Повышение стойкости токарных резцов на основе учета формы передней поверхности и кривизны поверхности резания

Обработка резанием до настоящего времени является наиболее распространенным способом формообразования точных деталей в машиностроении, эффективность которой во многом определяется эксплуатационными показателями режущего инструмента, одним из которых является его стойкость.

От стойкости зависят производительность и себестоимость технологической операции. Она является основой для расчета нормативных запасов режущих инструментов, повышенный расход которых может свидетельствовать о нарушении рациональных условий их эксплуатации.

Вопрос стойкости инструмента является одним из важнейших в теории резания, несмотря на достаточную изученность факторов, влияющих на нее. Среди них особое место занимает форма передней поверхности, которая является важнейшим конструктивным элементом режущего инструмента, поэтому она подвергается постоянному совершенствованию, что приводит к усложнению ее конфигурации, которая представляет собой комбинацию уступов, углублений, выступов, радиусных и плоских участков в различных сочетаниях.

Особенно это видно на примере современных сменных многогранных пластин (СМП) ведущих производителей инструментов, таких как SANDVIK COROMANT, MITSUBISHI, KORLOY, ISCAR и многих других. Основное внимание при этом уделяется повышению стойкости инструмента при одновременном снижении уровня силы резания и формировании компактной стружки, отвечающей требованиям безопасности и автоматизации производства. Во многом это достигается за счет того, что сложная форма передней поверхности способствует уменьшению площади ее взаимного контакта со стружкой. Это позволяет реализовать принцип укороченной передней поверхности в современной интерпретации.

Однако имеющиеся сведения о влиянии сложной формы передней поверхности на характеристики процесса резания, определяющие стойкость инструмента, весьма ограниченные. Вместе с этим в теории резания недостаточно изучены вопросы влияния кривизны поверхности резания при обтачивании и растачивании на основные характеристики процесса резания, а также стойкость инструментов.

Данное направление представляется весьма перспективным, т.к. в этом случае для повышения стойкости инструмента необходимо учитывать только кривизну поверхности резания без каких-либо дополнительных затрат. В свою очередь повышение стойкости инструмента является резервом в повышении производительности обработки. На основании изложенного, решение задачи повышения эффективности токарной обработки на основе учета формы передней поверхности инструмента и кривизны поверхности резания является весьма актуальным.

Цель данной работы заключается в повышении эффективности токарной обработки на основе учета формы передней поверхности инструмента и кривизны поверхности резания.

Для достижения поставленной цели на основании проведенного анализа необходимо решить следующие задачи:

1. Оценить влияние накладного стружколома, локальных сферических выступов и углублений на передней поверхности на длину контакта стружки с передней поверхностью, коэффициент усадки стружки, силы резания, среднюю температуру резания и стойкость инструмента при точении.

2. Разработать геометрическую модель, связывающую параметры кривизны поверхности резания при обтачивании и растачивании с углом сдвига, влияющим на стойкость инструмента.

3. Провести экспериментальные исследования процесса резания при различных параметрах кривизны поверхности резания и постоянстве скорости резания резцами с плоской передней поверхностью с целью определения длины контакта стружки с передней поверхностью, усадки стружки, силы и температуры резания, влияющих на стойкость инструмента.

4. Оценить влияние параметров кривизны поверхности резания при обтачивании и растачивании резцами с плоской передней поверхностью и с накладным стружколомом на диаметр витка образующейся стружки, определяющий ее компактность.

5. Провести эксперименты по установлению влияния параметров кривизны поверхности резания при постоянстве скорости резания на стойкость резцов, оснащенных СМП с плоской и сложной формами передней поверхности в условиях чистового обтачивания и растачивания.

6. Разработать практические рекомендации по назначению скорости резания при чистовой токарной обработке, учитывающие параметры кривизны поверхности резания.

7. Провести апробацию результатов исследований в производственных условиях.

Объектом исследования являются процессы, связанные с формированием стружки на передней поверхности, которые обеспечивают эксплуатационные показатели инструмента.

Предмет исследования составляют научные и методические основы, обеспечивающие эффективность процессов точения.

В первой главе выполнен анализ существующих форм передней поверхности СМП для токарных инструментов. Показана малая эффективность оценки стойкости СМП без учета влияния формы передней поверхности на основные параметры процесса резания и, в первую очередь, на длину контакта стружки. Отмечено, что такие конструктивные элементы передней поверхности, как локальные сферические углубления и выступы позволяют реализовать принцип укороченной передней поверхности в современной интерпретации. Вместе с этим, в хорошо известных резцах с накладным стружколомом также заложена потенциальная возможность сокращения длины контакта стружки и, как следствие, повышение стойкости. Однако данные вопросы требуют дополнительного изучения и подтверждения этого.

