Повышение эффективности точения узких канавок резцами со сменными твердосплавными пластинами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат технических наук Белогорлов, Сергей Викторович

• Белогорлов, Сергей Викторович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Белогорлов, Сергей Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ КАНАВОЧНЫХ РЕЗЦОВ С ШИРИНОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТИ МЕНЕЕ 1 ММ.

1.1 Инструменты отечественного производства.

1.2 Инструменты зарубежного производства.

1.3 Особенности процесса резания узкими канавочными резцами.

1.4 Цель работы и задачи исследования.

2.ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ РАБОЧЕЙ ЧАСТИ КАНАВОЧНЫХ РЕЗЦОВ.

2.1 Расчет разрушающей нагрузки.

2.2 Экспериментальное определение разрушающей нагрузки.

2.3 Возможность применения узких канавочных резцов при продольном точении.

2.4 Выводы.

3.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

ПРИ РАБОТЕ УЗКИМИ КАНАВОЧНЫМИ РЕЗЦАМИ.

3.1 Методика проведения экспериментов.

3.2 Сопоставление показателей несвободного резания при протачивании канавок с показателями свободного резания.

3.3 Влияние ширины канавочного резца менее 1 мм на усадку стружки и температуру резания.

3.4 Влияние кривизны срезаемого слоя, обусловленной диаметром обработки, на некоторые показатели процесса резания.

3.5 Выводы.

4.ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ УЗКИМИ КАНАВОЧНЫМИ РЕЗЦАМИ.

4.1 Аналитическое определение температуры резания в зависимости от ширины канавочного резца в условиях стационарного резания.

4.2 Периодизация процесса резания при протачивании канавок.

4.3 Определение термо-ЭДС при работе канавочных резцов в течении длительного периода времени.

4.4 Выводы.

5.СРАВНЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ КАНАВОЧНЫХ РЕЗЦОВ РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

5.1 Обработка канавок на заготовках из материалов группы Н.

5.2 Обработка канавок на заготовках из материалов группы Р.

5.3 Сравнение технико-экономических показателей альтернативных конструкций резцов.

5.4 Обработка канавок на заготовках из материалов группы М и К.

5.5 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности точения узких канавок резцами со сменными твердосплавными пластинами»

Кольцевые канавки на телах вращения являются распространенным конструктивным элементом многих деталей машин, механизмов, приборов точной механики и т.п. Их обработка, как правило, осуществляется на токарных станках с помощью канавочных резцов. Конструкция этих резцов подчиняется общей тенденции применения сменных многогранных пластин (СМП), характерной для современных режущих инструментов. При этом, канавочные резцы с шириной режущей части менее 1 мм занимают особое место в общей номенклатуре токарного инструмента, что обусловлено их низкой прочностью из-за малой ширины рабочей части. В результате этого они не допускают работы с подачами, применяемыми для токарных резцов общего назначения. Кроме того, они более подвержены поломкам, приводящим к неисправимому браку, что существенно снижает эффективность их использования. В некоторых конструкциях деталей ширина таких канавок составляет всего 0,3 мм. Поэтому их безаварийная обработка возможна лишь на основе учета особенностей процесса резания такими инструментами.

В специализации инструментальных заводов Российской Федерации полностью отсутствует номенклатура канавочных резцов с шириной рабочей части <1,0 мм. Поэтому изготовление таких резцов осуществляется силами инструментальных цехов машиностроительных предприятий, нуждающихся в них, но конструкция этих резцов не отвечает современным требованиям, а их применение малоэффективно. В результате этого приобретаются канавочные резцы у зарубежных производителей инструментов, таких как Seco Tool, Sandvik Coromant, Mitsubishi Carbide, Horn, Iscar, Kennametal, Stellram, TaeguTec, Amo, Whizcut и др., в номенклатуре которых имеются резцы с шириной рабочей части 0,3. 1,0 мм. Практическое отсутствие отечественного опыта в эксплуатации таких резцов также вынуждает пользоваться консалтинговыми услугами, которые осуществляются представительствами перечисленных фирм за отдельную плату.

