Покращення якості оброблюваної поверхні і зменшення зношування кінцевих фрез на фінішних операціях

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний університет «Львівська політехніка»

Кафедра «Технології машинобудування»

Реферат

”Покращення якості оброблюваної поверхні і зменшення зношування кінцевих фрез на фінішних операціях”

Львів – 2008 р.

Зміст

Вступ

1. Аналіз особливостей конструкцій, експлуатації та працездатності торцевих фрез оснащених НТМ

2. Аналіз кінематичних параметрів торцевих ступінчастих фрез. Перевірка результатів аналітичного аналізу

3.Проведення експериментальних досліджень

Висновки

Література

Вступ

Застосування для торцевих фрез ступінчастих схем різання та косокутної геометрії різальних ножів значно впливає на стійкість інструментів, якість та продуктивність обробки. Особливо це важливо при обробці деталей на верстатах з числовим програмним управлінням, багатоцільових верстатах та автоматичних лініях, при обробці на яких вартість однієї верстато-хвилини велика. Актуальність цієї задачі посилюється зі збільшенням питомої ваги чистових методів обробки у загальній трудомісткості обробки деталей (в технологічних процесах виготовлення базових деталей верстатів близько 10 %, а в насособудуванні до 50 % оброблюваних плоских поверхонь повинні мати шорсткість оброблених поверхонь не більше 1,25 мкм).

При розробці конструкцій спеціальних торцевих фрез косокутного різання основною метою є визначення оптимальної геометрії та режимів їх експлуатації. При цьому практично відсутні надійні рекомендації щодо умов обробки існуючих торцевих фрез для чистового фрезерування, якому властиві свої особливості та закономірності. Крім цього, застосування ступінчастих схем різання та косокутної геометрії різальних ножів фрез викликає необхідність вивчення особливостей кінематики обробки.

Дослідження та вирішення розглянутих питань, які направлені на підвищення працездатності торцевих фрез для чистової обробки плоских поверхонь деталей, є актуальною задачею і має велике значення на сучасному етапі розвитку інструментального виробництва та машинобудування в цілому.

Мета і задачі дослідження
. Метою роботи є підвищення продуктивності, зносостійкості та якості обробки плоских поверхонь чавунних та стальних деталей за рахунок використання нових конструкцій фрез, в яких застосовані ступінчасті схеми різання, косокутна безвершинна геометрія різальних ножів, оптимізації геометричних та режимних параметрів фрез.

Для досягнення поставленої мети запропоновано вирішення таких завдань:

· виконання аналізу особливостей конструкцій, експлуатації та працездатності торцевих фрез, особливостей конструктивних елементів багатоступінчастих фрез, вплив косокутної геометрії на характер процесу різання;

· розробка на основі теоретичного аналізу конструкцій торцевих фрез косокутного різання;

· дослідження впливу косокутної геометрії різальних ножів фрез та режимів різання на характер фрезерування;

· виконання аналізу кінематики процесу фрезерування торцевими ступінчастими фрезами косокутного різання;

· дослідження впливу геометричних параметрів різальних частин ножів фрез і режиму різання на працездатність торцевих фрез та визначення їх раціональних значень при обробці стальних загартованих та чавунних деталей;

· виконання виробничих досліджень та розробка рекомендацій щодо впровадження результатів роботи на машинобудівних підприємствах.

Методи досліджень.
Теоретичні та експериментальні дослідження, розробка практичних рекомендацій проводилися на основі використання положень технології машинобудування, теорії різання металів, теорії математичного планування експериментів, інтегрального обчислення, засобів математичного моделювання на ЕОМ. Експериментальні дослідження проводилися з використанням сучасної вимірювальної апаратури.

1. Аналіз особливостей конструкцій, експлуатації та працездатності торцевих фрез, оснащених НТМ, для чистової обробки плоских поверхонь деталей

Проаналізовані конструктивні елементи та режим різання одноступінчастими та багатоступінчастими торцевими фрезами, вивчено питання впливу косокутної геометрії різальних частин інструментів на характер процесу різання.

Аналіз виконаних досліджень показав, що процес чистового торцевого фрезерування вивчено недостатньо повно, має місце суперечливість існуючих рекомендацій щодо застосування та умов експлуатації торцевих чистових фрез, використання яких дозволяє підвищити продуктивність обробки плоских поверхонь деталей. Серед задач проектування торцевих фрез можна виділити дві основні задачі. Це – використання прогресивних схем різання, які забезпечують збільшення кількості ножів, які беруть участь в різанні, та застосування оптимальної геометрії різальних частин ножів. Відсутність аналізу використовуваних конструкцій стримує розвиток напрямку проектування торцевих фрез, які мають підвищену працездатність.

