Влияние вылета резца и глубины резания при токарной обработке на качество поверхностного слоя деталей машин

Полный текст

Введение[*] В настоящее время существуют различные способы изготовления деталей машин и механизмов, основным параметром геометрической точности которых является шероховатость - совокупность неровностей, образующих микрорельеф поверхности изделия в силу пластической деформации заготовки при ее обработке из-за трения и вибрации об инструмент, вырывания частиц материала с поверхности, неровностей режущих кромок резца [1; 2]. На процесс образования поверхностного слоя оказывает влияние совокупность одновременно действующих факторов, к основным из которых можно отнести методы обработки, тип и состояние технологической оснастки, физико-механические характеристики обрабатываемых заготовок, режимы резания (подача, глубина и скорость резания, частота вращения шпинделя, длина вылета резца из резцедержателя, мощность и сила резания), геометрические способности режущих пластин инструмента, их режущие свойства, жесткость технологической системы, способность поглощать энергию вибрации (демпфирующая способность), наличие и качество смазочно-охлаждающих технологических средств и многое другое [1-7]. Шероховатость поверхности имеет преобладающее влияние на такие эксплуатационные свойства деталей, как износостойкость трущихся поверхностей, усталостная прочность, устойчивость к коррозии, поэтому данный параметр геометрической точности в технической характеристике изделия имеет важное значение в оценке его качества [8; 9]. 1. Подготовка к эксперименту В работе исследовано влияние глубины резания и вылета резца на шероховатость поверхности. В качестве режущего инструмента использовался токарный проходной резец PCLNR2525M12 со сменными пластинами из твердого сплава Т15К6 (рис. 1) [10]. Рис. 1. Резец для наружного точения PCLNR2525M12 (автор 3D-чертежа - К.Б. Дейнова) [Figure 1. External turning tool PCLNR2525M12 (author of the 3D drawing - Kristina B. Deinova)] В качестве обрабатываемых заготовок применялись стальные цилиндрические заготовки диаметром D = 40 мм (марка стали - 30). Обработка заготовок проводилась на токарно-винторезном станке модели 16К20 при трех различных глубинах резания t1 = 0,4 мм, t2 = 1 мм и t3 = 1,5 мм. В резцедержателе резец закреплялся двумя болтами. Скорость подачи и частота вращения шпинделя на протяжении всего эксперимента не изменялись и были равны s = 0,1 мм/об, n = 1000 об/мин соответственно. Фактическая скорость резания равнялась (1) Стружкообразование при резании материалов осуществляется под действием силы резания P, которую принято раскладывать на направленные по осям координат составляющие: тангенциальную Pz, радиальную Py и осевую Px [11; 12], связанные между собой соотношениями Py = (0,25 - 0,5)Pz, Px = (0,1 - 0,25)Pz. Многочисленными исследованиями установлено, что в большинстве случаев сила резания примерно равна тангенциальной составляющей: Pz ≈ 0,9P, именно поэтому практические расчеты проводились по силе Pz [11]. Сила резания Pz определялась по формуле [11] (2) По полученным значениям тангенциальной силы и соответствующим им режимам резания (глубине и скорости резания, а также величине подачи) определялась мощность резания (табл. 1): (3) Таблица 1 Зависимость тангенциальной силы и мощности от глубины резания [Table 1. Dependence of tangential force and power on the depth of cut] Глубина резания, мм [Cutting depth, mm] t 0,4 1 1,5 Тангенциальная составляющая силы резания, н [Tangential cutting force, n] Pz 874 2185 3277 Мощность резания, кВт [Cutting power, kW] N 1,8 4,5 6,7 2. Исследование отклонения резца методом компьютерного моделирования Средствами системы трехмерного моделирования КОМПАС-3D и APM FEM произведен статический расчет для пяти вылетов (длина первого вылета равнялась 35 мм, остальные выполнены с шагом 10 мм). Резец, размеры державки которого составляют 25×25 мм, крепился в поворотном резцедержателе двумя болтами диаметром 16 мм. Ко всем поверхностям созданной 3D-модели резца, прикладывалась температура, равная 20 °С. Резец крепился в поворотном резцедержателе двумя болтами, следовательно, для проведения анализа в качестве совпадающих задавались три поверхности (рис. 2). При закреплении резец соприкасается верхней гранью державки с болтами (расстояние от рабочей части резца до первого болта - 38 мм), а нижней - с самим резцедержателем (расстояние от головки резца - 30 мм). В качестве величины вектора нагружения выбирались силы резания, указанные в табл. 1, материал образца - сталь. Рис. 2. Установка закреплений [Figure 2. Installation of fixtures] На последнем этапе построения модели задавались совпадающие поверхности и создавалась конечно-элементная сетка. Модель резца разбивалась на четыре узловые тетраэдры. Параметры операции выбирались из практических