Валуйский Алексей Александрович

e-mail:valuysky@mail.ru

Механический факультет

Специальность: Металлорежущие станки и системы

Группа:

Тема магистерской работы:"Влияние сил на задней поверхности развертки на качество обработки поверхности".

Руководитель: Малышко И.А.

Автореферат магистерской работы:

Введение
Методы обработки отверстий, требующих высокой точности, используемые в машиностроении можно условно разделить по способу формирования на две группы:

1) развёртывание (см. анимацию 1.) и протягивание - основана на том, что заданного размера цилиндрическая инструментальная поверхность режущего инструмента копируется на обработанной заготовке - размер инструментальной поверхности с некоторыми отклонениями переносится на обработанную поверхность отверстия;

Анимация

Анимация 1. - Модель процесса развертывания

 2) шлифование и растачивание - характеризуется тем, что обработанная поверхность не является копией инструментальной поверхности, что позволяет одним инструментом обрабатывать поверхности с различными размерами в определённом интервале. Первая группа обеспечивает более высокую размерную стабильность и производительность, но менее универсальна, чем вторая. Однако технологические возможности первой группы по обеспечению точности и шероховатости обработанной поверхности более ограничены, чем второй, которая в принципе таких ограничений не имеет.

В серийном и массовом машиностроительных производствах при чистовой обработке отверстий приоритет в применении имеет первая группа. Это связано с тем, что шлифовальные круги и резцы требуют постоянной настройки их на необходимый размер, что хотя и обеспечивает точность обработки, но повышает стоимость продукции за счет расхода инструмента и низкой производительности. Кроме того при небольших диаметрах обработки эти процессы являются не эффективными, либо вообще не применимыми.

Так как развертывание более универсальный и экономичный способ, поэтому оно и получило более широкое применение в сравнении с протягиванием. Развертывание является чистовой обработкой, поэтому немаловажную роль играет ее качество.

Обоснование актуальности темы

Процессы, протекающие на передней поверхности режущего инструмента, оказывают решающее влияние на условия резания, если длина контакта стружки с этой поверхностью больше длины контакта заготовки с задней поверхностью. При малой толщине срезаемого слоя, характерной для чистовой обработки в общем и для развертывания в частности, длина контакта заготовки с задней поверхностью после некоторого износа последней значительно больше длины контакта стружки с передней поверхностью. В этом случае от контактных напряжений и сил, действующих на заднюю поверхность развертки, зависят сила резания, температура в зоне резания, стойкость инструмента и другие параметры процесса резания. При развертывании от процессов, протекающих на фаске износа режущего инструмента, в большой степени зависят не только факторы процесса резания, но и технологические параметры (шероховатость поверхности, точность, наклеп поверхностного слоя, остаточные напряжения). Все вышеперечисленные параметры - это показатели качества обработанной поверхности.

Так как силы на задней поверхности развертки оказывают большое влияние на качество обработки, то их изучение является приоритетным направлением в науке. Кроме того, как правило, инструменты изнашиваются по задним поверхностям, что связано с силовыми взаимодействиями между обрабатываемым изделием и задней поверхностью инструмента. Поэтому важно знать какие факторы влияют на изменение сил, для того, чтобы оптимизировать их значения, а тем самым иметь возможность управлять качеством обработки при развертывании и стойкостью инструмента.

Обзор информации по теме

Хотя процесс развертывания достаточно хорошо изучен, но к сожалению очень мало научных работ посвящено изучению влияния сил на задней поверхности развертки на качество обработки. Поэтому этот вопрос остается открытым и существует достаточно много направлений в изучении, как самого процесса развертывания, так и составляющих его процессов.

Наибольшее число статей посвященных изучению процессов, происходящих на задней поверхности инструмента при мехобработке принадлежат Железнову Геннадию Степановичу, доценту кафедры ТМС Сызранского филиала СамГТУ (Автор 100 научных трудов в области теории обработки точных отверстий). Также изучением процесса развертывания занимались Розенберг A.M., Кравченко А.Б., Кирсанов С.В. и др.

Статья [1] посвящена изучению сил действующих на заднюю поверхность инструмента при чистовой мехобработке.

Развертывание обычно производится на таких скоростях резания, при которых нарост практически не образуется. А если при чистовой обработке отсутствует нарост, основной причиной возникновения контактных напряжений и сил, действующих на заднюю поверхность развертки, является упругое последействие обработанного поверхностного слоя на инструмент, которое зависит от радиуса r скругления режущей кромки у вершины угла заострения лезвия.Вследствие разрушения режущей кромки в процессе изнашивания инструмента радиус r увеличивается и его значение

(1)

где r0 - радиус скругления, полученный после заточки и зависящий от диаметра зерна заточного абразивного инструмента, а также от предела прочности на изгиб и относительного сужения инструментального материала; h3 - ширина фаски износа инструмента по задней поверхности; К и m - коэффициенты, определяемые экспериментально. Для инструмента из стали Р6М5, заточенного абразивным кругом 16А25СМ2К1, получена следующая зависимость: r = 0,01 + 0,17 h3, где h3 и r - в мм.

