Устройство для токарной обработки
DEVICE FOR TURNING

Предлагаемое изобретение относится к области металлообработки, в частности к обработке наружных поверхностей тел вращения на токарных станках.
Известно устройство для чистовой обработки наружных поверхностей тел вращения, содержащее резец с упругим элементом, реализующий механизм бреющего резания [1].
Недостатком данного устройства является невозможность
регулирования жесткости резца и собственной частоты его колебаний в широком диапазоне частот.
Известно устройство для обработки внутренних поверхностей тел вращения, выбранное в качестве прототипа, содержащее резец, закрепленный на упругой рабочей ветви [2].
Недостатком данного устройства является невозможность
управления формой вибраций и сложностью настройки на уровень комплексных вибраций. Кроме того, устройство, реализующее
устройство, не может обеспечить высокую точность и низкую шероховатость при обработке наружных поверхностей при токарной обработке, т.к. настройка упругого элемента резца по кордите У имеет дискретный характер, узкий диапазон частот колебаний режущей части резца.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности обработки и производительности с достижением следующих технических результатов: расширение технологических возможностей за счет обеспечения черновой и чистовой обработки трудно обрабатываемых сплавов с
различной структурой, повышение надежности работы инструмента за счет стабилизации высокочастотных колебаний инструмента, повышение точности и качества обработки путем снижения шероховатости и минимизации степени и глубины наклепа за счет создания условий обработки, подобных вибрационному резанию, снижение энергоемкости процесса резания за счет использования для возбуждения комплексных высокочастотных колебаний инструмента переменной составляющей энергии зоны стружкообразования.
Эта задача решается таким образом, что устройство для вибрационной обработки наружных поверхностей тел вращения, содержащее державку с упругим элементом «U-образной формы, снабжено волноводным резонатором, установленным на упомянутой рабочей упругой ветви. А внутри которого с возможностью продольного перемещения по оси Z установлена направляющая втулка. Один конец втулки жестко закреплен в рабочей упругой ветви, а другой установлен в рабочей части головки крепления режущей пластины. Во внутренней направляющей втулке ввинчен регулировочный винт с мелкой резьбой.
Оснащение резца волноводным резонатором комплексных колебаний позволяет реализовать условия резания, подобные высокочастотному вибрационному резанию, за счет использования в качестве источника ультразвуковых колебаний зоны контакта инструмента и обрабатываемой детали, с передачей комплексных колебаний инструменту через зону стружкообразования.
Выполнение многозаходных винтовых пазов позволяет проводить черновую и чистовую обработку одним инструментом с оптимальными амплитудой и частотой колебаний инструмента для каждого вида обработки за счет возможности настройки на разные резонансные частоты зоны стружкообразования, обусловленные материалом обрабатываемой детали и режимами резания.
Выполнение винтовых пазов с разными радиусами позволяет проводить согласование продольных и крутильных колебаний на двух разных резонансных частотах.
Включение втулки во внутреннюю часть волновода дает возможность точной настройки на резонансные частоты путем ввинчивания в нее винта.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3. На фиг. 1 приведено устройство для обработки наружных поверхностей деталей, общий вид; на фиг. 2 приведены конструктивные особенности рабочей ветви упругого элемента; на фиг. 3 приведена развертка винтовых пазов волновода-резонатора.
Устройство содержит замкнутую технологическую систему, включающую обрабатываемую деталь 1, резец, державка которого содержит упругий элемент 2, на одной из ветвей которого вмонтирован волноводный преобразователь 3, имеющий два винтовых паза 4 с шагом, уменьшающимся в сторону крепления режущей части головки резцедержателя 5. Волноводный преобразователь 3 одним концом закреплен в головке резцедержателя, а вторым крепится в торце рабочей ветви упругого элемента 6. Внутри волноводного преобразователя установлена втулка 7 с нарезанной мелкой резьбой, в которую ввинчивается регулировочный винт 8 с контро-гайкой 9.
Длина волноводного преобразователя выбирается из условия обеспечения стабильности возбуждения высокочастотных комплексных колебаний режущего клина и по длине кратной полуволне продольных колебаний. Изготовление винтовых пазов 4 на длине, равной полуволне продольных колебаний, с радиусом, равным полуволне крутильных (сдвиговых) колебаний, позволяет проводить на единой частоте возбуждения их согласование и усиление.
кр
сд
кр
сд
Винтовые пазы 4 выполняют с радиусом, равным длине полуволны крутильных колебаний и определяемым по формуле R=L/2=С/(2f), где L - длина волны крутильных колебаний; С - скорость распространения сдвиговых волн в стали; f - собственная частота колебаний волновода, при этом частота возмущений, возникающих в зоне стружкообразования за счет высокочастотных волновых сдвиговых колебаний в обрабатываемом материале, должна быть равна собственной частоте волновода резонатора 3 или являться одной из гармоник собственной частоты колебаний инструмента.