соображений: максимальное значение длины стороны элемента - 0,5, коэффициент сгущения на поверхности - 1 и коэффициент разрежения в объеме - 1,5. Полученное количество конечных элементов разбиения было равно 5861, узлов - 1896. С целью выявления зависимости между длиной вылета резца и глубиной резания от отклонения инструмента из резцедержателя выполнялся статический расчет. Количество выбранных системой элементов равнялось 6235 (1896 узлов), степеней свободы - 5688 (443) [13]. Результат анализа пятого вылета резца с наибольшей силой резания представлен на рис. 3. Приведенные карты построены в виде изообластей (количество изоуровней - 16) на основе деформированной конструкции, при это значения в узлах усреднены. Масштабный коэффициент (коэффициент масштабирования перемещений для отрисовки деформированной конструкции) равен 100. Для стержней, пластин и объемных элементов выбирались суммарные линейные параметры перемещений (USUM). Рис. 3. Деформированная конструкция резца при пятом вылете и глубине резания 1,5 мм [Figure 3. Deformed design of the tool with fifth overhang and the depth of cut of 1.5 mm wound] Таблица 2 Зависимость тангенциальной силы и мощности от глубины резания [Table 2. Dependence of tangential force and power on cutting depth] Положение резца [Tool overhang] Глубина резания t, мм [Cutting depth, mm] Сила резания p, н [Cutting force, n] Линейные перемещения, мм [Linear displacement, mm] 1 0,4 874 0,003497 1,0 2185 0,008553 1,5 3277 0,012990 2 0,4 874 0,003657 1,0 2185 0,008960 1,5 3277 0,013710 3 0,4 874 0,004710 1,0 2185 0,011660 1,5 3277 0,017660 4 0,4 874 0,006663 1,0 2185 0,016500 1,5 3277 0,024980 5 0,4 874 0,008895 1,0 2185 0,022240 1,5 3277 0,033350 Зависимости полученных линейных перемещений от величины снимаемого слоя с заготовки и длины вылета инструмента из резцедержателя представлены в табл. 2. Проведенный статический анализ напряженно-деформированного состояния резца при разных вылетах резца и силах резания показал, что линейные перемещения находятся в прямой зависимости от вылета резца и глубины снимаемого слоя. Следовательно, наибольшей линейной деформации 33,35 мкм резец был подвержен при глубине резания 1,5 мм, которой соответствует сила резания 3277 Н, и пятом вылете резца (рис. 3). Дополнительно при выводе результатов расчета для демонстрации заметных линейных перемещений были визуализированы деформированное и недеформированное состояние резца (рис. 4). Масштабный коэффициент выбран равным 100, чтобы более наглядно показать появляющийся под действием напряжений прогиб инструмента. Рис. 4. Конструкция резца до и после деформации [Figure 4. Tool design before and after deformation] Зависимость между линейными перемещениями, возникающими в процессе резания, длиной вылета инструмента и глубиной снимаемого слоя представлена на рис. 5. Разница максимальных и минимальных значений отклонений инструмента при t = 0,4 мм составляет 5 мкм, при t = 1 мм - 15 мм, при t = 1,5 мм - 16 мкм. Такое распределение значений отклонений по глубинам резания связано с положением инструмента в резцедержателе: при первом вылете державка всей своей гранью соприкасалась с резцедержателем, что незначительным образом сказывалось на отклонении инструмента. Из графика видно, что при каждой из рассмотренных длин вылета инструмента из резцедержателя суммарные отклонения возрастают с увеличение глубины резания. Однако при первом вылете инструмента линейные перемещения с возрастанием величины снимаемого слоя изменялись незначительно: разница линейных перемещений при t = 1 мм и t = 0,4 мм примерно равна разнице линейных перемещений при t = 1,5 мм и t = 1 мм и составляет 5 мкм. Иная ситуация обстоит с максимальным вылетом резца. Разница линейных перемещений при t = 1 мм и t = 0,4 мм равна 15 мкм, а при t = 1,5 мм и t = 1 мм инструмент подвергался меньшей линейной деформации (6 мкм). Объясняется это стремлением к установившейся упругой деформации, связанной с механическими характеристиками материала. Иначе говоря, при достижении определенного значения линейных перемещений резец стал сопротивляться действующим на него нагрузкам с целью недопущения наступления пластического деформирования его конструкции. Рис. 5. График зависимости отклонения инструмента от его вылета и глубины резания [Figure 5. Graph of the deviation of the tool from its overhang and depth of cut] По полученным данным можно сделать вывод, что длина вылета резца и глубина снимаемого слоя с заготовки значительно влияет на отклонение инструмента, то есть по мере увеличения длины вылета инструмента и глубины резания возрастают отклонения инструмента в резцедержателе. 