = Pp - X, получаем

S0R -

S

0

сов

Преобразование косинуса разности двух углов дает выражение

S0R -

S

0

cosppcosA + sinpp sin А

Величина cos Pp определяется из схемы завивания стружки, приведенной на рис. 1. В работах Н. Н. Зорева установлено, что влиянием вспомогательного угла в плане ф1 на угол схода стружки можно пренебречь. Тогда угол Рр определяется между диагональю AC параллелограмма ABCD и главной режущей кромкой. Величины cos Рр и sin Рр, входящие в выражение (6), удобно выразить через tg Рр:

cospp -

1

4

1 + tg Pp

sinPp -

tePi

4

1 + tg Pp

После подстановки выражений cos Рр и sin Рр в формулу (6) получаем

S0R -

S0

cosA + tgpp sinA '

л/1 + tg4 а/1 + tg2

Pp

Преобразование знаменателя и возведение левой и правой частей уравнения в квадрат дают

S2 -s0R -

sg

(cosA + tg pp sinA)2

После приведения уравнения к общему знаменателю получаем

50н

Преобразование правой части уравнения к виду

Б! + = 5 + SotgPp)2 - 2S2tgpp

и перенос всех членов уравнения (8) в левую часть дают

2 2 50н(сов А + tg ppsin А) -

- 5 + Sotg Pp)2 + pp = 0.

В этом уравнении имеется разность квадратов, которая преобразуется к виду

(SorCOSA + SoítgppsinA - So - SotgPp) х x(S0ícosA + S0ítgppsinA + S0 + S0tgpp) +

+ 2S2tgpp - 0.

Подставляя вместо tg Pp его значение (7), имеем

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

МЕШП^БРАБОТКА

i—w—I х

(SoHcosX +

S0h sin ф sin X t + So cos ф sin X

2 о

x [SoH(cos ф sin ф cos X + sin ф sin X) +

2,

2

_ S _ S0S0Hsin ф ) x

0 t + SoHcos ф sin X 2

x (S0Hcos X + S0h sin ф sin X + t + S0H cos ф sin X

+ S + S0S0Hsin2 ф ) + 2S0HS0sin2 ф = 0_

0 t + S0Hcos ф sin X t + S0H cos ф sin X

Вначале к общему знаменателю приводятся выражения, помещенные в скобки:

(S0Hcos X + s|h cos ф sin ф cos X + S0H sin^ sin X _ _ S0t _ S0HS0 cos ф sin ф _

_ S0HS0 sin ф) / (t + S0Hcos ф sin ф) x

2 2 x (S0Hcos X + S0Hcos ф sin ф cos X + S0H sin ф sin X +

+ S0t + S0HS0 cos ф sin ф + + S0HS0 sin2ф) / (t + S0Hcos ф sin ф) +

+ 2sHtts

2S0HS0sin ф = 0) t + S0Hcos ф sin ф

а затем во всем уравнении:

2 2 2

S0Ht cos X + S0Hcos ф sin ф cos X + S0H sin ф sin X _

2

_ S0t _ S0HS0 cos ф sin ф _ S0HS0 sin ф) x

2 2 2 < (S0Ht cos X + S0Hcos ф sin ф cos X + S0H sin ф sin X +

+ S0t + S0HS0cos ф sin ф + S0HS0 sin ф) x

x ^+_2S0HSo^n!^ = a

t + S0Hcos ф sin ф

Уравнение равно нулю, если одно из выражений, заключенное в скобки, равно нулю. Так как знаменатель не равен нулю (глубина резания t > 0), то уравнение можно записать без знаменателя. В этом случае уравнение можно записать в виде

[S|H(cos ф sin ф cos X + sin^ sin X) +

2

+ S0H(t cos X _ S0 cos ф sin ф _ S0 sin ф) _ S0t] x

+ S0H(t cos X + S0 cos ф sin ф + S0 sin ф) + S0t] x x (1 + 2S0HS0 sin^) = 0.

