Синтез вихрових головок з пружно-демпфуючими елементами

Актуальність теми. В сучасному машинобудуванні для високопродуктивного фрезерування гвинтових поверхонь застосовуються вихрові головки, різальними інструментами яких є різці, оснащені твердосплавними пластинами. При роботі відомими вихровими головками мають місце перевантаження різців в момент їх врізання в тіло заготовки, що зменшує їх стійкість. Оснащення вихрових головок пружно-демпфуючими елементами (ПДЕ) дозволяє знижувати рівень динамічних перевантажень і завдяки цьому підвищувати стійкість різців. Тому створення ефективних засобів проектування вихрових головок, які оснащені ПДЕ, а саме структурно-схемного синтезу, методик розрахунку, алгоритмів і програмних засобів, а також теоретичне і експериментальне дослідження цих головок є актуальною задачею, успішне розв'язання якої дозволить підвищити довговічність різців вихрових головок і таким чином забезпечити економію дорогих інструментальних матеріалів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи пов'язана з дербюджетною темою ДІ 40-94, номер держреєстрації №0194U030608 "Розробка високопродуктивних різальних інструментів для обробки плоских, циліндричних і гвинтових поверхонь і дослідження їх продуктивності".

фрезерування різець вихровий гвинтовий

У вступі обґрунтована актуальність задачі досліджень, сформульована мета, визначено основні завдання, показана наукова новизна та апробація матеріалів роботи, коротко викладено зміст дисертації.

У першому розділі дано аналіз вітчизняних і зарубіжних публікацій з питань синтезу різальних інструментів, верстатно-інструментального оснащення, динаміки процесу різання і стійкості різальних інструментів. Відмічені роботи Родіна П.Р., Равської Н.С., Грановського Г.І., Гречішнікова В.А., Іноземцева Г.Г., Кірсанова Г.Н., Решетова Д.М., Андреєва Г.С., Розенберга О.М., Розенберга О.О., Кудінова В.О., Орликова М.Л., Кузнєцова Ю.М., Нагорняка С.Г., Анельчика Д.Є., Луціва І.В., Зеленського К.В., Ковальчука С.С., Віксмана Є.С., Лєвіна Б.Г. і ін. В області конструювання вихрових головок відзначені авторські свідоцтва СРСР №№568509, 650743, 686837, 768579, 841823, 1593804 та зарубіжні патенти DD№215718 (НДР), DE№3245174, DE№3232282 (ФРН).

В результаті проведеного аналізу встановлено, що:

1) процес вихрового фрезерування гвинтових поверхонь супроводжується інтенсивними ударними навантаженнями, які спричинюють періодичні перевантаження різців, що є однією з основних причин поломок і викришувань їх різальних пластин;

2) знижувати рівень динамічних навантажень в зоні різання і таким чином підвищувати довговічність різців можна шляхом застосування вихрових головок, які оснащені ПДЕ, так як вони забезпечують регулювання кінематики лезової обробки.

Висновки проведеного аналізу дозволили сформулювати мету і задачі дослідження і перейти до їх виконання.

У другому розділі викладено результати аналізу геометричних параметрів зрізу та динаміки взаємодії інструменту і заготовки при вихровому фрезеруванні гвинтових поверхонь.

При обробці гвинтової поверхні вихровою головкою, яка оснащена різцями повного профілю, зріз має специфічну серпоподібну форму. Виведено і приведено у вигляді розрахункового алгоритму аналітичні залежності товщини a і площі f поперечного перерізу зрізу від кутового положення різця відносно заготовки. Вони дозволили встановити, що графіки зміни товщини і площі поперечного перерізу зрізу мають різний характер, а також те, що час настання амплітудних значень і названих величин є різний. Крім того, використання запропонованого алгоритму дозволяє підвищити точність визначення на 10-20%.

Вихрове фрезерування гвинтових поверхонь характеризується ударами різців об заготовку. На величину ударів, поряд із іншими чинниками, впливають пружні, демпфуючі та інерційні властивості окремих елементів системи ВПІД. У зв'язку із розглядом вихрових головок, які оснащені ПДЕ, виникла потреба теоретично дослідити, як кількісно і якісно впливають параметри ПДЕ та місце їх розташування в вихровій головці на удари в процесі різання.

У вихровій головці, яка оснащена ПДЕ, різець 2 може переміщуватися відносно шпинделя 3, причому робоче зусилля передається із шпинделя на різець через ПДЕ, який характеризується коефіцієнтом жорсткості та коефіцієнтом демпфування . В положені П 1 різець починає взаємодіяти із заготовкою 1 (податливість заготовки і елементів її кріплення виражена пружним зв'язком з коефіцієнтом жорсткості ). На різець діє зі сторони заготовки сила опору шару металу, що зрізається, яка досягає максимуму в положенні П 2, коли площа поперечного перерізу зрізу найбільша і дорівнює . Інерційні властивості різця і шпинделя вихрової головки виражено тілами з масами відповідно і . Сила, з якою привід діє на шпиндель вихрової головки, дорівнює .

