Прогнозирование допустимого износа токарных резцов при точении деталей типа "вал"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Прогнозирование допустимого износа токарных резцов при точении деталей типа «вал»

А.М. Случевский, В.Я. Коршунов

Представлен разработанный расчетно-аналитический способ прогнозирования износа инструмента по задней поверхности при точении деталей сельскохозяйственных машин.

Ключевые слова: точение, силы резания, допустимый износ, точность обработки, прогнозирование, токарные резцы

Точность машин и механизмов, а также многих других изделий машиностроения является важнейшей характеристикой их качества. Повышение точности изготовления машин в условиях мелкосерийного производства имеет большое технико-экономическое значение, поскольку значительная доля выпускаемой продукции приходится на средне- и мелкосерийное производство, которое базируется в основном на использовании станков с программным управлением (ЧПУ) и многоинструментальной наладкой. В процессе обработки при точении деталей происходит износ резцов по задней площадке, что является одним из важных факторов, влияющих на точность изготовления деталей, особенно на станках с ЧПУ.

Фактическая погрешность формы детали (Д_ф), обработанной на каком-либо станке, может быть представлена в общем виде как сумма двух погрешностей: кинетической (Д_к), определяемой точностью изготовления и настройки станка, и динамической (Д_д), которая зависит от упругих деформаций технологической системы под действием сил резания [1]:

Д_ф=Д_к+ Д_д .

Кинетическая погрешность зависит от большого количества разнообразных факторов и, как правило, определяется экспериментально при осуществлении рабочих движений в условиях обработки без снятия стружки. Динамическая погрешность составляет примерно 60-90% Д_ф, поэтому ее необходимо в первую очередь определять расчетным путем.

В настоящее время для определения фактической погрешности диаметра изделия Д_ф.д. при обработке на токарном станке (при точении) используют формулу [1]

(1)

где Р_у - радиальная (нормальная) сила резания, Н; J_д, J_ин, J_ст - жёсткость детали, инструмента и станка (технологической системы),Н/мм.

Жёсткость станка J_ст в формуле (1) является величиной постоянной. Использование основных положений дисциплины «Сопротивление материалов» позволяет достаточно точно устанавливать степень влияния жёсткости детали (J_д) и инструмента (J_ин) на фактическую погрешность обработки. износ точение деталь заготовка

Для прогнозирования погрешности обработки заготовки в зависимости от времени работы резца с учётом роста ширины площадки износа по задней поверхности h₃ и силы резания Р_у предлагается зависимость вида

Д Р_у = К_из h₃ , (2)

где К_из - коэффициент пропорциональности.

Анализ зависимости (2) показал, что она носит эмпирический характер и её применение справедливо для довольно узкого интервала технологических условий обработки. Результаты многих экспериментальных исследований зависимости нормальной силы резания Р_у от величины износа резцов по задней поверхности h_з представлены в виде графиков Р_у =ѓ(h_з).

Исходя из изложенного, можно сделать вывод, что в настоящее время расчётно-аналитический метод прогнозирования изменения погрешности точения заготовок в зависимости от времени работы инструмента развит в недостаточной степени, что является актуальной научно-технической проблемой технологии машиностроения.

Для решения данной проблемы необходимо использовать основные положения теории резания, теории подобия и сопромата.

Затупление режущего инструмента в процессе точения заготовки на универсальном оборудовании и станках с ЧПУ, которые используются при средне- и мелкосерийном производстве, приводит к приращению размера обрабатываемого изделия в связи со значительным возрастанием нормальной силы резания Р_у, что вызывает соответствующее увеличение отжатия и погрешности обработки.

Отжатие У_з, зависящее от метода установки заготовки на станке, можно определить по известным формулам сопротивления материалов [1]. Так, при обтачивании гладкого вала в центрах можно определить величину его прогиба как прогиб балки, свободно лежащей на двух опорах. Наибольший прогиб У_з.m вала длиной L будет наблюдаться при положении резца в середине вала (0,5L).

, (3)

где I - момент инерции сечения заготовки (для вала I=0,05D⁴); Е - модуль упругости.

Аналогичные формулы получены и для других схем базирования.

Максимальный прогиб заготовки У_з.m должен быть меньше или равен половине допуска на заданный размер, т.е. допустимому прогибу У_з.д:

У_з.m ? У_з.д ? допуск/2.

Для повышения точности расчёта погрешности деталей при точении необходимо учитывать две основные силы резания: тангенциальную и нормальную (радиальную) , по которым и определяется изгибающая (равнодействующая) сила резания Р_изг = R_p:

(4)

Допустимая сила Р_{изг. д} (Р_у.д), которая формирует допустимую погрешность обработки заготовки в процессе резания, определяется по формуле (3).

