ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОРИЕНТАЦИИ ИНСТРУМЕНТА НА ШЕРОХОВАТОСТЬ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ СФЕРОЦИЛИНДРИСКИМИ ФРЕЗАМИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОРИЕНТАЦИИ ИНСТРУМЕНТА НА ШЕРОХОВАТОСТЬ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ

СФЕРОЦИЛИНДРИСКИМИ ФРЕЗАМИ Буй Тхе Зиен1, До Ман Тунг2

1Буй Тхе Зиен - магистрант;

2До Ман Тунг - кандидат технических наук, заведующий лабораторией, кафедра технологии машиностроения, Государственный технический университет им. Ле Куи Дона, г. Ханой, Социалистическая Республика Вьетнам

Аннотация: при чистовой обработке поверхностей сложной формы на станках с ЧПУ часто используются сфероцилиндрические фрезы, что позволяет свести излишки металла (необрабатываемость) к минимуму и исключить вмятины (дефекты) на обработанной поверхности. Однако, процесс металлообработки сфероцилиндрическими фрезами имеет сложный механизм обработки, так как режущая кромка фрезы расположена на сфере. Поэтому, в результате обработки образуются микронеровности на обрабатываемой поверхности и снижается качество поверхности. Кроме того, для сложных криволинейных поверхностей кривизна поверхности в разных точках поверхности будет разной, изменение оси инструмента сильно влияет на качество обрабатываемой поверхности. В данной статье представляется экспериментальное исследование влияния ориентации режущего инструмента на качество обрабатываемой поверхности при обработке сложных поверхностей сфероцилиндрическими фрезами. Полученные результаты используются в качестве рекомендации по ориентации режущего инструмента для повышения качества поверхности при обработке сложных поверхностей сфероцилиндрическими фрезами на 5-координатных станках с ЧПУ.

Ключевые слова: сфероцилиндрические фрезы, ориентация режущего инструмента, шероховатость поверхности

INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF CUTTING TOOL ORIENTATION ON SURFACE ROUGHNESS DURING SUFACE MACHINING WITH SPHEROCYLINDRICAL CUTTERS Bui The Dien1, Do Manh Tung2

1Bui The Dien - Undergraduate;

2Do Manh Tung - PhD of Technical Sciences, Head of the Laboratory, DEPARTMENT OF ENGINEERING TECHNOLOGY, LE QUY DON UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY, HANOI, SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM

Abstract: when finishing surfaces of complex shape on CNC machines, spherical cutters are often used, which makes it possible to minimize excess metal (machinability) and eliminate dents (defects) on the machined surface. However, the process of metalworking with spherical cutters has a complex processing mechanism, since the cutting edge of the cutter is located on the sphere. Therefore, as a result ofprocessing, microroughnesses are formed on the treated surface and the surface quality decreases. In addition, for complex curved surfaces, the curvature of the surface at different points of the surface will be different, changing the axis of the tool greatly affects the quality of the machined surface.

This article presents an experimental study of the influence of the orientation of the cutting tool on the quality of the machined surface when machining complex surfaces with spherical cutters. The obtained results are used as a recommendation for the orientation of the cutting tool to improve the surface quality when machining complex surfaces with spherical cutters on 5-axis CNC machines. Keywords: spherical cutters, cutting tool orientation, surface roughness.

1. Введение

Ввиду особенностей конструкции сфероцилиндрической фрезы, угол наклона инструмента оказывает значительное влияние на скорость резания и на качество обрабатываемой поверхности детали.

Угол наклона между осью сфероцилиндрической фрезы и нормалью к рабочей поверхности (ось z) в направлении подачи (ось у) анализируется на два составляющих угла наклона: вдоль направления подачи -называется продольным наклоном угла pf и перпендикулярно направлению подачи - называется боковым углом наклона Рп (Рис. 1) [1, 3].

Рис. 1. Типичная стратегия плоской обработки

При обработке простых деталей, таких как плоскости, а также детали со сложными поверхностями имеется возможность использовать сфероцилиндрические фрезы на 5-осевых фрезерных станках с ЧПУ с гибкими стратегиями обработки.

Рис. 2. Геометрические параметры сфероцилиндрической фрезы и резания

Обрабатываемая поверхность формируется из траекторий, созданных программным обеспечением CAM, обычно состоящих из параллельных и равномерно расположенных траекторий ae (поперечная подача). Сфероцилиндрическая фреза имеет структуру режущей кромки, расположенную на полусферической поверхности, поэтому после завершения траекторий на обрабатываемой поверхности появляются гребни (Рис. 2, 3). Высота гребня h зависит в основном от двух параметров: подачи зуба fz и поперечной подачи ae [5].