Наведено конструктивні параметри та напрямки удосконалення чистових торцевих фрез виходячи з того, що для забезпечення збільшеної кількості ножів, які беруть участь у різанні, доцільно використовувати спірально-ступінчасте розміщення ножів. Ножі фрези у радіальному напрямку розміщені за логарифмічними спіралями з установкою ножів відносно конічної торцевої поверхні фрези.

Зменшення різниці радіального розташування для ножів, що розміщені на найменшій відстані від осі фрези, призводить до нерівномірного осьового положення ножів.

Загальний припуск перерозподіляється зі зменшенням глибини різання для ножів, які розташовані на найменшій відстані від осі фрези. Це дозволяє забезпечити участь в різанні 80–90 % кількості ножів при значних коливаннях припуску (40–50%) за рахунок похибок установки та закріплення фрез на верстатах.

Застосування ступінчастої схеми різання дозволяє виконувати операції чистового (максимальна величина припуску мм) та напівчистового ( мм) фрезерування.

Для забезпечення зрізання тонких перерізів зрізуваних шарів доцільно використовувати для фрез ножі з косокутною геометрією з кутами нахилу різальних кромок із передньою плоскою та задньою циліндричною поверхнями.

Перетин задньої циліндричної з плоскою передньою поверхнею утворює монотонну різальну кромку, що полегшує процес її заточки та створює умови різання, близькі до вільного різання.

Для визначення ефективності застосування косокутної геометрії ножів фрез проведені дослідження деформації зрізуваного шару та направлення сходу стружки при косокутному різанні. Дослідження проводились з моделюванням умов фрезерування на токарному верстаті шляхом токарної обробки несуцільного диска. Встановлювалися коефіцієнти укорочення та потовщення стружки, фотографуванням встановлювався кут сходу стружки ?.

При варіюванні факторів: переднього кута у нормальному перерізі , товщини перерізу мм, швидкості різання м/с одержані залежності у вигляді поліномів:

:

	(1)
	(2)

:

	(3)
	(4)

де – кодовані позначення .

Результати аналізу структури одержаних рівнянь (1)–(4) показує, що для зменшення ступеня деформації зрізуваного шару необхідно збільшувати кут нахилу різальної кромки , передній кут , товщину зрізуваного шару та швидкість різання V
.

Використання косокутної геометрії ножів для ступінчастих фрез полегшує умови зрізання тонких шарів зрізу. Експериментально встановлено, що при обробці сталі різцями з кутами нахилу різальної кромки процес різання характеризується значно меншими ступенями деформації зрізуваного шару. Дослідженнями визначено, що застосування косокутної геометрії призводить до збільшення кутів сходу стружки, а отже, і до збільшення робочих передніх кутів інструмента.

2. Аналіз кінематичних параметрів торцевих ступінчатих фрез. Перевірка результатів аналітичного аналізу.

Торцеве ступінчасте фрезерування відрізняється від обробки одноступінчастими фрезами тим, що кожний різальний ніж зрізає змінну величину припуску, при цьому також змінними є величина подачі на зуб і кількість різальних ножів, що одночасно беруть участь в різанні. Крім цього, застосування косокутної геометрії ножів та спірально-ступінчастого їх розташування також ускладнює відомі залежності кінематичних параметрів від геометрії різальних ножів та режимів різання.

Розроблена методика визначення кінематичних параметрів дозволяє обчислити довжину різальних кромок для ножів торцевих фрез косокутної геометрії, максимальну товщину зрізу, площу зрізуваного шару та розрахункову висоту мікронерівностей. Одержані залежності кінематичних параметрів від геометрії ножів фрез та режиму різання використовуються для обчислення сил різання при торцевому ступінчастому фрезеруванні, для чого розроблені програми на ПЕОМ.

Визначені значення середніх та миттєвих сил різання дозволили обчислити значення колової сили , подачі та осьової сили та коефіцієнти нерівномірності . За запропонованою методикою створена програма обчислення на ЕОМ вихідних параметрів процесу торцевого ступінчастого фрезерування.

