Екатеринбург, Свердловская область, Россия
Екатеринбург, Свердловская область, Россия
Екатеринбург, Свердловская область, Россия
УДК 621.9.02 Режущие инструменты. Инструменты для обработки резанием (снятием стружки)
УДК 621.01 Теория машиностроения (машиноведение). Механика как теоретическая основа машиностроения
ББК 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
Цель исследования заключается в разработке конструкции и технологии изготовления канавочных и отрезных резцов, имеющих внутренние каналы для подачи смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) под высоким давлением. В конструкции предполагается использование обычных режущих сменных твердосплавных пластин (СТП), предлагаемых многими производителями. Ввиду того, что сверление узких каналов в теле резца весьма проблематично, предложено переднюю часть резца, крепящую режущую сменную твердосплавную пластину, изготавливать аддитивным способом. Задняя часть резца (державка) может быть изготовлена традиционными способами. При этом проведен анализ вариантов крепления режущих сменных твердосплавных пластин (СТП), базирования ее в державке, способ подведения СОЖ. Рассмотрены варианты конструкции канавочных и отрезных резцов по критерию особенностей обработки. Особое внимание уделено конструкции резцов для токарной обработки узких глубоких канавок. Новизна работы заключается в выполнении исследований, связанных с разработкой новой конструкции корпусов режущего инструмента с каналами для подвода СОЖ и метода его изготовления. Методом исследования является конструкторское 3D-моделирование инструмента и компьютерный анализ напряженного состояния на опорной поверхности резцовой головки. Разработки конструкций канавочного и отрезного инструмента с каналами для охлаждения, изготовленными с помощью аддитивных технологий в настоящее время в литературе не описаны. В результате исследования получены 3D-модели, чертежи резцов для прорезки радиальных и осевых канавок и резцов для отрезки заготовок. Проведены исследования напряженного состояния опорных поверхностей для СТП. Изготовлены опытные образцы соответствующих трех типов резцов. Выводы: проведенное исследование показывает перспективность применения метода. Благодаря использованию разработанного инструмента создается возможность повышения производительности механической обработки деталей из труднообрабатываемого материала, в том числе титановых сплавов и жаропрочных сталей. В результате может быть решена задача создания отечественного режущего инструмента, превосходящего по своим свойствам импортные аналоги.
обработка, резец, пластина, каналы, технологии
Введение
В данной работе предложены конструкции канавочного и отрезного резца, имеющие внутренние каналы для подачи смазочно-охлаждающей жидкости под высоким давлением.
Обработка цилиндрических канавок и отрезка заготовок на токарных станках являются одними из наиболее сложных операций обработки заготовок на токарных станках. Это происходит потому, что резец находится в стесненных условиях и сложно обеспечить надежное удаление стружки без задиров на обработанной поверхности. При этом в зоне резания возникает резкое повышение температуры, что негативно сказывается на стойкости режущей кромки резца. Чем больше глубина канавки, которую нужно получить, тем большие проблемы возникают при обработке. Обычно эту проблему решают подбором оптимальной геометрии резца и рациональным выбором режимов резания. Для уменьшения температуры в зоне резания применяют многократный вывод резца и подачу смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) методом свободного полива. Однако применение СОЖ для снижения температуры на режущей кромке также затруднено из-за недостатка свободного места в зоне резания.
Решению проблем, связанных с операциями отрезки и обработки канавок на токарных станках, уделяется большое внимание в технической литературе. В первую очередь большое внимание уделяется созданию СТП с оптимальной геометрией, позволяющей эффективно удалять стружку из зоны резания [1]. Операции обработки канавок весьма близки к операциям отрезки заготовок на токарных станках и часто могут использовать один и тот же инструмент. Однако имеется специфика как в части геометрии режущей кромки, так и в части конструкции державки резца. Различают следующие типы канавок: узкие и широкие канавки, неглубокие и глубокие канавки, внутренние и наружные, цилиндрические и торцевые. Узкие канавки обрабатываются за одно врезание. При этом выбирается ширина резца, равная ширине канавки. Стандартными пластинами можно обработать канавки шириной до 8 мм. Широкие канавки могут обрабатываться многопроходным врезанием в радиальном направлении, точением вразгонку, врезанием под углом с чистовой доработкой. Для внутренних и торцевых канавок могут применяться те же СТП, но конструкция державки резца будет отличаться. Державка резца должна точно базировать и надежно закреплять СТП для обеспечения качества обработки. Важно установить режущую кромку СТП по высоте центров станка. Отклонение от линии центров станка не должно превышать 0,1 мм. Также важно расположить резец строго перпендикулярно оси детали. Если перпендикулярность не обеспечивается, то это может привести к возникновению вибраций вследствие несбалансированности сил резания. Одним из важнейших требований, предъявляемым к конструкции резца является обеспечение жесткости инструмента. Для отрезных операций часто применяются плоские отрезные лезвия, которые устанавливаются в базовом блоке с возможностью настройки вылета резца. Но для повышения надежности и жесткости целесообразно применять крепления СТП винтом (рис.1). Подробно классификация крепления СТП в токарных державках представлена в работе [2].