2 2

Выражение (1 + 2S0HS0sin ф) уравнения (9) не равно нулю. Выражения, заключенные в квадратные скобки, представляют собой квадратные уравнения относительно S0H. Известно, что если коэффициенты квадратного уравнения положительные, то его корни отрицательные. Если свободный член отрицательный, то уравнение имеет один положительный корень. В уравнении (9) второе выражение имеет положительные коэффициенты, значит, его корни будут отрицательными.

Подача не может быть отрицательной величиной, поэтому решение этого уравнения можно исключить. В первом выражении уравнения (9) свободный член отрицательный, значит, существует один положительный корень, который и будет подачей:

S0H =

2

_ (t cos X _ S0 cos ф sin ф _ S0 sin ф) +

I

i

(t cos X _ S0 cos ф sin ф _ S0 sin^)2 +

2

+ 4(cos ф sin ф cos X + sin ф sin X)S0t

2

Подача So, входящая уравнение (10), определяется в зависимости от формы стружколо-ма по формулам (4) и (5).

Уравнение (10) определяет подачу с учетом влияния угла схода стружки р и ширины площадки контакта стружки с передней поверхностью С1, если известны параметры стружколомающих элементов пластин (Вк, Ук Вг 0, Ф,

Экспериментальная проверка расчетов

Цель расчетов — определение соответствия подачи, рассчитанной по формуле (10), экспериментальной подаче. Подача рассчитана

Рис. 2. Минимальные подачи, обеспечивающие дробление стружки для 4-гранных МНП диаметром 15,8 мм при резании стали 40Х со стружколомами в виде:

- — сферических выступов;----— одинарной канавки

на передней грани (тип I);----мелкоразмерной канавки

(тип II); 1 — экспериментальное значение подачи; 2 — расчетное значение подачи

Рис. 3. Минимальные подачи, обеспечивающие дробление стружки для 6-гранных МНП с углом при вершине 80°, диаметром 15,8 мм при резании стали 12Х18Н10Т со стружколомами в виде:

- — сферических выступов;-----одинарной канавки

на передней грани (тип I); 1 — экспериментальное значение подачи; 2 — расчетное значение подачи

для пластин, имеющих форму передней поверхности в виде сферических выступов, для пластин с одинарной канавкой на передней грани (тип I) и для пластин с мелкоразмерной канавкой на передней грани (тип II). Некоторые результаты представлены на рис. 2 и 3. При этом определена подача, которая соответствует началу дробления стружки. Передний угол стружколомающего элемента

ук зависит от угла пластины у и угла установки пластины на резце Уу:

Ук = У - Уу.

У пластин со сферическими выступами за ширину стружколома В принято расстояние от режущей кромки до центра сфер.

Из представленных на рис. 2 и 3 зависимостей видно, что расхождение между расчетными и экспериментальными значениями подачи при глубине резания больше 1 мм не превышает 20 %, что соответствует удовлетворительному совпадению расчетных и экспериментальных значений подач. Кривые на рис. 2 и 3 показывают, что пластины со сферическими выступами обеспечивают дробление стружки при подачах, меньших, чем для пластин со стружколомами по типам I и II.

Выводы

В зоне малых и средних подач целесообразно использовать пластины со сферическими выступами, а в зоне больших подач — пластины со стружколомами в виде канавок.

В ряде случаев стружколомающие параметры пластин выбирают по известным режимам резания. В частности, это необходимо, когда подача определяется технологическими требованиями, например шероховатостью поверхности. При этом для определения параметров стружколомов можно воспользоваться зависимостями (1) и (2).

Литература

1. Любомудров С. А. Технологическое обеспечение качества: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2010. 195 с.

2. Резание труднообрабатываемых материалов / Под ред. П. Г. Петрухи. М.: Машиностроение, 1972. 175 с.

3. Вульф А. М. Резание металлов. Л.: Машиностроение, 1973. 496 с.

4. Грановский Г. И. Резание металлов. М.: Высшая школа, 1985. 304 с.

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

6. Зорев Н. Н. Вопросы механики процесса резания металлов. М.: Машгиз. 1966. 368 с.

7. Палей С. М., Васильев В. Е. Контроль состояния режущего инструмента на станках с ЧПУ. М.: НИИмаш, 1983. 51 с.