На основі розгляду енергетичного балансу системи для положень різця П 1 і П 2 виведено формулу для визначення коефіцієнта динамічності :

При постійних вхідних даних , , , , , , , , які відповідають дослідному взірцю вихрової головки і режимам її роботи, , якщо змінні вхідні параметри і набувають значень із наступних діапазонів: ; =. При цьому менший при менших значеннях і . Для випадку жорсткої вихрової головки, в якій відсутній ПДЕ, при аналогічних вхідних даних .

Таким чином, теоретично доведено, що поділ рухомої частини вихрової головки на два елементи і розташування між ними ПДЕ дозволяє проводити регулювання кінематики лезової обробки і завдяки цьому знижувати коефіцієнт динамічності, тобто рівень динамічних навантажень на леза різальних інструментів. При цьому з точки зору ефективності потрібно використовувати ПДЕ з меншими коефіцієнтами жорсткості, а поділ рухомої частини вихрової головки на два елементи виконувати таким чином, щоб той елемент, який розташований ближче до місця удару (зони різання), мав нижчі інерційні властивості.

У третьому розділі подано результати багатоваріантного структурно-схемного синтезу, покращені схеми, а також методи розрахунку вихрових головок, які оснащені ПДЕ.

Багатоваріантний структурно-схемний синтез вихрових головок базується на використанні системного підходу і ефективних методів пошуку нових технічних рішень. Його можна розглядати як виконання наступних етапів:

поперечний розтин шпинделя вихрової головки на дві частини і з'єднання їх за допомогою пружної ланки з підвищеним демпфуванням - ПДЕ; всі різці прикріплюються до однієї з новоутворених частин кільцеподібного різцетримача;

поздовжний розтин кільцеподібного різцетримача на парне число дугоподібних частин (чотири або більше); кожна друга частина усувається; до кожної із частин, які залишилися, прикріплюється один або декілька різців, тобто ці частини перетворюються у дугоподібні різцетримачі; між кожним різцетримачем і шпинделем, як і у попередньому випадку, наявний пружний зв'язок;

синтез можливих варіантів форм різцетримачів, прикріплення різців до різцетримачів, розташування ПДЕ та ін.;

занесення синтезованих і існуючих до теперішнього часу схем варіантів виконання окремих елементів вихрових головок у морфологічні таблиці;

компонування раціонального варіанту вихрової головки на основі перебору варіантів схем, які містяться у морфологічних таблицях, та вибору найкращих із них, виходячи із вимог, які стоять перед проектувальником.

В таблиці 1 подано результати синтезу схем окремих елементів вихрових головок, різцетримачі яких мають розімкнену форму. Різцетримачі можуть бути без пазу (А 1), з пазом (А 2), прямі (Б 1) і дугоподібні (Б 2). Базуючими елементами різцетримачів можуть бути листові пружини (В 1) або напрямні різних типів: зовнішні (В 21) або внутрішні (В 22), ковзання (В 221) або кочення (В 222). Різними можуть бути також варіанти розташування різця: він може бути прикріплений на початку (Г 1), посередині (Г 2) або в кінці (Г 3) різцетримача. Радіус r розташування ПДЕ може дорівнювати (Д 1) або бути меншим (Д 2) від середнього радіусу r розташування різцетримача.

В таблиці 2 подано результати синтезу схем окремих елементів вихрових головок, різцетримачі яких мають замкнену (кільцеподібну) форму. Різцетримач може базуватись за допомогою однієї (А 1) або двох (А 2) опор (підшипників) ковзання (Б 1) або кочення (Б 2), причому одне з кілець підшипника може бути зафіксоване або у нерухомому корпусі (В 1), або у шпинделі (В 2), обертаючись разом із ним. Опори різцетримача можуть розташовуватися або всередині (Г 1), або збоку (Г 2) по відношенню до опор шпинделя. ПДЕ можуть знаходитись або зовні (Д 1), або всередині (Д 2), або збоку (Д 3) різцетримача. Ведений шків клинопасової передачі, через який надається обертання шпинделю вихрової головки, може бути або зі сторони різцетримача (Е 1) (в зоні передньої частини шпинделя), або з протилежної до різцетримача сторони (Е 2) (в зоні задньої частини шпинделя).

Структура схем, які приведені в таблицях 1 і 2, дозволяє швидко переглянути різні варіанти виконання окремих елементів вихрових головок, оцінити переваги і недоліки кожного із них, що дає можливість в конкретному випадку при проведенні техніко-економічного аналізу вибрати найкращі варіанти схем і в кінцевому підсумку спроектувати найраціональнішу вихрову головку, яка оснащена ПДЕ.

Розглянемо декілька запропонованих варіантів вихрових головок.

Вихрова головка з різцетримачами розімкненої форми містить різці 1, які запресовані у різцетримачі 2. Напрямними різцетримачів є циліндричні і торцьові поверхні кілець 3 і 4. Переміщення різцетримачів в коловому напрямку обмежується упорами 5 через головні 6 і допоміжні 7 ПДЕ. Упори 5 і кільце 4 прикріплені гвинтами 8 до торця шпинделя вихрової головки, причому посадка кільця здійснюється по конічній поверхні. У циліндричній частині кільця 3 виконано наскрізні пази, в яких можуть вільно переміщуватися різці. Кільця 3 і 4 з'єднані гвинтами. Описана конструкція відзначається простотою і дозволяє ефективно знижувати рівень ударів при різанні.