|
б) |
|
а) |
Рис.1. Крепление СТП: а - пружинящие свойства корпуса; б - крепление винтом [1]
Fig.1. Fastening of the STP due to the spring properties of the body (a) and fastening with a screw (b)
Имеющиеся решения для уменьшения температуры в зоне резания
Возможно организовать подачу СОЖ сверху для охлаждения передней грани и снизу для охлаждения задней грани резца. Верхний подвод СОЖ улучшает отвод стружки из зоны резания и уменьшает процесс наростобразования на режущей кромке. Нижний подвод СОЖ уменьшает температуру и износ по задней грани резца. При этом существенно повышается стойкость режущей кромки. Выше было сказано, что на операциях отрезки и обработки канавок при наружной подаче СОЖ фактическое количество жидкости, попадающее в зону резания очень мало.
Для повышения эффективности охлаждения применяют системы внутренней подачи СОЖ под давлением через тело резца. Особенно эффективно применение этого метода при обработке титановых сплавов, жаропрочных и нержавеющих сталей. Также эффект наблюдается при обработке мягких материалов, склонных к налипанию к режущей поверхности резца. Подробно вопросы трибологии при резании металлов изложены в работе [3].
Эффективность применения подачи СОЖ под давлением обоснована многочисленными исследованиями при обработке труднообрабатываемых сплавов Inconel 718 [4] и Ti-6Al-4V [5,6]. В работе [7] представлены исследования влияния направления и подачи СОЖ в зону резания на процесс обработки.
Представленные на рис. 2 конструкции известных производителей инструмента весьма эффективны, но достаточно дороги из-за их высокой сложности. Изготовление каналов для подачи СОЖ в теле резца методом сверления – процесс трудоемкий и не позволяет обрабатывать отверстия менее 1 мм. К тому же он не может обеспечить плавное скругление подводящих каналов внутри державки. Это значительно снижает скорость движения жидкости на выходе в зону резания.
|
б) |
|
а) |
Рис. 2. Применение охлаждающих каналов: а - просверленных в теле канавочного резца;
б - отрезного резца фирмы Sandvik Coromant [1]
Fig. 2. Application of cooling channels drilled in the body of a grooving tool (a)
and parting tool (b) from Sandvik Coromant
Материалы, модели, эксперименты и методы
В нашем исследовании рассмотрены наиболее сложные с точки зрения технологии операции: отрезка заготовок и обработка узких канавок средней и большой глубины. Перечисленные проблемы могут быть решены за счет применения аддитивной SLM-технологии (Selective Laser Melting) благодаря уникальным возможностям и заложенным в ее основу физическим процессам.
Во-первых, исходный материал (сфероидальный порошок) имеет строго определенный химический состав с необходимыми механическими характеристиками (прочность, ударная вязкость, твердость). При лазерном сплавлении образуется однородная мелкозернистая структура без дефектов (раковин, посторонних включений), которая и обеспечивает получение заданных механических свойств.
Во-вторых, для SLM-технологий практически не существует ограничений в получении сложных форм изделий, которые традиционными методами механической обработки материалов зачастую невозможны. В нашем случае таким сложным элементом является гнездо под пластину (канавочную или отрезную). Важно только правильно расположить в пространстве модель будущего резца.
В – третьих, одна из самых уникальных возможностей SLM-технологий – это возможность получать любые формы внутренних поверхностей. Это позволяет получить в теле резца систему каналов для подачи СОЖ в зону резания (рис. 3).
Рис. 3. Внутренние каналы для подачи
СОЖ в теле резцовой головки
Fig.3. Internal coolant channels in the body of the cutting head
Каналы могут иметь любую форму продольного и поперечного сечения. Это позволяет получить минимальные гидравлические потери, оптимальную форму и направление струи СОЖ и при этом не уменьшить прочность державки.
В-четвертых, для изготовления державки не требуется изготовление специального режущего инструмента 2-го порядка и другой технологической оснастки. Это позволяет изготавливать инструмент любыми партиями с минимальными затратами времени и средств на подготовку производства. Требуемое время между разработкой 3D-модели и изготовлением готового изделия составляет две-три смены.
В ходе исследований были выполнены следующие работы:
Разработаны 3D-модели резцов для прорезки радиальных и осевых канавок и резцов для отрезки заготовок.
Проведены исследования напряженного состояния опорных поверхностей для СТП.
Выполнены рабочие чертежи каждого из смоделированных инструментов с целью изготовления опытных образцов для натурных испытаний.
Изготовлены опытные образцы соответствующих трех типов резцов.
Проведены натурные испытания для проверки работоспособности изготовленных образцов при токарной обработке канавок и при отрезке заготовок.
Результаты
В Уральском федеральном университете ведутся разработки конструкций режущего инструмента с внутренними каналами для подачи СОЖ в зону резания [8,9,10]. В описываемом проекте авторами разработана методика построения 3D-моделей и проведено компьютерное исследование напряженного состояния конструкции (рис. 4).