Согласно основным положениям механики процесса резания, тангенциальная (P_z) и радиальная (P_y) силы будут соответственно равны

P_z=R_z+F_з, P_y=R_y+N_з. (5)

Тангенциальная (R_z) и радиальная (R_y) составляющие силы стружкообразования, согласно основным положениям теории резания и теории подобия, определяются соотношениями [2]

, , (6)

где - величина, характеризующая степень пластической деформации металла снимаемого припуска и поверхностного слоя обрабатываемой детали; - угол наклона плоскости сдвига (угол сдвига); S₀ - предел прочности на сдвиг; a₁, b₁ -соответственно длина и ширина среза.

Для определения угла сдвига получено эмпирическое соотношение

,

где HV_o - твёрдость материала заготовки; V_p - скорость резания; д - угол резания.

Сила трения F_з и нормальная сила N_з на задней поверхности инструмента определяются по формулам

F_з=мN_з, N_з=у_тh₃b₁,

где м - коэффициент трения; у_т - физический предел текучести; b₁ - ширина среза; h₃ - ширина площадки износа по задней поверхности.

Подставляя в уравнение (4) развёрнутые зависимости (5), получим соотношение для расчёта изгибающей (равнодействующей) силы резания в зависимости от величины площадки износа по задней поверхности:

. (7)

Анализ зависимости (7) показал, что силы резания P_z, P_y и Р_изг повышаются с увеличением износа резца по задней поверхности h_З.

Ниже представлена формула для прогнозирования допустимого износа резцов по задней поверхности в зависимости от заданной точности обработки при базировании в патроне гладкого вала, поддерживаемого задним центром, с использованием формул (6):

.

Аналогичные зависимости получены и для других схем базирования.

Для проверки полученных теоретических зависимостей на базе инструментальной лаборатории Брянской ГСХА были проведены экспериментальные исследования. Образцы-валики из сталей 45 и 40Х твердостью HB 180 с размерами D = 30 мм, l = 165 мм обрабатывались резцом из твердого сплава Т15К6 на следующих режимах: t = 0,5 мм, S_пр = 0,26 мм/об, n = 1320 мин^-1, V_р = 175 м/мин (без СОТС).

Износ резцов по задней поверхности замерялся через каждые 5 мин с помощью инструментального микроскопа ИМЦЛ 150х50А. Точение проводилось в течение 20 мин. Мощность резания W p замерялась ваттметром Д-365. Критериями точности были приняты бочкообразность, овальность, конусность. Они определялись микрометром с ценой деления 0,001мм по известным методикам. Результаты исследований (рис. 1-4)выявили взаимосвязь износа инструмента и точности обработки деталей.

Экспериментально было установлено, что мощность, силы резания, а также погрешность обработки растут линейно с увеличением износа инструмента по задней поверхности.

Сила резания Р_z определялась по мощности резания W_p из соотношения

.

Сила Р_у =0,4P_z. Изгибающая сила Р_изг рассчитывалась по формуле (4).

Силы резания, как и мощность резания W_P, при заданных режимах обработки имеют линейную зависимость от износа резца по задней поверхности h₃ как для стали 45 (рис. 1), так и для стали 40X (рис. 2). Величины сил резания при обработке образцов, закреплённых в 3 - кулачковом патроне, на 8- 10 % больше, чем при обработке в 3 - кулачковом патроне и заднем центре, так как, на наш взгляд, жёсткость крепления образца в 3 - кулачковом патроне снижается по сравнению с другим способом крепления, поэтому растёт биение и соответственно припуск на обработку. Это увеличивает силы резания и мощность обработки. Так как силы резания Р_Z , Р_У определялись по мощности W_P, все изложенное можно отнести и к зависимости сил резания от износа инструмента.

Анализ представленных на рис. 3 и 4 зависимостей показал, что наибольшая погрешность обработки по овальности Д_ОВ наблюдается в центре образца, а в сечениях у заднего центра и 3 - кулачкового патрона она значительно меньше (примерно на 45 - 50%). Это объясняется снижением жёсткости базирования заготовки в её центре. Наибольшая погрешность после точения образца получена по бочкообразности Д_{боч .} Она в 2,1 - 2,3 раза больше , чем овальность в центре образца. Это явление можно также объяснить указанной причиной. Анализ рис. 4 показал наибольшую погрешность обработки в виде овальности Д_ОВ на торце детали , а наименьшую - у 3 - кулачкового патрона. Разница составляет примерно 40 - 50%. Конусность Д_кон наблюдается от торца образца к 3 - кулачковому патрону. Это также объясняется увеличением жесткости крепления у 3 - кулачкового патрона, что, в свою очередь, вызывает уменьшение колебаний и увеличение съёма припуска при резании образца.

Итак, разработан расчетно-аналитический метод прогнозирования допустимого износа резцов по задней поверхности в зависимости от точности обработки. Сравнение теоретических и экспериментальных данных показало хорошую сходимость: коэффициент парной корреляции составил r_к = 0,85…0,93.

Список литературы

1. Маталин, А.А. Точность механической обработки и проектирование технологических процессов / А.А.Маталин. - Л.: Машиностроение, 1970.

2. Силин, С.С. Метод подобия при резании материалов / С.С.Силин. - М.: Машиностроение, 1979. - 175 с.

Размещено на Allbest.ru