Вихрова головка з кільцеподібним різцетримачем містить різцетримач 1, до якого прикріплені три різці і який встановлено у внутрішнє кільце підшипника 2, який в свою чергу розміщено у кільці 3, яке прикріплене до шпинделя 4. Однорядний радіальний кулькопідшипник 2 є напрямним вузлом різцетримача 1 для переміщення його в коловому напрямку. Провертання різцетримача відносно шпинделя обмежується упорами 7 через допоміжний 5 і головний 6 ПДЕ. Захист підшипника від стружки і пилу здійснюється з однієї сторони лабіринтним, а з іншої сторони - сальниковим ущільненням, а вибирання радіального проміжку в ньому - за допомогою посадки з натягом різцетримача 1. Описана конструкція відзначається високою надійністю і ремонтоздатністю.

Вихрові головки, які оснащені ПДЕ, містять специфічні вузли, для розрахунку яких запропоновано відповідні методики. Розглянемо одну із них.

У вихровій головці з різцетримачами розімкненої форми центральний кут , який визначає місце прикріплення різця 1 до різцетримача 2, може приймати довільне значення з діапазону . Проте якщо зауважити, що найбільш завантаженими точками різцетримача є його крайні точки А і С, то з метою підвищення довговічності циліндричних контактних поверхонь різцетримача кут повинен бути таким, щоб їх зношування в точках А і С було рівномірним. Іншими словами, необхідно знайти таке значення кута , при якому навантаження на різцетримач в точках А і С однакове. Для знаходження кута складено систему рівнянь рівноваги блоку різець 1 - різцетримач 2 відносно корпусу 3.

Розв'язування системи у поєднанні з тотожностями і при невідомих , і дозволяє визначити раціональне значення центрального кута прикріплення різця до різцетримача (тут - реакції напрямних різцетримача в точках відповідно А і С, - реакція ПДЕ, коефіцієнт лінійної жорсткості якого дорівнює , на дію різцетримача).

В загальному теоретичні положення, які викладені в третьому розділі, є базою для створення великої кількості варіантів вихрових головок, які оснащені ПДЕ. Вони дозволяють переглянути і проаналізувати різні схеми окремих елементів цих головок і в результаті вибрати найраціональніші із них, виконати їх розрахунок, тобто одержати вичерпну технічну інформацію для підготовки робочих креслень промислових взірців. Зокрема, вони стали основою для проектування натурного взірця вихрової головки, про дослідження якого йдеться в наступному розділі.

У четвертому розділі описано експериментальні дослідження натурного взірця вихрової головки, яка оснащена ПДЕ, та подано їх результати.

В якості основних дослідних параметрів виступали тангенціальна складова сили різання і період стійкості різців. На різець відповідним способом наклеювались тензорезистори, які під'єднувались через рухомі контакти до вимірювального кола. Результати вимірювань показали, що передавання основної потужності різання на різець через ПДЕ сприяє зниженню рівня ударів. Зокрема, під час нарізання різі марки М 364 на заготовці з конструкційної сталі при використанні для передавання потужності пружно-демпфуючого елемента з коефіцієнтом кутової жорсткості величина імпульсу сили різання, який викликаний співударом різця і заготовки, в 2.1 рази менша, ніж при інших однакових умовах для випадку вихрової головки, в якій ПДЕ відсутній.

Експериментальні результати з визначення періоду стійкості різців, які наведено у вигляді графіків на рис.6, свідчать про наступне: різці вихрової головки, яка оснащена ПДЕ (проектний варіант), мають в 1.52.7 рази більший період стійкості Т, ніж різці аналогічної звичайної (у якій немає ПДЕ, базовий варіант) вихрової головки (більші значення при застосуванні ПДЕ, у яких коефіцієнт кутової жорсткості менший). Встановлено також, що оснащення вихрових головок пружно-демпфуючими елементами мало впливає на період зносостійкості різців по задній поверхні, проте сприяє підвищенню періоду їх зломостійкості (практично до повного усунення поломок і викришувань різальних лез).

Таким чином, експериментально підтверджено теоретичні результати, які наведено в другому розділі: вихрова головка, яка оснащена ПДЕ, працює з меншими ударами при врізанні різців в тіло заготовки. Підтверджено також прийнятність методів структурно-схемного синтезу і розрахунку, які описані в третьому розділі, так як під час виконання експериментів натурний взірець вихрової головки показав добру працездатність. Крім того, дослідним шляхом доведено корисну для практики з точки зору економії стратегічних матеріальних ресурсів технічну перевагу запропонованої вихрової головки, яка полягає в тому, що вольфрамомісткі твердосплавні різці, які встановлені у ній, працюють довше, ніж у звичайній вихровій головці.