Рис. 4. Результат проведения исследований напряженного
состояния на опорной плоскости резцовой головки
Fig.4. The result of the study of the stress state
on the support plane of the cutting head
Были разработаны конструкции резца для прорезки радиальных канавок шириной 3 мм на глубину до 15 мм для режущих пластинок производства Taegu Tec (рис. 5).
Также были сконструированы отрезные резцы шириной 3 мм для отрезки заготовок диаметром до 50 мм (рис. 6).
Для проведения испытаний были изготовлены опытные образцы державок канавочного и отрезного резцов. В целях экономии средств рабочая часть державок с гнездом под СТП и каналами для подачи СОЖ были изготовлены аддитивным способом. Материал – порошок марки Bohler. Фракция 15 ÷45 мкм. Хвостовик державки сечением 20х20 мм были изготовлены из конструкционной стали 45 традиционным способом. После этого рабочая часть была приварена к хвостовику. Гнезда под СТП механически не дорабатывались. Испытания проводились на токарном станке мод. CTX 310 Ecoline фирмы DMG MORY (рис.7). Применялась смазочно-охлаждающая жидкость Blaser.
Рис. 5. Резец для прорезки радиальных канавок
Fig.5. Cutter for cutting radial grooves
Рис. 6. Резец для отрезки заготовок
Fig.6. Parting tool
При испытаниях обрабатывался пруток из стали 45 со следующими режимами обработки:
Скорость резания V=150 м/мин. Подача варьировалась по уровням 0,05 мм/об, 0,1 мм/об, 0,15 мм/об, 0,2 мм/об. Материал режущей пластины фирмы Taegu Tec. Обе державки работали последовательно на всех перечисленных подачах по 10 мин.
Рис.7. Установка резца в револьверную
головку токарного станка
Fig.7. Installing a cutter in the turret of a lathe
Обсуждение/Заключение
В результате выполненных исследований:
- Разработаны конструкции канавочного и отрезного резцов с каналами для охлаждения, изготовленными с помощью аддитивных технологий. Конструкция резцов содержит базовую державку, к которой крепится резцовая головка, изготовленная методом аддитивных SLM технологий
- На основании построенных 3D-моделей изготовлены опытные образцы резцовых головок методом селективного лазерного сплавления - SLM
- Проведены испытания опытных образцов при обработке деталей из стали 45.
Результаты наблюдений показали, что повреждений поверхностей державок нет, износ режущей части пластин крайне незначительный, стружкообразование нормальное, вибрации отсутствовали. Таким образом, испытания опытных образцов канавочных и отрезных резцов, изготовленных с применением аддитивных SLM-технологий показали их работоспособность и эффективность при обработке с заданными режимами резания.
1. Sandvik.coromant. Отрезка и обработка канавок [электронный ресурс] URL: hhttps://www.sandvik.coromant.com/ru-ru/products/pages/parting-and-grooving-tools.aspx (дата обращения 23.05.22).
2. Попок Н.Н. Анализ тенденций проектирования инструментальных систем. Вестник Полоцкого государственного университета. Серия B. Промышленность. Прикладные науки. 2012;3. URL: http://elib.psu.by:8080/handle/123456789/491.
3. Astakhov V.P. Tribology of Cutting Tools. In: Davim J. (eds) Tribology in Manufacturing Technology. Materials Forming, Machining and Tribology. Springer, Berlin, Heidelberg. 2012. URL: https://doi.org/10.1007/978-3-642-31683-8_1 .
4. Çolak O. Investigation on Machining Performance of Inconel 718 under High Pressure Cooling Conditions. Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering. 2012;58(11):683-690. doihttps://doi.org/10.5545/sv-jme.2012.730.
5. Khan A., Mia M., Ranjan N. Dhar High-pressure coolant on flank and rake surfaces of tool in turning of Ti-6Al-4V: investigations on forces, temperature, and chips. Int J Adv Manuf Technol. 2017;90:1977-1991. doi:https://doi.org/10.1007/s00170-016-9511-6
6. Cayli T., Klocke F., Döbbeler B. Increasing Energy Efficiency in Turning of Aerospace Materials with High-Pressure Coolant Supply. Procedia Manufacturing. 2018;21:405-412. doi:https://doi.org/10.1016/j.promfg.2018.02.138
7. Gariani S., Shyha I., Inam F., Huo D. Experimental analysis of system parameters for minimum cutting fluid consumption when machining Ti-6Al-4V using a novel supply system. Received: 3 July 2017. Accepted: 13 October 2017. Published online: 29 November 2017.
8. Kugaevskii S.S., Gamberg A.E., Pizhenkov E.N. The effectiveness of additive SLM-technologies in the manufacture of cutting tools. Materials Today: Proceedings. July 2019. doihttps://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.07.055 p.1977-1981.
9. Kugaevskii S.S., Gamberg A.E., Kulpina K.A. Development of Modular Later Cutter with the Application of Additive Technologies. Proceedings of the 6th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2020). April 2021. doi:https://doi.org/10.1007/978-3-030-54814-8_14.
10. Pizhenkov E.N., Podgorbunskikh V.M., Roshchin V.A. Using of SLM 3D printing technology in the manufacture of high-performance drilling heads. Polish Science Journal. 2018;9:63-66.