Возникновение сил на фаске износа обусловлено тем, что не весь срезаемый слой толщиной Н (см. рисунок 1) преобразуется в стружку. Часть этого слоя толщиной a остается на заготовке.

Полный размер рисунка

Рисунок 1. - Геометрия области контакта РИ с заготовкой по фаске износа.

При движении инструмента его скругленный участок МB сжимает слой a материала заготовки, в результате чего на фаске износа возникают сила F трения и нормальная сила Q.

Непрерывное изнашивание лезвия инструмента обусловливает равномерное распределение контактных напряжений от силы Q по ширине фаски износа. На ее краю происходит упругое восстановление металла - поверхность резания поднимается на величину а'. Если сжатие слоя а сопровождается пластической деформацией, то а'< а; в противном случае а' = а. Таким образом, лезвие инструмента в процессе резания находится в состоянии упругого внедрения в заготовку.

Для определения силы Q воспользуемся зависимостью из работы [3]

(2)

где Е и v - соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона для обрабатываемого материала; b - ширина срезаемого слоя.

При определении параметра а полагаем, что в точке М (см. рисунок) сила Р резания направлена под углом 45° к вектору скорости резания. Тогда а = r(1-cosφ), где φ= 45°- ρ; ρ - угол трения. Согласно работе [4]

(3)

где μ - коэффициент трения в окрестности точки М.

С учетом выражений (1) и (3) приведем уравнение (2) к виду

(4)

В первом приближении коэффициент трения в окрестности точки М можно определить, используя твердость НВ по Бринеллю обрабатываемого материала; μ» 80/HB. Тогда можно найти силу трения F = μQ среднёе нормальное контактное напряжение q = Q/(bh3) и среднее касательное контактное напряжение qt = mq.
Нормальное напряжение, при достижении которого сжатие слоя а обрабатываемого материала сопровождается пластической деформацией [5], qп = 0,87τ/(0,25+μ2), где τ - касательное напряжение, при котором происходит пластическая деформация упрочненного обрабатываемого материала (для сталей [6] τ = 0,6 σв/(1-1,7ψв), где σв и ψв -соответственно предел прочности обрабатываемого материала и относительное сужение образца из него в момент образования шейки при испытании на растяжение; для чугуна [7] τ = О,175 НВ).

Если q < qп, силу Q рассчитывают по формуле (4); если q > qп, то Q = qпbh3, в этом случае F = μqпbh3.

Ниже, в таблице 1, приведены значения силы Q для стали 40Х при b = 10 мм, взятые из работы [6] и рассчитанные по уравнению (4).

h3, мм

0,03

0,05

0,1

0,15

0,2

Q, H:

согласно работе [6]

220

300

580

680

820

по формуле (4)

190

310

530

720

850

Таблица 1.

Как видно результаты расчета хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Поскольку множество факторов влияет на форму сопряжения передней и задней поверхностей инструмента и радиус r, силы, действующие на заднюю поверхность, имеют случайный характер. При их расчете следует принимать наиболее вероятное значение радиуса скругления, которое в зависимости от материала инструмента изменяется в следующих пределах: для стали r = 0,02-0,03 мм; для твердых сплавов и сверхтвердых материалов r = 0,03-0,05 мм.

В работе [2] найдена зависимость для расчета сил, действующих на фаске износа, полученная на основе решения контактной задачи теории упругости о вдавливании пуансона эллиптической формы в плане в упругое полупространство [3] при следующих допущениях:

1. Эпюра распределения контактных нормальных напряжений по ширине фаски износа приня-та равномерной.

2. Упругие деформации лезвия РИ и силы трения на фаске износа не влияют на эпюру распределения контактных нормальных напряжений.

3. Силы стружкообразования не оказывают влияния на контактные процессы и нагрузки на фаске износа.

4. Передняя и задняя поверхности лезвия РИ сопрягаются по круговой цилиндрической по-верхности.

5. Коэффициент трения на указанной поверх-ности сопряжения соответствует температуре реза-ния на передней поверхности у режущей кромки.

6. Рассматриваются режимы чистовой обработ-ки, при которых наростообразование отсутствует.

В результате была получена следующая формула:

, где

- длина контакта по задней поверхности при h3 = 0.

По приведенным выше зависимостям построены графики (рисунок 2); условия их построения см. в таблице 2. Анализ графиков позволяет сделать ряд выводов.