Пазы 4 располагаются последовательно и имеют разные радиусы, а ось симметрии начала одного паза повернута относительно оси симметрии другого на 90° для максимальной изгибной жесткости инструмента.
у
z
Устройство работает следующим образом. Волноводный резонатор 3 предварительно настраивается на резонансный режим относительно переменной возбуждающей силы в зоне стружкообразования с учетом обрабатываемого материала и технологических режимов. При врезании резца 5 в заготовку, вследствие упругости волновода-резонатора 3 с винтовыми пазами 4, происходит его закручивание под действием сил резания. За счет упругой усадки волноводного резонатора 3 происходит смещение резца 5. Вследствие импульсных, релаксационных процессов в зоне стружкообразования происходит раскручивание и смещение резца 5 по оси Z в первоначальное положение. При совпадении собственной частоты инструмента и частоты волновых процессов в зоне стружкообразования происходит усиление амплитуды комплексных высокочастотных смещений резца 5. Втулка 7 как направляющий элемент одновременно обеспечивают изгибную устойчивость инструмента при резании по оси Y. Ее собственная частота настраивается с помощью винта 8 и фиксируется гайкой 9. Частота возбуждения зоны стружкообразования является функцией режимов резания, причем прямо пропорциональна скорости резания и обратно пропорциональна глубине резания и подаче. Поэтому, частота возбуждения на черновых операциях значительно меньше, чем на чистовых. Соответственно, на черновой операции используется паз с большим радиусом для меньшей частоты усиления, а на чистовой операции используется паз с меньшим радиусом для большей частоты усиления. В основу разработки и функционирования предложения положены: изучение особенностей динамики процесса резания на основе анализа взаимосвязи вектора функции сил и движений в широком частном диапазоне, а также изучения динамических явлений, возникающих в зоне стружкообразования, на основе анализа изменений акустико-термоэлектрических параметров процесса стружкообразования. Кроме того, в основу заложены особенности исследований динамических явлений в зоне резания при высокочастотных вибрационных методах обработки, приводящих к вибрационной линеаризации низкочастотных вибраций в направлении действия Р и P и существенному уменьшению составляющих сил резания, а следовательно, уменьшению общей энергоемкости процесса разрушения в целом и, как следствие, улучшению качества формирования поверхностного слоя, повышения точности обработки за счет локализации зон пластического деформирования и повышения динамической жесткости обрабатываемых маложестких деталей и эффекта заострения режущего инструмента при условии значительного снижения температуры в зоне резания. При этом особое внимание уделялось изысканию новых методов высокочастотного вибрационного резания с использованием в качестве энергии возбуждения высокочастотного колебаний режущего клина саму энергию зоны резания, т.е. энергию спектра переменной составляющей силы резания Р, учитывая, что общая сила резания:
p
Наличие переменной составляющей силы резания - ΔP обусловлено импульсными релаксационными процессами разрушения в зоне стружкообразования, а также изменением коэффициента жесткости резания K, что приводит к перемещению одного из элементов замкнутой технологической системы непосредственно в ходе обработки, как правило, инструмента.
y
Согласно выражению (1), при условии гармоничного возбуждения или усиления высокочастотных колебаний инструмента в направлении скорости резания, составляющая силы резания P(t) будет равна:
y
y
z
где (ω=2πf) - круговая частота режущего клина инструмента, a f - собственная частота комплексных колебаний инструмента между переменной составляющей силы резания P и перемещениями детали в ортогональном направлении Y; α - фазовый угол сдвига.
Закон изменения перемещения детали во времени имеет вид:
к
где K - коэффициент, характеризующий жесткость технологической системы под действием установившихся высокочастотных колебаний режущего клина, влияющих на время контакта (t) инструмента со стружкой (т.е., время резания) в течение одного цикла (периода Т) колебаний инструмента:
g
где K - коэффициент жесткости детали, тогда с учетом выражения (4) уравнение (3), отображающее закон изменения смещения заготовки во времени под действием составляющих сил, имеет вид:
к
Анализ слагаемых в выражении (5) показывает, что первое слагаемое представляет собой статическую составляющую силы резания, а второе -динамическую силы резания, вызывающие в общем виде сложное перемещение обрабатываемой детали, причем составляющие сил резания, а следовательно, смещения уменьшаются с уменьшением отношения t/T.
к
p
p
к
Следовательно, чем меньше время контакта (t) и чем выше частота (f) возбуждения комплексных колебаний с преобладанием крутильной составляющей (f=1/Т), тем меньше составляющие сил резания в процессе вибрационной обработки и выше точность, и качество выпускаемых изделий. Если глубину резания t и скорость резания V выбрать в процессе технологической наладки таким образом, чтобы условия самовозбуждения колебаний поддерживались устойчивыми при: f=1/Т=Const, а время контакта t (время резания) будет сохранятся только в течение (1/4)Т периода колебаний, то выражение (5) примет вид:
Согласно полученному выражению (6), можно сделать следующие выводы.