3. Исследование влияния вылета резца на шероховатость обработанной поверхности Для подтверждения прямой зависимости между качеством поверхностного слоя и режимами резания контактным способом с помощью профилометра измерялись параметры шероховатости (рис. 6) [9]. По полученным данным можно сделать вывод, что вылет резца значительно влияет на шероховатость поверхности при обработке стали марки 30. При этом с увеличение длины вылета резца от 0 до 50 мм параметры шероховатости поверхности увеличиваются на 30-40 % (рис. 6, а). Видимое резкое увеличение шероховатости при глубине резания 1,5 мм с первым и третьим вылетами резца объясняется тем, что при обработке заготовок возникала сливная лентообразная путанная стружка, которая при отводе из зоны резания обвивала обработанную поверхность, тем самым царапая ее [14]. Влияние глубины резания на шероховатость поверхности имеет прямо пропорциональную зависимость, что подтверждается в работах [1; 15]. Аналогичные зависимости наблюдаются и для Rz. Поскольку данный параметр применяется для нормирования неровностей значительно реже, то более подробная оценка зависимостей для него не проводилась. a б Рис. 6. Графики зависимости параметров шероховатости Ra и Rz от вылета инструмента и глубины резания: a - для параметра Ra; б - для параметра Rz [Figure 6. Graphs of roughness parameters Ra and Rz depending on tool overhang and depth of cut: a - for parameter Ra; б - for parameter Rz] Для устранения влияния сливной стружки на шероховатость поверхности было использовано прерывистое резание, то есть чередование процесса резания (стружкообразования) и холостого хода: стружка дробилась на мелкие и легкоудаляемые компоненты. Данный метод резания позволил получить более подходящие для построения графика значения шероховатости (рис. 7). По графику видно, что отношение максимального значения шероховатости к минимальному при t = 0,4 мм составляет 1,3, при t = 1 мм - 1,1, при t = 1,5 мм - 1,2. Данные отношения показывают, что влияние вылета инструмента на шероховатость поверхности при разных глубинах резания неравномерно. Так как при проведении исследования геометрические параметры режущего инструмента (например, углы резца и радиус скругления режущего клина), режимы резания и материалы заготовки и токарной пластины не менялись, то основное влияние на образование неровностей оказывала вибрация, возникающая в процессе обработки в зоне контакта заготовки и инструмента. При этом в ходе многочисленных экспериментов установлено, что шероховатость улучшается при уменьшении вибрации, которая в свою очередь будет тем ниже, чем больше скорость резания, размер поперечного сечения режущего инструмента, жесткость технологической системы и меньше глубина резания, подача и вылет [1; 4; 6]. Рис. 7. График зависимости параметра шероховатости Ra от вылета инструмента и глубины резания при прерывистом резании [Figure 7. Graph of the roughness parameter Ra versus tool overhang and depth of cut with intermittent cutting] По полученным данным можно сделать вывод, что с увеличением длины вылета инструмента возрастает амплитуда колебаний, что и повышает шероховатость поверхности [16; 17]. Заключение Следует отметить, что качество поверхностного слоя улучшается с уменьшением вибрации в зоне контакта заготовки и инструмента. В свою очередь на возникновение вибраций влияют многочисленные факторы, такие, например, как глубина резания и вылет резца. С ростом величины снимаемого с заготовки слоя и длины вылета инструмента наблюдается возрастание значений параметров шероховатости, а следовательно, ухудшается качество поверхностного слоя. Помимо этого, важно подчеркнуть, что возрастание значений вышеупомянутых режимов резания негативным образом сказывается и на возникновении линейных перемещений (отклонениях резца в резцедержателе). Иначе говоря, от глубины резания и вылета резца напрямую зависят прочность и износостойкость инструмента, а также качество обработки деталей.

Об авторах

Дмитрий Геннадьевич Алленов

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: allenov-dg@rudn.ru

ассистент департамента машиностроения и приборостроения Инженерной академии РУДН; кандидат технических наук

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Кристина Борисовна Дейнова

Российский университет дружбы народов

Email: allenov-dg@rudn.ru

студентка 3-го курса бакалавриата департамента машиностроения и приборостроения Инженерной академии РУДН

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Сергей Викторович Соломатин

Российский университет дружбы народов

Email: allenov-dg@rudn.ru

студент 2-го курса магистратуры департамента машиностроения и приборостроения Инженерной академии РУДН.

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Ольга Игоревна Лазаренко

Российский университет дружбы народов

Email: allenov-dg@rudn.ru

студентка 2-го курса магистратуры департамента машиностроения и приборостроения Инженерной академии РУДН.

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Список литературы