Следует отметить, что исследования особенностей процесса резания при точении канавок шириной менее 1,0 мм, которые позволили бы объективно обосновать условия рационального применения таких инструментов, в нашей стране не проводились. Также отсутствуют публикации зарубежных исследований в данной области, что, вероятно, является предметом «ноу-хау». А такие особенности даже априорно очевидны. Так, наличие двух вершин у резца в большей степени должно отличать основные характеристики несвободного резания от свободного. При этом необходимо принимать во внимание и значение размеров поперечного сечения срезаемого слоя, т.е. учитывать масштабный фактор, скоротечность процесса резания, а также тепловой режим работы при весьма узкой рабочей части инструмента.

На основании изложенного, повышение эффективности точения канавок твердосплавными резцами на основе учета специфики процесса резания, обусловленной шириной рабочей части менее 1,0 мм, является актуальной задачей.

Цель настоящей работы - повышение эффективности применения твердосплавных канавочных резцов на основе учета специфики процесса резания, обусловленной шириной рабочей части менее 1,0 мм.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести теоретическое определение нагрузок, вызывающих поломку рабочей части канавочного резца, а также их экспериментальную проверку.

2. Провести сопоставление усадки стружки, температуры резания, формы стружки и износостойкости канавочных резцов в условиях свободного и несвободного резания при ширине срезаемого слоя менее 1,0 мм.

3. Определить влияние изменения ширины срезаемого слоя в пределах 0,50,8 мм на усадку стружки, температуру резания и износостойкость резцов.

4. Оценить температурный режим работы канавочных резцов с учетом характеристик теплообмена и цикличности процесса резания.

5. Сравнить эксплуатационные показатели канавочных резцов различных конструкций, применяемых в отечественном машиностроении.

Объектом исследования является процесс точения узких канавок шириной 0,5-0,8 мм резцами со сменными твердосплавными пластинами.

Предметом исследования являются параметры процесса резания, определяющие изнашивание канавочных резцов: такие как усадка стружки, температура резания, условия теплообмена, периодизация процесса резания.

В первой главе показано, что в современном машиностроении возникает необходимость обрабатывать на ряде деталей узкие канавки шириной менее 1 мм. При этом, в номенклатуре продукции отечественных инструментальных заводов полностью отсутствуют резцы, предназначенные для этой цели. В связи с этим используются резцы зарубежного производства, позволяющие обрабатывать канавки шириной 0,3. 1,0 мм. Отмечено, что эффективное применение таких резцов должно основываться на четком представлении особенностей процесса резания, обусловленных малой шириной их рабочей части. На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе проведена оценка прочности рабочей части канавочных СМП шириной 0,5.0,8 мм. Теоретически определены и экспериментально проверены предельные нагрузки в направлении наименьшего сопротивления изгибу, допускаемые прочностью современных СМП различных конструкций. Показано, что при определенных условиях узкие канавочные резцы можно с успехом использовать в качестве проходных резцов, что расширяет их технологические возможности.

В третьей главе рассмотрены вопросы экспериментального определения основных характеристик процесса резания применительно к точению наружных канавок шириной 0,5.0,8 мм некоторыми типами резцов. Показано, что наличие двух вершин у таких резцов приводит к увеличению усадки стружки, температуры резания и износа главной задней поверхности по сравнению со свободным резанием при тех же условиях. Кроме того, при свободном резании стружка завивается в спираль меньшего диаметра, поскольку этому не препятствуют боковые стенки обрабатываемых канавок в условиях несвободного резания. Сравнение усадки стружки, температуры резания и износостойкости при использовании резцов шириной 0,5.0,8 мм показало, что в первом случае усадка стружки больше, т.к. в меньшем по размерам сечении срезаемого слоя при его превращении в стружку деформация в ней происходит в большей степени. Более узкому резцу соответствует и меньшее значение температуры резания, однако они подвержены большему изнашиванию.

