Повышение производительности и качества обработки тел вращения из титановых сплавов методом высокоскоростного фрезерования и фрезоточения

В первой главе проведен сравнительный анализ высокопроизводительных методов обработки труднообрабатываемых материалов, способных достичь высокого качества поверхности (Ra 2,5-1,25). Установлено, что эффективность применения механических методов обработки повышается за счет введения дополнительных источников энергии (вибрация, нагрев заготовки, охлаждение инструмента) в зону резания, использования СОТС, разработки новых способов и схем обработки (ВСР), разработки новых инструментальных материалов с высокими эксплуатационными свойствами. Одним из перспективных направлений современного машиностроения является ВСР, т. к. высокие режимы резания способны увеличить производительность процесса, повысить точность и качество изготавливаемой продукции. Но реализация данной технологии применительно к телам вращения, имеющим асимметрию, затруднительна из-за невозможности вращать такие детали с высокой скоростью по причине возникающего дисбаланса. Переход от токарной операции к фрезоточению позволяет решить эту проблему, т. к. скорость резания будет зависеть от скорости вращения инструмента.
Во второй главе исследуется процесс формообразования деталей тел вращения на основе построения кинематико-геометрической модели. При обработке валов из ТС точением возникают проблемы, связанные с низкой производительностью, образованием сливной стружки в процессе резания, что снижает стойкость режущего инструмента, качество и точность обрабатываемой поверхности.

Рис. 1. Кинематика резания токарным резцом. nД – число оборотов детали, S – подача, t – глубина резания, Rz – высота шероховатости, φ – главный угол в плане, φ’ – вспомогательный угол в плане

Зависимость величины остаточных микронеровностей Rz при работе токарным резцом запишем в виде выражения (1), при этом подачу S выразим через минутную подачу Sм и число оборотов детали n_Д:

(1)

Одним из способов повышения производительности и стойкости режущего инструмента является применение ротационного резания (рис. 2).

Рис. 2. Кинематика резания ротационным резцом: nД – число оборотов детали, nР – число оборотов режущей пластины, S – подача, t – глубина резания, Rz – высота шероховатости, R – радиус режущей пластины резца

Преимуществом такого метода обработки является существенное увеличение стойкости режущего инструмента за счет постоянного обновления режущей кромки инструмента и увеличение производительности из-за возможности увеличения подачи S без потери качества обрабатываемой поверхности Rz. Недостатком данного метода по-прежнему является образование сливной стружки.
Решить данную проблему можно за счет разделения режущей кромки на отдельные сектора (рис. 3).

Рис. 3. Кинематика резания ротационным резцом с разделенной режущей кромкой. nД – число оборотов детали, nР – число оборотов режущей пластины, S – подача, t – глубина резания, Rz – высота шероховатости, R – радиус режущей пластины резца

Высоту остаточных микронеровностей Rz, образующихся в процессе обработки, можно рассчитать по формуле (2), где подачу S выразим через минутную подачу Sм и число оборотов режущей пластины n_Р с учетом числа режущих зубьев Z:

.

(2)

Недостатком применения цельной режущей пластины являются сложности, связанные с ее изготовлением и поддержанием в рабочем состоянии. При поломке одного из режущих зубьев необходимо менять всю режущую пластину.
Для решения всех вышеперечисленных проблем и устранения недостатков каждой из схем обработки на примере схемы токарной обработки (рис. 1) зададим резцу вращательное движение, т.е. заменим токарный резец резцовой головкой (рис. 4).
Из рис. 4 видно, что обработка резцовой головкой сочетает в себе формообразование двух схем обработки: резание токарным резцом и резание ротационным резцом (рис. 1, 2). Вращательное движение режущего инструмента способствует снижению шероховатости, т. е. Rz₁ → Rz₂.

Рис. 4. Кинематика резания резцовой головкой

Для изучения кинематики процесса резания резцовой головкой воспользуемся уравнениями (1) и (2) и запишем их в виде системы уравнений, решая которую можно, рассчитать режимы резания для достижения заданного качества поверхности:

;

;

По результатам анализа литературных источников и научных трудов Ю.М. Ермакова, В.Н. Воронова, В.А. Полетаева, А.Д. Захарова, П.Р. Родина, Т. Штеферле, Sandvik Coromant и др. рассматриваются возможные схемы обработки деталей типа тел вращения (валов), проанализированы принципиальные схемы обработки валов с использованием в качестве режущего инструмента фрезы. Для каждой схемы обработки исследуется процесс образования остаточных микронеровностей, получены формулы для её расчета (табл. 1), по которым проводится анализ влияния параметров обработки на высоту остаточных микронеровностей (рис. 5).

а	б
в	г
Рис 5. Зависимость высоты огранки h от: а – от подачи S; б – радиуса детали Rд; в – радиуса инструмента rи; г – от углов резания , γ

Процесс обработки валов методом фрезерования и фрезоточения мало изучен, имеющиеся работы по данной тематике в большинстве своем носят теоретический характер, экспериментальные исследования проводились применительно к конструкционным сталям и на обычных режимах обработки. Что же касается вопроса высокоскоростной обработки валов методом фрезерования и фрезоточения из труднообрабатываемых материалов, таких как ТС, то информация отсутствует, что подтверждает актуальность выбранной темы.
Используя полученные формулы (табл. 1), путем численного моделирования определены наиболее производительные схемы обработки:
1) охватывающее фрезерование; 2) фрезоточение; 3) окружное фрезерование; 4) резание вращающимися резцами.
Установлено, что для всех рассматриваемых схем обработки наибольшее влияние на высоту остаточных микронеровностей h оказывает величина подачи Sz, из чего следует, что данный параметр наиболее выгодно использовать в качестве основной регулирующей величины на качество обрабатываемой поверхности.
Для обработки валов методом охватывающего фрезерования (схема 1 табл. 1) необходимо применять специализированное оборудование, для схем 2-4 (табл. 1) возможно применять как специализированное, так и модернизированное оборудование.
Применение схемы охватывающего фрезерования при обработке крупногабаритных валов ведёт к удорожанию и затруднению использования данной схемы обработки из-за необходимости применения фрез всё больших диаметров по мере увеличения диаметра обрабатываемых заготовок. В качестве альтернативы целесообразным будет применение схем фрезоточения и окружного фрезерования.
На качество обработанной поверхности существенное влияние могут оказывать скорость резания V_Р и тепловые процессы, возникающие во время обработки, в связи с чем необходимо провести теплофизические исследования по определению температуры обрабатываемой поверхности детали
Проведенные исследования в главе 2 позволили установить производительность схем обработки, параметры и степень их влияния на процесс формообразования.