  1. Наибольшее влияние на силу Q оказывает коэффициент μ трения на поверхности скругления лезвия: с его увеличением эта сила интенсивно уменьшается и при μ = 1 перестает действовать(Q= 0)
  2. Увеличение твердости НВобрабатываемого материала приводит к возрастанию силы Q.
  3. Влияние заднего угла α на силу Q подобно влиянию коэффициента трения, однако выражено не так явно.
  4. Увеличение ширины b срезаемого слоя приводит к возрастанию силы Q, однако темп роста силы отстает от темпа увеличения ширины срезаемого слоя.
  5. Увеличение ширины h3 фаски износа вызывает существенный рост силы Q как из-за увеличения площади поверхности фаски, так и вследствие увеличения радиуса скругления режущей кромки. Поэтому темп роста силы Q превышает темп роста ширины фаски износа.

Кривая

на рис. 2.

Изменяемый параметр

Значения неизменяемых параметров

α, градус

μ

h3,мм

b, мм

HB

1

2

3

4

5

α

μ

h3

b

HB

-

8

8

8

8

0,6

-

0,4

0,4

*

0,25

0,55

-

0,55

0,25

10

10

10

-

10

260

260

260

260

-

* Значения μ рассчитаны по зависимости μ = 1,1 - 0,0025HB [5].

Таблица 2.

Полный размер рисунка

Рисунок 2. - Зависимости нормальной силы Q, действующей по фаске износа, от заднего угла α (1), коэффициента μ трения (2), ширины h3 фаски износа (3), ширины b срезаемого слоя (4) и твердости НВ обрабатываемого материала (5) (постоянные условия для кривых см. в таблице)

В работе [9] представлена схема сил, действующих в зоне резания. Силы PN и FN на передней поверхности и соответственно N и F3 на задней являются следствием внедрения резца под действием равнодействующей силы R. В силу вневершинного расположения силы возникает момент M.

Полный размер рисунка

Рисунок 3. - Схема сил при свободном резании.

На основании рис. 3. можно записать уравнения механики резания:

(5)

Два уравнения (5) имеют четыре неизвестные величины. Силы PZ и PY определяются динамометрированием. Методику определения сил F3 и N предложил проф. А.И. Розенберг [10]. Суть методики заключается в следующем. Производят резание с уменьшающейся толщиной среза a в условиях постоянной температуры, величина которой поддерживается соответствующим подбором скорости резания. При этом замеряются силы резания PZ и PY . Результаты наносятся в координатной системе PZ(PY) - a. В этих условиях зависимости PZ = f(a) и PY = f(a) имеют вид прямых линий. Отрезки, которые отсекаются на оси PZ(PY) с учетом масштаба, считаются искомыми силами N и F3 (рисунок.4). Этот метод в литературе называется «метод экстраполяции на нулевую толщину среза». В основе описанного метода лежат допущения, что толщина среза не влияет на силы, возникающие на задней поверхности инструмента, и силы на передней и задней поверхностях являются отдельными группами и не связаны между собой.

Рисунок 4. - Экстраполяция сил на нулевую толщину среза.

Выводы

Развертывание - один из наиболее часто используемых методов чистовой обработки отверстий, поэтому очень важной задачей является обеспечение качества обработанной поверхности. А так как в случае с чистовой обработкой длина контакта заготовки с задней поверхностью после некоторого износа последней значительно больше длины контакта стружки с передней поверхностью, то силы на задней поверхности развертки оказывают значительное влияние не только на факторы процесса, но и на технологические параметры. Но как показал поиск по данной теме имееется достаточно мало литературы и информации в интернет, поэтому есть необходимость в изучении процессов, происходящих на задней поверхности инструмента и описанию сил действующих на нее, для того, чтобы иметь возможность контроллировать и прогнозировать качество готового изделия.

Список используемых материалов:

  1. Железнов Г.С. Оценка сил, действующих на фаске износа инструмента по задней поверхности - СТИН, 2003.№6.
  2. Железнов Г.С. Определение сил, действующих на заднюю поверхность режущего инструмента. - СТИН, 1999.№12.
  3. Галин Л.А. Контактные задачи упругости и вязкоупругости. - М.: Наука, 1980. - 256 с.
  4. Крагельский И.В. Трение и износ. - М.: Машгиз, 1962.-383с.
  5. Саверин М.М. Контактная прочность материала. - М.: Машгиз, 1946. - 245 с.
  6. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов. - М.: Машгиз, 1956. - 364 с.
  7. Резание и инструмент / Под ред. A.M. Розенберга. - М.: Машиностроение, 1964. - 227 с.
  8. Железнов Г.С. и др. Механика формирования обработанной поверхности при развертывании отверстий. - http://sstu.edu.ru/research/sstu_works/herald_techsc/10/17.doc
  9. Кравченко А.Б. К вопросу о силах, действующих на задней поверхности инструмента при резании - http://sstu.edu.ru/research/sstu_works/herald_techsc/10/16.doc
  10. Розенберг А.М., Еремин А.Н. Элементы теории процессов резания металлов. М.: Машгаз, 1956, 320 с.
СОДЕРЖАНИЕ

| Главная страница ДонНТУ| Страница магистров ДонНТУ| Поисковая система ДонНТУ|