Обоснована целесообразность исследований влияния кривизны поверхности резания на стойкость резцов при обтачивании и растачивании в комплексе с другими основными параметрами процесса резания. Выполненные ранее исследования весьма ограничены, а результаты их противоречивы.

На основании изложенного, сформулирована цель и задачи исследований.

Во второй главе исследованы основные показатели процесса резания инструментами, имеющими следующие конструктивные элементы на передней поверхности:

— накладной стружколом;

— локальные сферические углубления;

— локальные сферические выступы.

Показано, что наличие стружколома на плоской передней поверхности позволяет достигнуть уменьшения длины контакта стружки, коэффициента усадки стружки, составляющих сил резания и средней температуры резания.

Локальные сферические углубления, имеющие выход на заднюю поверхность искусственно ограничивают естественную длину контакта на плоской передней поверхности. При этом наблюдается снижение температуры резания и коэффициента усадки на участке стружки, сформированном в углублении. Силы резания несколько больше, чем при плоской передней поверхности, что объясняется большей активной длиной главной режущей кромки.

Локальные сферические выступы также искусственно ограничивают площадь контакта со стружкой. Это приводит к уменьшению усадки стружки и сил резания. На примере СМП с локальными сферическими выступами в виде ротационных элементов показано увеличение стойкости на 15% по сравнению с плоской передней поверхностью.

При наличии, как углублений, так и выступов формируется жесткая конфигурация поперечного сечения стружки, что способствует стабилизации процесса стружкодробления.

В третьей главе дано теоретическое обоснование влияния диаметра обработки на основные характеристики процесса резания с учетом их взаимосвязи. Так, было установлено влияние величины и вида кривизны поверхности резания, обусловленных диаметром обработки, на угол наклона условной плоскости сдвига, который связан с такими характеристиками, как размеры площадки контакта стружки с передней поверхностью, усадкой стружки, силой и температурой резания. Их анализ показал, что увеличение кривизны поверхности резания создает более благоприятные условия резания при растачивании, а при наружном точении, наоборот, эти условия становятся более напряженными. На основании этого сделан вывод о различной износостойкости инструментов при обработке заготовок разного диаметра при прочих равных условиях как при обтачивании, так и при расточных работах.

Четвертая глава посвящена экспериментальному определению контактных, деформационных, силовых и температурных характеристик процесса резания заготовок различного диаметра как при обтачивании, так и при растачивании. Результаты экспериментов полностью совпадают с теоретическими выводами, сделанными в третьей главе, что подтверждает их справедливость. Также было рассмотрено влияние диаметра обработки при обтачивании и растачивании на диаметр витков образующейся при этом стружки, который определяет ее компактность, что особенно важно в условиях ограниченного стружечного пространства. Установлено, что увеличение диаметра обработки при обтачивании приводит к уменьшению диаметра витков стружки, а при растачивании, наоборот, к его увеличению. При растачивании и обтачивании одного и того же диаметра заготовки в равных условиях стружка меньшего диаметра образуется при растачивании.

В пятой главе рассматриваются вопросы стойкости резцов при растачивании и обтачивании заготовок разного диаметра. Для получения достоверных результатов о стойкости инструментов при равном критерии затупления судили не по времени обработки, а по пройденному пути резания, поскольку при обработке заготовок одной длины с различным диаметром он разный. При этом учитывалась жесткость деталей и резцов. Результаты стой-костных экспериментов полностью согласуются с теоретическими выводами по стойкости, сделанными в главе 3: при прочих равных условиях увеличение диаметра обработки приводит к увеличению стойкости при обтачивании, а при растачивании — к уменьшению. Сопоставление стойкости инструментов при обтачивании и растачивании в одинаковых условиях показало, что она выше при растачивании. Апробация результатов исследований в производственных условиях окончательно подтвердила их справедливость.

Автор защищает:

1. Результаты экспериментальных исследований длины контакта стружки с передней поверхностью, коэффициента усадки стружки, силы резания, средней температуры резания и стойкости инструмента резцами, имеющими на передней поверхности накладные стружколомы, локальные сферические углубления и выступы.

2. Геометрическую модель определения угла сдвига в условиях обтачивания и растачивания при различных параметрах кривизны поверхности резания.

3. Результаты экспериментальных исследований длины контакта стружки с передней поверхностью, усадки стружки, силы и температуры резания при различных параметрах кривизны поверхности резания и постоянстве скорости резания резцами с плоской передней поверхностью.

4. Результаты экспериментов по установлению влияния параметров кривизны поверхности резания при обтачивании и растачивании резцами с плоской передней поверхностью и с накладным стружколомом на диаметр витка образующейся стружки.