Рис. 3. Моделирование фрезеруемой поверхности сфероцилиндрической фрезой

При резании, движение элемента на режущей кромке является суммой перемещения и вращения инструмента вокруг оси. Известно, что количество режущих кромок конечно. Таким образом, при вращении фрезы на один оборот, имеется точка, в которой лезвие не прорезает до конца, образуя гребни типа 1, а в направлении движения инструмента образуются гребни типа 2 (Рис. 4).

Рис. 4. Образование гребней после фрезерования сфероцилиндрической фрезой

Высота гребня h определяется с помощью геометрического анализа. Расстояние шага представляет собой радиальную глубину резания (глубина резания перпендикулярно оси инструмента) в сочетании с радиусом вершины инструмента для определения теоретической шероховатости поверхности в направлении движения инструмента (высота гребни типа 2) в соответствии с формой [2, 3]:

МЯ2 - а2 Ка = Я 2 8

где: И{на - Теоретическая высота волнистости поверхности; а(; - Горизонтальная подача; R- Радиус кончика инструмента.

Теоретическая шероховатость поверхности в направлении подачи (высота гребня типа 1) при пренебрежении влиянием числа зубьев и распределения каждого зуба на инструменте имеет следующий вид [4, 5]:

4Я ^ - / '

К, = Я

где: И{н ^ - Теоретическая высота волнистости поверхности в направлении подачи; - Количество подачи на зуб; R - Радиус кончика инструмента.

Высота гребней типа 1 определяется очень сложно, потому что данный параметр в основном зависит от подачи, направления инструмента, радиуса инструмента и количества режущих кромок. В данной стати представляется экспериментальное исследование влияния ориентации режущего инструмента на качество поверхности при фрезеровании сфероцилиндрической фрезой на 5-осевых фрезерных станках с ЧПУ.

2. Построение экспериментальной модели для исследования влияния ориентации режущего инструмента на качество поверхности при обработке сфероцилиндрической фрезой на 5-осевом станке с ЧПУ

С целью исследования влияния ориентации режущего инструмента на качество обрабатываемой поверхности при фрезеровании сфероцилиндрической фрезой на 5-осевом станке с ЧПУ, выполняются следующие этапы:

Шаг 1. Построение тестовой СЛВ-модели и создание управляющих программ для станка с ЧПУ.

Шаг 2. Обработка заготовки на 5-осевом станке с ЧПУ в соответствии с различными условиями обработки и заданной ориентацией инструмента.

Шаг 3. Измерение параметров шероховатости обрабатываемой поверхности.

Шаг 4. Проведение обработки данных и проанализирование влияния режимов резания и ориентации инструмента на качество обрабатываемой поверхности с помощью программ МайаЬ и Statistica.

а. Станок

Эксперименты проводятся на пятикоординатном фрезерном станке с ЧПУ DMU 65 monoBLOCK (Рис. 5) с основными технологическими параметрами, приведенными в таблице 1.

Таблица 1. Технологические параметры 5-осевого фрезерного станкас ЧПУ ЦЫи 65 monoBLOCK

Ось X / Y / Z 735 / 650 / 560 мм

Рабочая зона Объем рабочей зоны 0.267 м3

Максимальное количество осей 5

Диаметр поворотного стола Ф 650 мм

Угол поворота оси A + 120°/-120°

Поворотный стол Угол поворота оси С 360 °

Максимальный вес заготовки 1000 кг

Максимальный диаметр заготовки Ф 840 мм

Максимальная высота заготовки 500 мм

Шпиндель (обновленный) Частота вращения 20.000 об / мин

Крутящий момент ^6 40%) 111 Нм

Мощность 35 кВт

Рис. 5. Фрезерный станок с ЧПУ DMU 65 monoBLOCK

Рис. 6. Набор сфероцилиндрических концевых фрез ф8 мм

б. Режущие инструменты

Для исследования влияния ориентации режущего инструмента на качество обрабатываемой поверхности используются две сфероцилиндрические фрезы ф8 мм с 2 зубьями и 4 зубьями MITSUBISHI (Рис. 6).

в. Заготовка

Испытательная заготовка размерами 130х50х30 мм изготовлена из материала С45 (Рис. 7) твердостью 54 HRC.