у
х
p
p
Для уменьшения динамических составляющих сил резания Р и Р, приводящих, соответственно, к уменьшению изменения параметров Δt и ΔS, возбуждение или усилие и синхронизацию высокочастотных колебательных смещений режущего клина инструмента необходимо производить в направлении скорости резания V, (в ортогональном направлении), при котором α=90°.
z
При установившемся вибрационном режиме резания (т.е. при условии возбуждения установившихся колебаний в направлении скорости резания) низкочастотные колебательные смещения линеаризуется в ортогональных направлениях, исключая изменение глубины резания и величины подачи, т.е. наблюдается механизм резания при котором Δt=0, ΔS=0, а следовательно, параметр шероховатости (R), также стремится к нулю. В таком режиме шероховатость обработанной поверхности получается близкой к расчетной.
p
p
х
у
Обеспечиваются условия технологической наладки, путем варьирования параметров t и V при постоянных значениях величины подачи S и радиуса r закругления вершины резца, а также углов заточки инструмента, выбранных оптимальными с точки зрения получения заданной шероховатости и условиями обеспечения установившихся высокочастотных комплексных ультразвуковых колебаний режущего клина, когда величина динамической составляющей силы резания в направлении Р и Р=0, а статическая составляющая, уменьшается в (3+4) раза.
к
Уменьшение составляющих сил резания при t=(1/4)Т приводит к резкому снижению сопротивления резанию и коэффициента трения по передней грани, а следовательно, к резкому уменьшению температуры в зоне резания.
k
k
p.
p
p
p
p
Чем больше величина амплитуды крутильных колебаний инструмента и их мощность, тем больше величина припуска, который можно снимать за один проход при обеспечении условия контакта t=(1/3-1/4)Т. При этом на величину t основное влияние при финишных методах обработки оказывает скорость резания V. Критическую скорость резания V выбирают из условия V=2πfA, при А=0.025 мм, f=9600 Гц, V=1.507 м/с, при А=0,005 мм, f=9600 Гц, V=0.3 м/с.
к
p
к
c
Согласно выражению (4) ультразвуковые колебания фиктивно увеличивают жесткость технологической системы и величину переднего угла в (T/t)-раз. При принятых условиях вибрационной обработки фиктивная жесткость увеличивается в 4 раза больше фактической. На основании приведенного теоретического обоснования и выводов возбуждение (синхронизация и усиление) высокочастотных колебательных смещений согласно выражению (5) осуществляют в направлении скорости резания V(т.е., в направлении Z - ортогональном направлении X и Y). При котором, присутствует сдвиг фаз 90°, а в качестве исходного физического параметра выбирают минимальное значение силы резания, величины крутящего момента и осевого усилия согласно выражению (6) и максимальное значение колебательной скорости режущего клина V=V=2πfA, где f - частота колебаний, А - амплитуда колебаний, сопровождающееся значительным возрастанием уровня высокочастотных колебательных смещений с противоположной стороны инструмента 5.
Наряду с усилением и синхронизацией колебательных смещений, волноводный резонатор преобразует продольные колебания в комплексные с преобладанием крутильной компоненты с помощью двух наклонных винтовых канавок волноводной длины (ϕ(2n), где n=1, 2, 3) с переменным шагом, уменьшающимся в сторону узла крепления режущего клина резца 5.
s
ОПТ
Одновременно наличие винтовых канавок с переменным шагом, уменьшающимся к зоне резания, позволяет не только усиливать и преобразовывать продольные колебательные смещения в колебательные смещения разных векторных направлений, но и производить с большим быстродействием автоматическую адаптацию режущих клиньев инструмента 5. Указанная высокоскоростная циклическая адаптация возможна благодаря упругой податливости рабочей части инструмента на закручивание и сжатие волноводного преобразователя 3. Оптимальную (секундную) скорость подачи (V) выбирают с учетом требуемой величины шероховатости поверхности и радиуса вершины резца (r), согласно выражению:
Значение величины оборотной подачи (S) выбирается из условия:
p
6
S≤2f⋅r⋅n⋅D/V 10 мм/об.
Для заданной геометрии заточки предельные значения (колебательных смещений) акустических режимов, не вызывающих периодического затирания инструмента по задней грани, выбирают из известного условия:
Использование данного устройства позволяет повысить производительность обработки, качество и точность обработанной поверхности, повысить надежность работы инструмента и обеспечить стабильность форм и размеров в эксплуатационный период детали.
Источники
1. С.П. Карцев. Инструмент для изготовления резьбы. Гос.Научно-техническое издательство машиностроительной литературы. - М.: 1955. - с. 19, ФИГ. 6
2. Устройство для обработки глубоких отверстий №2169058. В23В 29/03, 20.06.2001