Доведено, що при застосуванні косокутної геометрії ножів торцевих фрез збільшується довжина різальних кромок ножів, що призводить до зменшення питомих навантажень на одиницю довжини різальних кромок.

Основною метою експериментальних досліджень є перевірка результатів теоретичного аналізу та розроблених на його основі рекомендацій щодо визначення геометричних параметрів торцевих фрез при обробці чавунних і стальних загартованих деталей, силових характеристик процесу різання, дослідження стійкості торцевих фрез.

Одним із основних параметрів, який визначає працездатність торцевих фрез, є силові характеристики процесу різання. Тому рекомендації щодо визначення геометричних параметрів ножів фрез та режиму обробки розроблені на базі силових досліджень.

Об’єктом досліджень були спроектовані торцеві ступінчасті фрези діаметрами 200 і 250 мм, оснащені гексанітом-Р. Максимальна ширина оброблюваної деталі 160 мм.

Для дослідження сил різання, що виникають при фрезеруванні, був сконструйований і виготовлений монолітний трикомпонентний динамометр, який забезпечував вимірювання складових , , .

Для співставлення складових і рівнодіючої сили різання, що виникають при різанні ножами фрези, які мають стандартну та безвершинну косокутну геометрію, знадобилися додаткові досліди. Для виключення похибки співставлення, пов’язаної з фізико- механічними властивостями і твердістю оброблюваного матеріалу, проводилося фрезерування деталей з чавуну СЧ21 ножами зі стандартною геометрією та косокутними безвершинними ножами (матеріал різальної частини – гексаніт-Р).

Встановлено, що питоме навантаження на одиницю довжини різальної кромки для ножів стандартної геометрії складає 800 Н/мм, а для ножів косокутної геометрії – 280 Н/мм. Менші питомі навантаження для ножів косокутної геометрії дозволяють припустити і їх більш високу зносостійкість, що було підтверджено наступними експериментами.

Дослідження силових залежностей для фрез косокутної геометрії проводилися для широких діапазонів змін глибини різання, подачі на зуб, швидкості різання, кута нахилу різальних кромок ножів. Збільшення швидкості різання для спроектованих фрез призводить до зменшення всіх складових сил різання, що особливо важливо при умові недостатньої жорсткості технологічної системи. Підвищення подачі на зуб та глибини різання призводить до збільшення складових сил різання, особливо при обробці загартованих сталей. Застосування від’ємних значень кута нахилу різальної кромки зменшує складові сили різання, що дозволяє знизити питомі навантаження на одиницю довжини різальної кромки ножів. При використанні косокутної геометрії ножів торцевих фрез складова сили різання перевищує складову , що сп

рияє створенню у об’ємі різального клину напружень стиску.

3. Проведення експериментальних досліджень

Аналіз власних досліджень оброблюваності плоских поверхонь безвершинним косокутним торцевим фрезеруванням загартованих сталей (в широкому діапазоні твердості (45…48 – 56…62 )) і високоміцних чавунів (207…269 НВ
) ножів з гексаніту-Р дозволив встановити фактори, які найбільше впливають на стійкість інструмента:

.

(5)

Дослідженню підлягали торцеві фрези косокутного безвершинного багатоножового ступінчастого різання ? 250 мм. Кількість ножів Z
= 24. Встановлювались залежності максимальної фаски зносу по задній поверхні та шорсткості від часу різання, довжини шляху різання і площі обробленої поверхні . Розмір оцінювався шляхом фотографування передньої та задньої поверхонь різальних частин ножів в нормальних напрямках.

Дослідженнями встановлено, що процес зносу ножів починає інтенсивно протікати вже в початковий період різання – через 30–40 хвилин після початку різання.

На цьому етапі відбуваються мікровикришування різального леза, причому частіше в області граничних точок різальної частини ножів. В результаті цього виникають зазублини, які виходять і на передню поверхню. Подальше перемішення зазублин здійснюється вздовж задньої поверхні ножів у напрямку вектора швидкості різання.

При утворенні зазублин значної глибини ( мкм) відбувається викришування більших частин різального матеріалу, а при значеннях мм це призводить до різкого збільшення шорсткості обробленої поверхні. В окремих випадках мікро- і макровикришування виникають на початковому етапі торцевого фрезерування.

При появі мікросколів знос інтенсифікується на даних ділянках.

Поява мікросколів, на наш погляд, може бути пояснена циклічним навантаженням та розвантаженням різальної кромки, що призводить до знакозмінних напружень в об’ємі різального клину.