В четвертой главе проведен анализ теплофизических особенностей процесса резания узкими канавочными резцами шириной 0,5.0,8 мм. Показано, что в силу скоротечности процесса резания канавочные резцы шириной 0,5.0,8 мм работают в условиях неустановившегося теплообмена. Последовательное протачивание нескольких одинаковых канавок характеризуется термоциклической нагрузкой на резец, приводящей к уменьшению температуры резания, значение которой зависит от соотношения времени резания и холостых ходов. Кроме того, уровень температуры резания во многом определяется отношением ширины срезаемого слоя в к его толщине а, которое характеризует условия теплоотвода. Однако, в условиях неустановившегося теплообмена влияние отношения в/а на температуру резания заметно проявляется только в условиях изначально высокой тепловой нагрузки на режущий клин канавочных резцов. Поэтому, кажущееся противоречие между пониженной износостойкостью более узких резцов при меньшем умеренном уровне температуры резания объясняется худшим теплоотводом при меньшем значении отношения в/а.

В пятой главе дана оценка эксплуатационных возможностей канавочных резцов различных конструкций с шириной рабочей части 05.0,8 мм. Показано, что при обработке материалов группы Н по ИСО большим преимуществом обладают образцы семейства PENTA в силу специфики их геометрических параметров. При обработке материалов групп Р,М и К по ИСО сравниваемые резцы практически равнозначны и их выбор должен осуществляться на основе сравнения экономических показателей. Так, установленное технико-экономическое превосходство резцов шириной

0.5.мм семейства PENTA фирмы Iscar позволило осуществить их внедрение взамен ранее применяемых резцов той же ширины фирмы Seco в условиях ЗАО «Завод экспериментального машиностроения» РКК «Энергия» при одновременном увеличении производительности обработки в 1,3 раза.

Автор защищает:

1.Результаты теоретического и экспериментального определения нагрузок, действующих в направлении наименьшего сопротивления изгибу рабочей части резцов и приводящих к их поломке.

2.Результаты экспериментального определения усадки стружки, температуры резания и сопоставления формы стружки в условиях свободного резания и точения канавок.

3.Закономерность влияния ширины срезаемого слоя в пределах 0,5-0,8 мм на усадку стружки, температуру резания и износостойкость канавочных резцов. 4.Результаты теоретического определения температуры резания в условиях стационарного и нестационарного теплообмена, а также при циклическом характере работы канавочных резцов с шириной рабочей части менее 1,0 мм. 5.Эксплуатационные характеристики канавочных резцов различных конструкций.

Научная новизна диссертационной работы заключается в установлении закономерности изнашивания резцов для точения наружных мелкоразмерных канавок шириной 0,5-0,8 мм на основе результатов расчетов и экспериментальных исследований температуры резания в условиях нестационарного резания и циклического характера работы канавочных резцов, связанной со снижением их стойкости при уменьшении ширины рабочей части резца (глубины резания) с 0,8 до 0,5 мм и отличающейся от существующей закономерности монотонного убывания стойкости с увеличением глубины резания.

Практическая значимость работы заключается в корректировке существующих технологических рекомендаций по назначению скорости резания для канавочных резцов шириной 0,5-0,8 мм путем введения поправочного коэффициента, а также формированию компактной стружки при обработке канавок на заготовках из материалов групп Р, М, К, Н по ИСО. Кроме того установлена возможность их использования в качестве проходных резцов, что расширяет функциональные возможности инструмента.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация в машиностроении», Белогорлов, Сергей Викторович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решена актуальная научно-техническая задача повышения эффективности точения узких канавок твердосплавными резцами на основе учета специфики процесса резания, обусловленной шириной рабочей части менее 1,0 мм.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты и выводы:

1. Разрушающие нагрузки в направлении наименьшего сопротивления изгибу рабочей части канавочных СМП шириной 0,5-0,8 мм лежат в пределах 140

490 Н в зависимости от их конструкции. В ряде случаев при обработке малоразмерных деталей такие резцы можно использовать как проходные, что сокращает вспомогательное время на смену инструментов и повышает производительность.

