eng
Выпуск #1/2016
С.Михайлов, Н.Ковеленов, С.Болотских
Технологические условия обеспечения шероховатости поверхности при токарной обработке материалов инструментом с смп
Технологические условия обеспечения шероховатости поверхности при токарной обработке материалов инструментом с смп
Просмотры: 2553
Изложена методика расчета шероховатости поверхности деталей при несвободном резании инструментом с различной геометрией в плане.
Теги: cutting tool mathematical dependences roughness on working surfaces of the tool turning of materials vibration вибрации математические зависимости режущий инструмент токарная обработка материалов шероховатость на рабочих поверхностях инструмента
На формирование неровностей при обработке резанием существенное влияние оказывают геометрия инструмента, вибрации режущего инструмента и заготовки, пластические и упругие деформации в зоне контакта обрабатываемого материала с инструментом, шероховатость на рабочих поверхностях инструмента, вырыв частиц обрабатываемого материала. Степень влияния каждого фактора в зависимости от условий обработки может меняться. Поэтому обеспечение требуемого качества поверхностного слоя осуществляется на основе математических зависимостей, связывающих технологические условия резания с составляющими шероховатости обработанной поверхности.
При обработке пластичных материалов максимальная высота неровностей обработанной поверхности определяется четырьмя составляющими (рис. 1):
,(1)
где h1 — геометрическая составляющая шероховатости; h2 — шероховатость, вызванная вибрациями; h3 — шероховатость, зависящая от пластической деформации в зоне контакта заготовки и инструмента; h4 — шероховатость режущей кромки инструмента.
Наибольшее влияние на формирование неровностей оказывает геометрия инструмента в плане. В процессе токарной обработки микронеровности образуются следы около вершины инструмента, имеющего определенную геометрическую форму. Для каждого сочетания условий резания требуется своя частная зависимость расчета геометрической высоты неровностей [1].
Для получения общей методики расчета шероховатости для различных геометрических параметров режущей пластины и условий обработки рассмотрим наиболее характерную схему несвободного резания [2] (рис. 2).
Согласно схеме, координаты опорных точек резца и сечения срезаемого слоя определяются по формулам:
(2)
Из геометрического анализа графической модели сечения срезаемого слоя установлено, что координаты крайних точек активного участка режущей кромки , зависят от размера и величины отрезков EN и FN, значения которых находятся по выражениям:
;(3)
при r ≠ 0,
,(4)
при r = 0,
,(5)
где ; s — подача; r — радиус при вершине инструмента; j, j1 — главный и вспомогательный углы в плане.
Если снятие припуска осуществляется при условиях, когда EN ≥ 0, то координаты точки N определяются по формулам:
(6) (7)
Если EN < 0, то в зависимости от FN расчет ведется по формулам:
при FN ≥ 0:
; (8) (9)
при FN < 0:
; (10)
.(11)
Координаты точки M находятся из следующих условий:
если , то
(12)
;(13)
если , то
(14)
.(15)
где t — глубина резания.
По координатам опорных точек находим геометрическую составляющую шероховатости
h1 = yN — yA.(16)
Предложенная методика позволяет легко учесть наклон режущей пластины в державке, а также усложнение геометрии ее привершинной части.
Величина шероховатости h2, обусловленная вибрациями режущего инструмента, определяется по формуле:
,(17)
где cy, ypy, zpy, n, xpy — коэффициенты и показатели степени, зависящие от свойств обрабатываемого и инструментального материалов [3], h1 — исходная высота профиля шероховатости обрабатываемой поверхности; HBmax, HBmin — максимальная и минимальная твердость заготовки; J — жесткость технологической системы.
В результате уширения приконтактных слоев стружки и оттеснения гребешков шероховатости возможно некоторое увеличение образующихся в процессе резания микронеровностей на величину h3, которая определяется по следующим зависимостям
при и , ,(18)
при и , ,(19)
где bo — величина пластического оттеснения, , ôр — прочность на сдвиг обрабатываемого материала, óT — предел текучести обрабатываемого материала, ñ — радиус округления режущей кромки.
Величина шероховатости вершины резца h4 зависит от способа заточки и изношенности пластины. Для неизношенного инструмента из мелкозернистых твердых сплавов принимается [4]: h4 = 0,5 мкм.