Крива зносу ножів торцевих фрез, у залежності від площі обробленої поверхні , має виражені ділянки припрацювання та ділянки нормального зносу з різною інтенсивністю.

Визначення оптимальної геометрії ножів торцевих фрез проводилося відповідно до методики математичного планування експерименту.

Знос ножів торцевої фрези при обробці сірого чавуну СЧ21:

м/хв; мм/об; мм; ; ; ; мм;

а) мм; хв; км; м2
;

б) мм; хв; км; м2

1 – при м/хв; мм/зуб; ; ; мм;

2 – при м/хв; мм/зуб; ; ; мм

Дослідження зносу ножів торцевих фрез, оснащених НТМ, показали, що застосування косокутної геометрії ножів торцевих фрез з гексанітом-Р призвело до збільшення довжин різальних кромок ножів, які беруть участь в обробці, і підвищення загальної стійкості інструменту . Оптимальними для обробки чавуну СЧ21 є: швидкість різання – м/хв; подача на зуб – мм/зуб; задній кут в напрямку вектора швидкості різання – ; кут нахилу різальної кромки – ; радіус задньої циліндричної поверхні – мм. Оптимальними для обробки загартованої сталі 45 є режими різання: швидкість різання –м/хв; подача на зуб – мм/зуб; глибина різання чистовим ножем – мм. Для оптимальних режимів експлуатації та геометричних параметрів стійкість ступінчастих фрез косокутного різання з НТМ становить не менше 400 хвилин машинного часу при площі обробленої поверхні в 20 м2
чавуну і 6 м2
загартованої сталі.

З метою виявлення основних факторів (режимів, геометрії), що впливають на кінцеву шорсткість , і для встановлення їх оптимальних значень для косокутного безвершинного фрезерування фрезами ?100…500 мм дослідження шорсткості при торцевому фрезеруванню ножами з косокутною геометрією виконувались на загартованих сталях 45, 40Х, 9ХС, У8, Х18Н10Т та чавуні СЧ21.

Для порівняльних досліджень впливу умов одно- і багатоножового фрезерування на шорсткість поверхні проводилася обробка чавуну СЧ21 при V
з різними подачами на зуб. Профільобробленої поверхні в обох дослідах формував чистовий ніж (, мм, ). Дані досліджень зведені в табл. 1.

Таблиця 1

Кількість ножів фрези	, мкм при подачі на зуб
0,039	0,063	0,100	0,156	0,250	0,394	0,625
Один	0,600	0,763	0,834	0,985	1,072	1,342	2,154
Дванадцять	0,422	0,440	0,504	0,608	0,760	1,150	1,644

Як видно з табл. 1, кількість ножів , що беруть участь у різанні, значною мірою впливає на шорсткість обробленої поверхні. В усьому діапазоні зміни подачі на зуб висота мікронерівностей значно нижча для багатоножової фрези, що може бути пояснене зменшенням нерівномірності процесу фрезерування зі збільшенням кількості ножів, що беруть участь в різанні. Тому усі подальші дослідження шорсткості обробки проводилися в умовах багатоножового фрезерування. Вплив швидкості різання на шорсткість обробки вивчався при обробці плоских зразків торцевою фрезою діаметром 125 мм із . Глибина різання чистовим ножем складала мм, подача на зуб мм/зуб; геометрія ножа – мм (матеріал різальної частини ножів – гексаніт-Р).

Таблиця 2

№ з/п	Оброблюваний матеріал	Швидкість різання V , м/с	, мкм при подачі на зуб
0,125	0,250	0,315	0,400
1	2	3	4	5	6	7
1	1,64	-	0,569	0,750	0,701
2	Сталь 45	3,30	0,598	0,712	0,825	0,743
3	52НRСE	5,20	0,438	0,797	0,787	0,837
4	1,64	-	1,322	1,212	1,193
5	Сталь 40Х	3,30	0,604	0,669	0,643	0,656
6	55HRCE	5,20	0,606	1,030	1,031	0,987
7	1,64	-	1,843	1,643	1,387
8	Сталь 9ХС	3,30	1,093	0,850	1,181	1,262
9	60HRCE	5,20	0,758	1,025	1,043	1,168
10	Сталь У8 24HRCE	1,64	-	1,025	1,418	1,262
11	3,30	0,762	0,812	0,712	0,712
12	5,20	0,862	1,019	1,025	1,037
13	Сталь Х18Н10Т 55HRCE	1,64	-	1,293	2,131	2,100
14	3,30	0,468	1,462	3,575	4,037
15	5,20	2,006	2,275	5,050	8,050
( мм; ; мм)			0,195	0,781	1,240	2,000

За даними табл. 2 видно, що шорсткість значною мірою залежить від і , оскільки остання визначає відношення і частку пластичної деформації в загальній площі перерізу зрізу. Встановлено, що збільшенням подачі на зуб можна домогтися мінімальної різниці між і .