2. Экспериментально установлено, что точение канавок шириной 0,5 мм по сравнению со свободным резанием сопровождается увеличением усадки стружки и температуры резания, вследствие чего износ задней поверхности канавочных резцов увеличивается в 2 раза. Одновременно с этим в 2-6 раз увеличивается диаметр витка стружки из-за тормозящего воздействия, оказываемого боковыми стенками канавок, что необходимо учитывать в условиях ограниченного пространства для ее размещения, обусловленного конфигурацией обрабатываемой детали.

3. Уменьшение ширины рабочей части канавочного резца от 0,8 до 0,5 мм сопровождается увеличением в 1,02-1,06 раза усадки стружки, поскольку в меньшем по размерам сечении срезаемого слоя деформация в нем при превращении его в стружку происходит в большей степени. Учет этого позволяет получить более достоверные результаты при анализе условий функционирования таких резцов, в частности, при аналитическом определении температуры резания.

4. Расчетами установлено:

4.1 В условиях стационарного теплообмена уменьшение ширины канавочного резца от 0,8 до 0,5 мм сопровождается уменьшением отношения Ь/а в 1,6 раза, что приводит к увеличению температуры резания на 96°С. Как следствие, это должно способствовать повышенному изнашиванию более узкого резца;

4.2 Работа канавочных резцов шириной 0,5.0,8 мм с режимами резания, рекомендуемыми для практического применения, протекает в условиях нестационарного теплообмена. В результате этого исключается длительное воздействие высоких температур резания, развивающихся в условиях стационарного теплообмена, на узкую рабочую часть канавочных резцов;

4.3 Цикличность процесса резания при точении канавок с отношением 1ХХЛР=30 в 2,64 раза уменьшает температуру резания, по сравнению с температурой, развивающейся в условиях стационарного теплообмена, что также способствует повышению стойкости резцов.

5. Экспериментально установлено:

5.1 Превышение температуры резания у канавочных резцов шириной 0,5 мм над температурой резания резцов шириной 0,8 мм проявляется только при высокой тепловой нагрузке, возникающей при форсированных режимах резания, не пригодных для практического применения;

5.2 При режимах резания, применяемых на практике, уменьшение ширины рабочей части канавочного резца от 0,8 до 0,5 мм приводит к уменьшению термо-ЭДС (температуры резания) в 1,05-1,07 раза. Несмотря на это, стойкость резцов шириной 0,5 мм в 1,5 раза меньше, чем у резцов шириной 0,8 мм, что необходимо учитывать при их эксплуатации путем уменьшения скорости резания в 1,1 раза.

6. Апробированные конструкции канавочных резцов шириной менее 1,0 мм практически одинаковы по износостойкости. Однако неоспоримым преимуществом по прочности рабочей части, максимальной глубине обрабатываемых канавок, количеству режущих кромок, а также по компактности стружки обладают резцы семейства РЕЫТА. В результате этого, несмотря на их большую стоимость, применение таких резцов экономически целесообразно, что подтверждается их внедрением в производственных условиях.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Белогорлов, Сергей Викторович, 2012 год

1. ГОСТ 18874-73. Резцы токарные прорезные и отрезные избыстрорежущей стали.

2. ГОСТ 18884-73. Резцы токарные отрезные с пластинами из твердого сплава.

3. Справочник инструментальщика /И.А. Ординарцев, Г.В. Филиппов, А.Н. Шевченко, и др; под общей редакцией И. А. Ординарцева,- Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1987. 846с.

4. Справочник технолога машиностроителя. В 2-х т. Т.2 / Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1986. -496с.