Подставив выражения (16–19) в уравнение (1), получим расчетную зависимость определения высоты неровностей обработанной поверхности Rz с учетом технологических условий обработки.
Другие параметры шероховатости могут быть выражены через значение Rz по формулам:
среднеарифметическое отклонение профиля
;(20)
наибольшая высота профиля
;(21)
радиусы кривизны вершин неровностей в продольном и поперечном направлениях (мкм)
; (22)
;(23)
средний шаг неровностей Sm
при , ;(24)
при ,
;(25)
при ,
.(26)
При анализе числовых значений составляющих h1, h2, h3 установлено, что наибольшее влияние на шероховатость оказывает h1. При точении с оптимальной скоростью резания составляющими h2 и h3 можно пренебречь. В этом случае погрешность шероховатости не превышает 15%.
Экспериментальная апробация методики проведена с использованием сменных многогранных пластин производства компании ВИРИАЛ при оптимизации условий резания заготовок, изготовленных из различных сталей и сплавов. На основании полученных данных проведены испытания пластин в условиях производства НПО «Сатурн», которые подтвердили правильность полученных результатов. Выполнены исследования работоспособности пластин форм SNMG, CNMG, DNMG и VNMG при точении жаропрочного сплава ХН77ТЮР.
В настоящее время проводится апробация методики расчета параметров шероховатости на операции фрезерования.
ВЫВОД
Разработана общая методика расчета шероховатости поверхности при несвободном резании инструментом с различной геометрией в плане, позволяющая прогнозировать и подбирать оптимальные условия резания деталей на стадии проектирования технологического процесса и инструментального обеспечения токарной обработки.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Безъязычный В.Ф. Метод подобия в технологии машиностроения. — М.: Машиностроение, 2012. 320 с.
2. Михайлов С.В. Методика расчета параметров сечения срезаемого слоя материала и направления схода стружки с инструмента / С.В. Михайлов, Д.С.Скворцов // Вестник КГТУ. — Кострома: КГТУ. 2004. № 9. С. 60–63.
3. Безъязычный В.Ф. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей / В.Ф. Безъязычный, Т. Д. Кожина и др. — М.: МАИ, 1993. 84 с.
4. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. — М.: Машиностроение, 1987. 208 с.
Станислав Васильевич МИХАЙЛОВ —
доктор технических наук, профессор Костромского государственного технологического университета
Николай Юрьевич КОВЕЛЕНОВ —
кандидат технических наук,
главный технолог ООО «Вириал»
Сергей Викторович БОЛОТСКИХ —
начальник бюро внедрения
и технического сопровождения ООО «Вириал»
При обработке пластичных материалов максимальная высота неровностей обработанной поверхности определяется четырьмя составляющими (рис. 1):
,(1)
где h1 — геометрическая составляющая шероховатости; h2 — шероховатость, вызванная вибрациями; h3 — шероховатость, зависящая от пластической деформации в зоне контакта заготовки и инструмента; h4 — шероховатость режущей кромки инструмента.
Наибольшее влияние на формирование неровностей оказывает геометрия инструмента в плане. В процессе токарной обработки микронеровности образуются следы около вершины инструмента, имеющего определенную геометрическую форму. Для каждого сочетания условий резания требуется своя частная зависимость расчета геометрической высоты неровностей [1].
Для получения общей методики расчета шероховатости для различных геометрических параметров режущей пластины и условий обработки рассмотрим наиболее характерную схему несвободного резания [2] (рис. 2).
Согласно схеме, координаты опорных точек резца и сечения срезаемого слоя определяются по формулам:
(2)
Из геометрического анализа графической модели сечения срезаемого слоя установлено, что координаты крайних точек активного участка режущей кромки , зависят от размера и величины отрезков EN и FN, значения которых находятся по выражениям:
;(3)
при r ≠ 0,
,(4)
при r = 0,
,(5)
где ; s — подача; r — радиус при вершине инструмента; j, j1 — главный и вспомогательный углы в плане.