5. Результаты экспериментов, устанавливающих влияние параметров кривизны поверхности резания при постоянстве скорости резания на стойкость резцов, оснащенных СМП с плоской и сложной формами передней поверхности в условиях чистового обтачивания и растачивания.

6. Практические рекомендации по назначению скорости резания при чистовой токарной обработке, учитывающие параметры кривизны поверхности резания.

7. Результаты производственных испытаний.

Научная новизна заключается в обосновании условий повышения стойкости инструмента на основе учета параметров кривизны поверхности резания и формы передней поверхности во взаимосвязи с углом сдвига, длиной контакта стружки с передней поверхностью, усадкой стружки, силой и температурой резания.

Практическая ценность — на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по повышению стойкости инструмента, учитывающие форму передней поверхности и кривизну поверхности резания при токарной обработке.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное народнохозяйственное значение, заключающаяся в повышении эффективности токарной обработки на основе учета формы передней поверхности инструмента и кривизны поверхности резания.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований сделаны следующие основные выводы:

1. Уменьшение площади контакта стружки с передней поверхностью токарных резцов за счет применения накладных стружколомов, локальных сферических выступов и углублений приводит к уменьшению усадки стружки, силы и средней температуры резания и, как следствие, к повышению стойкости на 15.20% по сравнению с плоской передней поверхностью. Наличие локальных сферических углублений и выступов способствует формированию стружки с более жесткой конфигурацией поперечного сечения, что стабилизирует процесс стружкодробления.

2. Разработана геометрическая модель, связывающая параметры кривизны поверхности резания при обтачивании и растачивании с углом сдвига, на основании которой установлено следующее. Увеличение кривизны поверхности резания при обтачивании вызывает уменьшение угла сдвига. Увеличение кривизны поверхности резания при растачивании вызывает увеличение угла сдвига. С учетом взаимосвязи явлений в процессе резания изменение кривизны поверхности резания влечет за собой изменение длины контакта стружки с передней поверхностью, усадки стружки, силы и температуры резания, влияющих на стойкость инструмента. Их анализ показал, что увеличение стойкости инструмента возможно с увеличением кривизны поверхности резания при растачивании и при ее уменьшении при обтачивании.

3.Экспериментально исследовано влияние параметров кривизны поверхности резания при обтачивании и растачивании заготовок из сталей 45Х,.

08Х18Н10Т на показатели процесса резания. Установлено, что при постоянной скорости резания и плоской передней поверхности уменьшение кривизны поверхности резания при обтачивании приводит к уменьшению длины контакта стружки с передней поверхностью, усадки стружки, температуры и силы резания. При растачивании, наоборот, уменьшение данных показателей происходит при увеличении кривизны поверхности резания. Сопоставление обтачивания и растачивания при прочих равных условиях показало, что эти показатели при растачивании меньше, чем при обтачивании.

4. Выполнены экспериментальные исследования по установлению влияния кривизны поверхности резания на диаметр витка образующейся стружки при обтачивании и растачивании. Установлено, что в условиях чистовой обработки заготовок из стали 45Х при обтачивании диаметр витка стружки в 1,5.2 раза больше, чем при растачивании того же диаметра при одинаковых режимах резания резцами, как с плоской передней поверхностью, так и с накладным стружколомом.

5. Экспериментально исследовано влияние параметров кривизны поверхности резания на стойкость резцов в условиях чистового обтачивания и растачивания. Установлено, что при обтачивании заготовок из стали 08Х18Н10Т (в состоянии поставки) резцами, оснащенными СМП со сложной формой передней поверхности увеличение кривизны поверхности резания от К = 0,0125 мм" 1 (080 мм) до К = 0,0233 мм" 1 (043 мм) приводит к уменьшению стойкости в 1,6.1,7 раза. При растачивании заготовок из стали ШХ15 (HRC 61) резцами с плоской передней поверхностью увеличение кривизны поверхности резания от К= 0,0125 мм" 1 (080 мм) до К= 0,0178 мм" 1 (056 мм), приводит к увеличению стойкости в 1,2. 1,3 раза.

6. Разработаны практические рекомендации по назначению скорости резания при чистовой токарной обработке в виде поправочных коэффициентов, учитывающих параметры кривизны поверхности резания.

7. Проведена апробация результатов исследования в производственных условиях ОАО «ТНИТИ» при обработке детали типа «Труба» на станке с ЧПУ мод. ТМ31. Установленное в исследованиях, повышение стойкости при растачивании по сравнению с обтачиванием при прочих равных условиях позволило в 1,5 раза увеличить скорость резания на операции растачивания, что привело к повышению производительности обработки данной детали также в 1,5 раза. При этом стойкость расточных резцов практически не изменилась по сравнению с базовым вариантом технологии. Рекомендованные режимы резания приняты к внедрению.

Материалы диссертационной работы также использованы в учебном процессе.