5. Кузнецов Ю.И., Маслов А.Р., Байков А.Н. Оснастка для станков с ЧПУ: Справочник. -М.: Машиностроение, 1983. -359с.

6. Кудряшов Е.А. Обработка деталей инструментами из композитов в осложненных технологических условиях. -Чита: ЧитГТУ, 2002.- Том 1257 с, Том 2-290 с.

7. Прогрессивные режущие инструменты и режимы резания металлов: Справочник /В.И. Баранчиков, A.B. Шарипов, H.A. Юдина и др.; Под общ.ред. В.И. Баранникова.- М.: Машиностроение, 1990. -400с.

8. Металлорежущий инструмент Sandvik Coromant. Основной каталог, 2007г.

9. URL:http://www.coromant.sandvik.com.

10. Каталог токарного инструмента Seco Tools, 200511 ,URL:http://www.secotouls.com

11. URL:http://www.mitsubishicarbide.com

12. URL:http://www.kennametal.com

13. URL: http: //s-t-group. com15. URL: http://taegutec. com16.URL:http://iscar.ru17. URL : http : //phorn .de

14. Руководство по металлообработке. Технический справочник от Sandvik Coromant, 2007.

15. Моховиков A.A. Повышение прочности отрезных и канавочных резцов за счет равнопрочной формы лезвия. Автореферат диссертации кандидата технических наук Моховикова A.A. ТПИ, Томск, 2004. 18с.

16. Музыкант Я.А. Прорезание канавок и отрезка на токарных станках с подачей СОЖ в зону резания. Музыкант Я.А. Вестник МГТУ "Станкин", МГТУ "Станкин", №2, 2008. С.49-54.

17. Михайлов C.B. Развитие теории формообразования и дробления стружки с целью повышения эффективности механической обработки пластичных материалов. Диссертация доктора технических наук, Михайлов C.B. КГТУ, Кострома, 2006. 450с.

18. Дьяченко Н.В. Новая технологическая модель прорезных фрез для обработки игольных и платинных пазов деталей трикотажных машин. Диссертация кандидата технических наук. Дьяченко Н.В. ТПИ, Тула, 1990-196 с.

19. Развитие науки о резании металлов. Коллектив авторов. М.: Машиностроение, 1967. -415с.

20. Панкин A.B. Обработка металлов резанием. М.: Машгиз, 1961. -520с.

21. Клушин М.И. Резание металлов. М.: Машгиз, 1958. -454с.

22. Филоненко С.Н. Резание металлов. Киев: издательство "Техшка", 1975. -232 с.

23. Аршинов В.А., Алексеев Г.А. Резание металлов и режущий инструмент. М.: Машиностроение, 1976. -440с.

24. Зобин М.П., Юдин A.A., Шишкин A.A., Рогов А.Я. Обработка металлов резанием. М.: Машиностроение, 1962. -300с.

25. Лоладзе Т.Н. Стружкообразование при резании. М.: Машгиз, 1952. -199с.

26. Резников А.Н. Теплофизика резания. М: Машиностроение, 1969. -288 с.

27. Metal Cutting carbide tools 2002-2003. Mitsubishi Carbide. CE003-ENG.-2002.- 665 c.

28. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: Учебник для Втузов -9-е изд. перераб. М.:Наука,1986-512 с.

29. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. 2-е изд. -М.: Металлургия, 1976.-528 с.

30. Металлообрабатывающий твердосплавный инструмент. Справочник/

31. B.C. Самойлов, Э.Ф. Эйхманс, В.А. Фальковский и др. -М.Машиностроение, 1998.-368 с.

32. Белогорлов C.B., Иванов В.В. Обработка узких канавок резцами с СМИ // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Международный сборник научных трудов. Выпуск 37. Донецк, 2009.1. C.9-13.

33. Иванов В.В., Белогорлов C.B. Многопроходное нарезание резьбы с СМП.// Известия ТулГу. Сер. Инструментальные и метрологические системы. Вып.2. -Тула: ТулГу, 2006. -С.303-305.