Рис. 7. Заготовка С45 размером 130х50х30 мм

Рис. 8. Измеритель шероховатости поверхности Huatec SRT-6200

д. Измерительный прибор

Измерение шероховатости поверхности с помощью измерителя Huatec SRT-6200 (Рис. 8).

е. Технологический режим проведения экспериментов

На основании рекомендуемых параметров, приведенных в предыдущих исследованиях, выбираются следующие технологические параметры для экспериментов:

- Частота вращения шпинделя n = 10000 об/мин;

- Осевая глубина резания ар = 0,2 мм;

- Горизонтальная подача инструмента ae = 0,2 мм;

- Количество подачи на зуб fz = 0,1 мм/зуб;

- Совокупные помехи, влияющие на качество обрабатываемой поверхности, не меняются;

- Твердость заготовки стабильна при обработке около 54 HRC;

- Обработка переливов раствором Эмусил: Mira EM40 5%.

3. Результат исследования влияния ориентации режущего инструмента на шероховатость поверхности при обработке сфероцилиндрической фрезой

а. Исследование влияния каждого угла наклона на качество обрабатываемой поверхности.

Для исследования влияния каждого угла наклона (продольный угол ßf, поперечный угол наклона ßn) на качество обрабатываемой поверхности были проведены эксперименты с использованием двух- и четырехзубых сфероцилиндрических фрез с углом наклона инструмента в диапазоне от -50° до 50° (11 образцов).

Результаты исследования влияния каждого угла наклона инструмента на шероховатость обрабатываемой поверхности при обработке сфероцилиндрической фрезой с 2 и 4 зубьями диаметром 8 мм представлены на рисунках 9 и 10.

Рис. 9. Зависимость шероховатости поверхности от угла наклона инструмента при фрезеровании сферической фрезой с 2 зубьями

Рис. 10. Зависимость Ra от угла наклона инструмента при фрезеровании сферической фрезой с 2 зубьями

Из рисунка 9 видно, что в диапазоне изменения (0^15°) бокового угла наклона и продольного угла наклона, шероховатость значительно увеличивается. В том числе, продольный угол наклона pf влияет на шероховатость больше, чем боковой угол наклона Рп (при pf = 5° Ra = 3,05 мкм, при Рп = 5°, Ra = 1,5 мкм).

Из рисунка 10 при сравнении с рисунком 9 видно, что при использовании сфероцилиндрической фрезы с 4 зубьями, диапазон изменения для продольного угла наклона, в котором шероховатость значительно увеличивается, не изменяется, но для бокового угла наклона изменяется: при рп = -19°, Ra = 3,5 мкм.

Кроме того, распределение влияния двух углов наклона неравномерно, как при фрезеровании сфероцилиндрической фрезой с 2 зубьями. Для фрез с 4 зубьями величина шероховатости поверхности детали увеличивается при угле продольного наклона в диапазоне pf = (-5°^15°), а боковой угол наклона в диапазоне Рп = (-30°^-5°). Значения шероховатости при использовании сфероцилиндрической фрезы с 4 зубьями намного выше, чем при использовании 2 зубьев.

б. Исследование влияния ориентации инструмента на шероховатость при одновременном изменении двух углов наклона.

Для анализа двух факторов влияния ориентации инструмента на качество обрабатываемой поверхности проводятся эксперименты с 2- и 4-зубыми сфероцилиндрическими концевыми фрезами диаметром 8 мм с изменением углов Рп и pf в диапазоне от -30° до +30° (49 образцов для каждого типа фрезы). Результаты исследования влияния ориентации режущего инструмента на качество обрабатываемой поверхности представлены на рисунках 11, 12 и в таблицах 2 и 3.

Рис. 11. Зависимость Ra от бокового и продольного углов наклона при фрезеровании двухзубой сфероцилиндрической

фрезой

Таблица 2. Экспериментальные результаты измерения шероховатости при обработке двухзубой

сфероцилиндрической фрезой

Угол продольного наклона

Угол поперечного наклона (град.) -30 -20 -10 0 10 20 30

-30 0.450 0.360 0.294 0.161 0.869 0.414 0.238

-20 0.591 0.635 0.297 0.405 1.822 0.950 0.718

-10 0.258 0.554 1.058 0.206 0.723 0.437 0.244

0 0.198 0.327 0.300 0.286 2.544 0.278 0.353

10 0.234 0.269 0.816 0.573 0.764 0.623 0.351

20 0.205 0.254 0.199 0.679 0.373 0.309 0.272

30 0.142 0.180 0.137 0.312 0.326 0.291 0.318

Из рисунка 11 и таблицы 2 видно, что при обработке 2-зубой сфероцилиндрической фрезой шероховатость поверхности имеет повышенное значение в диапазоне продольного угла наклона = (5°-25°) и бокового угла наклона Рп = (-30°-15°).