Експериментами визначено ефективність використання косокутної геометрії ножів з від’ємними кутами нахилу різальних кромок та застосування задніх циліндричних поверхонь ножів з радіусами 6–14 мм. Проведена оптимізація геометричних та режимних параметрів із умови забезпечення мінімальної шорсткості поверхонь дозволила встановити оптимальні значення геометричних параметрів ножів торцевих фрез та режимів їх експлуатації.

Результати впровадження торцевих фрез на ВАТ “Верстатуніверсалмаш” (м. Житомир) та ВАТ “Беверс” (м. Бердичів) із запропонованою геометрію різальних частин показали їх високу працездатність. Розроблені чистові та напівчистові фрези використовуються підприємствами для напівчистового та чистового фрезерування стальних загартованих деталей та чавунів. Порівняльні дослідження показали їх більш високу продуктивність по відношенню до шліфування (у 4-6 разів) та обробки фрезами відомих конструкцій (у 3-5 разів), а також більш високу їх стійкість.

Висновки

1. Комплексне теоретичне дослідження аспектів чистового торцевого фрезерування дозволило розробити теоретичні основи створення конструкцій ступінчастих торцевих фрез із косокутною геометрією ножів для чистової обробки плоских поверхонь чавунних і стальних загартованих деталей.

2. Показано, що застосування ступінчастого розташування ножів фрез та їх косокутної геометрії дозволяє підвищити продуктивність обробки за рахунок збільшення кількості ножів, які беруть участь в різанні.

3. Розроблена сукупність рівнянь, алгоритми та програми на ЕОМ дають можливість проаналізувати основні кінематичні параметри торцевого фрезерування ступінчастими фрезами косокутного різання.

4. Визначено вплив геометрії різальних ножів торцевих фрез на працездатність конструкцій фрез, на підставі чого обґрунтована доцільність використання ступінчастих схем різання та косокутної геометрії різальних ножів.

5. Для чистової обробки площинних деталей підтверджена ефективність використання косокутної геометрії ножів з від’ємними кутами нахилу різальних кромок та застосування задніх циліндричних поверхонь ножів з радіусами 6-14 мм.

6. Проведена оптимізація дозволила встановити оптимальні значення геометричних параметрів ножів торцевих фрез та режимів їх експлуатації.

7. Результати впровадження фрез на ВАТ “Верстатуніверсалмаш” (м. Житомир) та ВАТ “Беверс” (м. Бердичів) показали підвищення продуктивності при обробці корпусних та плоских деталей верстатів у 3-5 разів.

Література

1. Виговський Г.М., Мельничук П.П. Процес різання торцевими ступінчатими фрезами з косокутньою геометрією різальних частин, що оснащені надтвердими матеріалами (НТМ) // Вісник інженерно-технологічного інституту. – 1998. – № 7. – С. 73–81.

2. Виговський Г. Сили різання при обробці торцевими фрезами косокутного різання // Вісник Тернопільського державного технічного університету. – 1999. – Том 4. – С.148-153.

3. Виговський Г.М. Коливання сил різання при обробці деталей торцевими ступінчастими фрезами // Вісник Житомирського інженерно-технологічного інституту. – 1999. –№ 9. – С. 28–32.

4. Виговський Г.М., Мельничук П.П. Особливості косокутного безвершинного різання // Вісник Житомирського інженерно-технологічного інституту – 1999. – № 10. – С. 134–145.

6. Виговський Г.М., Мельничук П.П. Безвершинне косокутне фрезерування. Шорсткість поверхні // Вестник НТУУ “Киевский политехнический институт”. Серия “Машиностроение” – 1999 – Вып. 37. – С. 262–275.

7. Выговский Г.Н., Мельничук П.П. Конструкции и эксплуатация торцовых фрез с ножами из сверхтвердых материалов // Тяжелое машиностроение. – Москва, – 1999. – № 6. – С. 25– 27.