34. Иванов В.В., Белогорлов C.B. Особенности обработки узких кольцевых канавок твердосплавными резцами.//Автоматизация: проблемы, идеи, решения. Вып 12. -Тула: ТулГу, 2007.-С.85-86.

35. Белогорлов C.B. Обработка узких канавок твердосплавными резцами.// Материалы 6-й международной научно-технической конференции 21-23 мая 2008г. Брянск: БГТУ, 2008. -С.273-274.

36. Белогорлов C.B., Иванов В.В. Эксплуатационные возможности узких канавочных резцов. // Машиностроительные технологии. Сборник тезисов докладов Всероссийской-технической конференции. -Москва: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. -С.50-52.

37. Белогорлов C.B., Иванов В.В. Современные резцы для обработки узких канавок. // Вестник ТулГу. Сер. Инструментальные и метрологические системы. -Тула: ТулГу, 2008. -С.51-54.

38. Иванов В.В., Белогорлов C.B. Особенности обработки канавок шириной 0,5мм твердосплавными резцами с СМИ. // Альманах современной науки и образования. -Тамбов, 2008,- №7(14). -С.24-25.

39. Белогорлов C.B., Иванов В.В. Температура резания при работе узких канавочных резцов из твердого сплава. // Альманах современной науки и образования. -Тамбов, 2009. -№6 (25).-С.29-31.

40. Белогорлов C.B. К вопросу температурного режима работы узких канавочных резцов. // Молодежный вестник технологического факультета: Лучшие научные работы студентов и аспирантов: сб.статей. В 2-х ч. 4.1. Тула: ТулГУ,2009.С.62-65.

41. Иванов В.В., Белогорлов С. В. Особенности процесса резания при протачивании узких кольцевых канавок.// СТИН, 2010, №4, С. 16-18.

42. Белогорлов C.B. Работоспособность твердосплавных канавочных резцов с СМП шириной 0,5-0,8 мм // Известия ТулГу. Сер. Технические науки. 2011. Вып.5.4.3 -Тула: ТулГу, 2011. С.87-90.

43. Белогорлов C.B. Влияние ширины резания при обработке узких канавок на допускаемую скорость резания // Известия ЮЗГУ. 2012. №3(42). Ч.З-Курск: ЮЗГУ, 2012.- С.50-53.

44. Сорокин Е.В. Повышение стойкости токарных резцов на основе учета формы передней поверхности и кривизны поверхности резания. Диссертация кандидата технических наук. Сорокин Е.В. ТулГу, Тула, 2006. -168с.

45. Промышленные алюминиевые сплавы: Справочник. Под ред. Ф.И. Квасова, И.Н. Фридляндера. -2-е изд. М.: Металлургия, 1984.

46. Конструкционные материалы: в 3-х томах. Под ред. А.Г. Туманова. М.: Советская энциклопедия, 1965.

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

48. Абуладзе Н.Г. Характер и длина пластического контакта стружки с передней поверхностью инструмента. Обрабатываемость жаростойких и титановых сплавов. Куйбышев, 1962. -С.68-77.

49. Зорев H.H., Фетисова З.М. Обработка резанием тугоплавких металлов. М.: Машиностроение, 1966.- 244с.

50. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки. М. Машиностроение, 1981. -279с.

51. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1982. -320 с.

52. Физические величины. Справочник / А.П. Бабичев, H.A. Бабушкина, A.M. Братковский и др.; Под.ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова.- М.: Энергоатомиздат, 1991 .-1232 с.

53. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, A.B. Волосникова, С.А. Вяткин и др.; Под.общ.ред. В.Г. Сорокина.- М.: Машиностроение, 1989. -640 с.

54. Борискин О.И., Иванов В.В., Павлова Е.В. Повышение эффективности чистовой токарной обработки на основе применения резцов с СМП. Тула: Изд-во ТулГу, 2009. -151 с.