Если снятие припуска осуществляется при условиях, когда EN ≥ 0, то координаты точки N определяются по формулам:
(6) (7)
Если EN < 0, то в зависимости от FN расчет ведется по формулам:
при FN ≥ 0:
; (8) (9)
при FN < 0:
; (10)
.(11)
Координаты точки M находятся из следующих условий:
если , то
(12)
;(13)
если , то
(14)
.(15)
где t — глубина резания.
По координатам опорных точек находим геометрическую составляющую шероховатости
h1 = yN — yA.(16)
Предложенная методика позволяет легко учесть наклон режущей пластины в державке, а также усложнение геометрии ее привершинной части.
Величина шероховатости h2, обусловленная вибрациями режущего инструмента, определяется по формуле:
,(17)
где cy, ypy, zpy, n, xpy — коэффициенты и показатели степени, зависящие от свойств обрабатываемого и инструментального материалов [3], h1 — исходная высота профиля шероховатости обрабатываемой поверхности; HBmax, HBmin — максимальная и минимальная твердость заготовки; J — жесткость технологической системы.
В результате уширения приконтактных слоев стружки и оттеснения гребешков шероховатости возможно некоторое увеличение образующихся в процессе резания микронеровностей на величину h3, которая определяется по следующим зависимостям
при и , ,(18)
при и , ,(19)
где bo — величина пластического оттеснения, , ôр — прочность на сдвиг обрабатываемого материала, óT — предел текучести обрабатываемого материала, ñ — радиус округления режущей кромки.
Величина шероховатости вершины резца h4 зависит от способа заточки и изношенности пластины. Для неизношенного инструмента из мелкозернистых твердых сплавов принимается [4]: h4 = 0,5 мкм.
Подставив выражения (16–19) в уравнение (1), получим расчетную зависимость определения высоты неровностей обработанной поверхности Rz с учетом технологических условий обработки.
Другие параметры шероховатости могут быть выражены через значение Rz по формулам:
среднеарифметическое отклонение профиля
;(20)
наибольшая высота профиля
;(21)
радиусы кривизны вершин неровностей в продольном и поперечном направлениях (мкм)
; (22)
;(23)
средний шаг неровностей Sm
при , ;(24)
при ,
;(25)
при ,
.(26)
При анализе числовых значений составляющих h1, h2, h3 установлено, что наибольшее влияние на шероховатость оказывает h1. При точении с оптимальной скоростью резания составляющими h2 и h3 можно пренебречь. В этом случае погрешность шероховатости не превышает 15%.
Экспериментальная апробация методики проведена с использованием сменных многогранных пластин производства компании ВИРИАЛ при оптимизации условий резания заготовок, изготовленных из различных сталей и сплавов. На основании полученных данных проведены испытания пластин в условиях производства НПО «Сатурн», которые подтвердили правильность полученных результатов. Выполнены исследования работоспособности пластин форм SNMG, CNMG, DNMG и VNMG при точении жаропрочного сплава ХН77ТЮР.
В настоящее время проводится апробация методики расчета параметров шероховатости на операции фрезерования.
ВЫВОД
Разработана общая методика расчета шероховатости поверхности при несвободном резании инструментом с различной геометрией в плане, позволяющая прогнозировать и подбирать оптимальные условия резания деталей на стадии проектирования технологического процесса и инструментального обеспечения токарной обработки.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Безъязычный В.Ф. Метод подобия в технологии машиностроения. — М.: Машиностроение, 2012. 320 с.
2. Михайлов С.В. Методика расчета параметров сечения срезаемого слоя материала и направления схода стружки с инструмента / С.В. Михайлов, Д.С.Скворцов // Вестник КГТУ. — Кострома: КГТУ. 2004. № 9. С. 60–63.
3. Безъязычный В.Ф. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей / В.Ф. Безъязычный, Т. Д. Кожина и др. — М.: МАИ, 1993. 84 с.
4. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. — М.: Машиностроение, 1987. 208 с.
Станислав Васильевич МИХАЙЛОВ —
доктор технических наук, профессор Костромского государственного технологического университета
Николай Юрьевич КОВЕЛЕНОВ —
кандидат технических наук,
главный технолог ООО «Вириал»
Сергей Викторович БОЛОТСКИХ —
начальник бюро внедрения
и технического сопровождения ООО «Вириал»
Отзывы читателей