>2

Рис. 12. Зависимость Ra от бокового и продольного углов наклонапри фрезеровании четырехзубой сфероцилиндрической

фрезой

Таблица 3. Экспериментальные результаты измерения шероховатости при обработке четырехзубой

сфероцилиндрической фрезой

Угол продольного наклона

Угол поперечного наклона (град.) -30 -20 -10 0 10 20 30

-30 0.530 0.577 0.763 0.860 0.325 0.455 1.042

-20 0.712 0.765 0.525 1.158 0.718 0.443 0.514

-10 0.659 0.975 1.325 0.825 0.184 0.459 0.568

0 0.761 3.464 2.743 0.614 0.814 0.419 0.453

10 0.669 1.068 0.669 2.899 0.625 0.734 0.564

20 1.212 1.734 3.273 0.917 0.912 0.849 0.722

30 1.925 2.458 3.184 0.557 0.585 0.820 0.754

Из рисунка 12 и таблицы 3 видно, что при использовании сфероцилиндрической фрезы с 4 зубьями влияние угла наклона на качество обрабатываемой поверхности имеет множество изменений. При этом, шероховатость имеет высокое значение в диапазоне продольного угла наклона Р { = (-30° ^ -5°) и бокового угла наклона рп = (20°^30°). Величина шероховатости при использовании 4-зубых фрез выше, чем при использовании 2-зубых, поэтому качество поверхности, обработанной 4-зубыми фрезами, хуже, чем при использовании 2-зубых фрез.

4. Выводы

В статье представлена экспериментальная модель для исследования влияния ориентации режущего инструмента на качество обрабатываемой поверхности, подобран набор технологических параметров, близких к реальным условиям чистовой обработки стали С45 сфероцилиндрическими фрезами на 5-координатном станке с ЧПУ. Также проведен эксперимент по исследованию влияния ориентации режущего инструмента на качество обрабатываемой поверхности при использовании 2- и 4-зубой фрезы диаметром 8 мм.

Результаты исследования показывают, что ориентация инструмента, количество кромок инструмента сильно влияют на качество поверхности. При постоянном режиме обработки количество зубьев увеличивается, позволяет увеличиваться среднему значению Ra. Режим для достижения наименьшей шероховатости поверхности при обработке стали С45: частота вращения шпинделя п = 10000 об/мин, осевая глубина резания ар = 0,2 мм, горизонтальная подача инструмента ае = 0,2 мм, количество подачи на зуб = 0,1 мм/зуб, продольный угол наклона = 30° и боковой угол наклона рп=18°.

Результаты исследований являются важной основой для решения задачи оптимизации ориентации режущего инструмента и технологических параметров при обработке сложных поверхностей сфероцилиндрической фрезой на 5-координатном станке с ЧПУ.

Список литературы /References

1. Cosma Marius (2005). "Considerations concerning the milling of complex curved surfaces using ball nose end mills", Interdisciplinarity in engineering" scientific conference with international participation.

2. Sadilek Marek, Poruba Zdenek and Sajgalik Michal (2020). "Increasing the Accuracy of Free-Form Surface Multiaxis Milling". Materials.

3. Cosma Marius (2007). "Geometric method of undeformed chip study in ball nose end milling". The international conference of the carpathian euro-region specialists in industrial systems 6th edition.

4. Cosma Marius (2007), "Horizontal path strategy for 3d-cad analysis of chip area in 3-axes ball nose end milling", 7th international multidisciplinary conference, Baia Mare. Romania. May 17-18, 2007.

5. Cosma Marius, Assist. Eng. North University of Baia Mare, Romania (2007). Horizontal path strategy for 3D-CAD analysis of chip area in 3 - axes ball nose end milling, 7th International multidisciplinary conference, Baia Mare, Romania, May 17-18, 2007 ISSN-1224-3264. Pp. 115-120.

6. Wei-Hong Zhang, Gang Tan, Min Wan, Tong Gao (2008). "A New Algorithm for the Numerical Simulation of Machined Surface Topography in Multiaxis Ball-End Milling", Journal of Manufacturing Science and Engineering.

7. S. Ehsan Layegh K., Lazoglu Ismail (2016). "3D surface topography analysis in 5-axis ball-end milling", CIRP Annals - Manufacturing Technology.