совершенствование чистовой обработки валов конструкторско-технологическими методами

 

Карпов А.В., Зелинский В.В. (МИ ВлГУ, г. Муром, РФ)

 

This paper gives rational geometrical and cinematic parameters of final metal working with blade tools in machine-building.

 

В машиностроении часто требуется проводить чистовую механическую обработку протяженных поверхностей вращения. Примером может служить точение торсионных валов, решающее две задачи:

1) размерное формообразование наружной цилиндрической поверхности;

2) повышение долговечности вала по критерию усталостной прочности.

Первая задача связана с обеспечением формы, размеров и расположения поверхности относительно конструкторских баз в соответствии с чертежом. Значимость второй задачи объясняется причинами выхода из строя торсионных валов, воспринимающих в процессе эксплуатации циклически повторяющиеся нагрузки. Как известно, усталостную прочность детали во многом определяют геометрические показатели поверхностного слоя: чем меньше высота неровностей  (шероховатость) и высота волнистости  поверхности, тем выше усталостная прочность.

У пластин токарных резцов общепринятых конструкций радиус при вершине составляет  мм, поэтому вершину обычно рассматривают как «производящую точку», работающую методом следа: в главном движении (вращении) эта точка материализует направляющую, а в движении подачи – образующую линии цилиндрической поверхности вала. Траекторией результирующего движения вершины является винтовая спираль, между витками которой в продольном сечении остаются участки необработанного металла (остаточные гребешки). Высота неровностей , мкм, связана с величиной подачи на оборот s, мм/об, и радиусом , мм, выражением

.                                          (1)

Поэтому в технологической практике для уменьшения высоты неровностей на обработанных поверхностях вынуждены прибегать к снижению скорости подачи, т.е. к фактическому недоиспользованию ресурса режущего инструмента по прочности и стойкости. Таким образом, вершина является наиболее слабым элементом резца.

Повышение величины s, а, следовательно, и производительности, становится возможным в случае увеличения площади контакта режущего лезвия и заготовки. Одним из возможных конструкторских решений является замена производящей точки (вершины) на совокупность «производящих точек» – отрезок режущей кромки инструмента. Примером служит безвершинный резец, базовая конструкция которого приведена на рисунке 1а.

 

а   б

 

Рисунок 1 – Конструкции безвершинных резцов: а – базовая конструкция; б – конструкция резца с регулируемым углом наклона кромки

 

В контакте с заготовкой находится не точка, а определенная часть режущей кромки безвершинного резца; крайние точки кромки (мнимые вершины) в резании не участвуют. Разность высот  мнимых вершин и длина проекции кромки b обеспечивают наклон режущей кромки в плоскости резания относительно оси заготовки на угол

.                                         (2)

Безвершинный резец можно рассматривать как предельное конструктивное исполнение обычного (вершинного) резца, когда радиус . При этом меняется метод формообразования поверхности детали – от метода следа, для которого справедлива формула (1), к методу касания, дающему следующую зависимость параметра шероховатости , мкм, от технологических факторов:

,                      (3)

где D – диаметр заготовки, мм.

Сложнее обстоит дело с прогнозированием волнистости поверхности вала, обработанного безвершинным резцом. Для установления связей высоты волнистости с технологическими факторами безвершинного точения в Муромском институте ВлГУ проведена серия экспериментов. Заготовкой являлся круглый прокат диаметром  мм из стали 45Х. Безвершинные резцы оснащались пластиной из твердого сплава Т15К6 и затачивались с углами , . В качестве управляемых технологических факторов были приняты: подача s, глубина резания t, скорость резания v и угол наклона кромки λ. Показатель волнистости , мкм, измеряли после каждого опыта с помощью индикатора с ценой деления 1 мкм, который перемещали вдоль по обработанной поверхности детали, закрепленной в центрах. Высота волнистости рассчитывалась как разность между предельными показаниями индикатора. Результаты измерений подвергались статистической обработке на ЭВМ в среде MathCAD. Полученные зависимости приведены на рисунках 2-5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 – Зависимость высоты волнистости от скорости подачи при безвершинном точении

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 – Зависимость высоты волнистости от глубины резания при безвершинном точении

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 – Зависимость высоты волнистости от скорости резания при безвершинном точении

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5 – Зависимость высоты волнистости от угла наклона режущей кромки при безвершинном точении

 

Для плавного регулирования величины угла λ можно применить конструкцию резца, показанную на рисунке 1б. Регулирование осуществляется путем поднятия или опускания державки резца, что позволяет вводить в зацепление различные участки криволинейной режущей кромки, например участки с точками А, В, С. В настоящее время ведется промышленная апробация и патентование данной конструкции.

Анализ результатов экспериментов показывает, что безвершинный резец позволяет получать приемлемые значения высоты волнистости на режимах резания, значительно (до 10 раз) превышающих таковые для вершинных резцов. Таким образом, опробован метод повышения производительности и обеспечения качества при чистовой механической обработке валов.