Тула, Тульская область, Россия
Тула, Тульская область, Россия
аспирант
УДК 621.941.01 Основы точения (обработки на токарных станках), влияющие факторы и т.д. Обрабатываемость точением, подача, дефекты и т.д.
Рассмотрены основные вопросы, связанные c результатами проведенного экспериментального исследования, направленного на моделирование комбинированного (режуще-деформирующего) чистового процесса зубообработки – шевингования – прикатывания цилиндрических зубчатых колес, в процессе точения специальным комбинированным режуще-деформирующим инструментом – резцом цилиндрической заготовки, разделенной на равные рабочие участки. Благодаря оригинальной методике исследования, в ходе моделируемого процесса, за один установ компактной цилиндрической заготовки, на токарном станке с ЧПУ имитируется зубообработка достаточно крупной партии цилиндрических колес-представителей, обладающих среднестатистическими параметрами, из нескольких тысяч штук. Проведен анализ результатов эксперимента, позволяющего, в лабораторных условиях, получить сведения о ходе зубообработки большой партии зубчатых колес. Определен параметр шероховатости обработки участков заготовки, выявлены границы наступления технологического износа инструмента по данному параметру. Выявленная картина износа инструмента представляется, при этом следующей: превалирующий износ инструмента происходит по задней поверхности ввиду его конструктивной особенности – нулевого заднего угла, усугубляющийся технологической особенностью процесса (шевингования – прикатывания), при которой задняя поверхность участвует в поверхностном пластическом деформировании, сминая слой металла при воздействии существенной нормальной силы, и как следствие, возникающей силы трения между его задней поверхностью и поверхностью обрабатываемой заготовки. Износ инструмента по передней поверхности, сопровождаемый затуплением его режущей кромки дополнительно ухудшает условия протекания процесса резания (при съеме малых припусков порядка 0,02 мм), и увеличивая долю поверхностной пластической деформации (в процессе шевингования – прикатывания). Это, в итоге, повышает долю материала обрабатываемой заготовки, удаляемую не резанием, а поверхностным пластическим деформированием, тем самым еще сильнее усугубляя износ инструмента по задней поверхности.
шевингование – прикатывание, шероховатость, износ, цилиндрические зубчатые колеса, процесс, моделирование, эксперимент, инструмент
В Тульском государственном университете на протяжении последних десятилетий серьезное внимание уделяется аспектам построения высокопроизводительных ресурсосберегающих процессов комбинированной (режуще-деформирующей) чистовой зубообработки цилиндрических зубчатых колес (ЦЗК). В многочисленных исследованиях профессоров Валикова Е.Н,
Ямникова А.С., Борискина О.И. и их учеников, представленных в работах [1 – 6], отмечается высокая эффективность процесса шевингования-прикатывания для чистовой стадии зубообработки при обеспечении стабильно высоких точностных и качественных параметров венцов, обрабатываемых ЦЗК.
Для реализации рассматриваемого процесса, в условиях производства с большим объемом выпуска, требуется применение специальных инструментов – шеверов-прикатников, конструкции которых рассчитываются и проектируется индивидуально для каждого зубчатого колеса [3, 5, 7]. Шевера-прикатники ввиду сложной конфигурации режущих элементов и достаточно больших массогабаритных параметров (габаритный диаметр da до 250 мм, масса m до 3 кг), как правило, изготовляются из быстрорежущей стали, в частности, марки Р6М5 ГОСТ 19265-73. Поскольку шевер-прикатник является дорогостоящим и сложным в изготовлении инструментом, то, очевидно, что аспектам его проектирования, изготовления и эксплуатации должно быть уделено серьезное внимание. В частности, одной из важнейших технико-экономических характеристик, определяющих эффективность использования такого инструмента при производстве ЦЗК является ресурс его работы.
Одним из важнейших показателей, определяющих величину допустимого технологического износа инструмента, после которого требуется его замена, является шероховатость поверхностей деталей, подвергающихся обработке. Для боковых (эвольвентных) поверхностей зубьев ЦЗК, этот показатель, усредненно, находится в пределах Ra = 1,6 мкм [8 – 10].
Проведение комплексного экспериментального исследования, направленного на углубленное изучение рассматриваемого вопроса подразумевает обработку большого объема ЦЗК с использованием специализированного технологического оборудования, что в условиях современных реалий, является весьма затруднительным. Поэтому, коллективом ученых кафедры «Технология машиностроения» ТулГУ была предложена концепция физического моделирования процесса шевингования-прикатывания ЦЗК по аналогии с процессом точения [11] и разработана методика проектирования и изготовления специального режуще-деформирующего инструмента [12], позволяющие, с высокой степенью точности, изучить ход протекания процесса комбинированной чистовой зубообработки и механизм износа зубьев инструмента, задействованного в нем.
Основные принципы построения
и особенности реализации
экспериментального исследования
Процесс моделирования осуществляется в лабораторных условиях кафедры «Технология машиностроения» ТулГУ. Экспериментальные исследования выполняются на базе токарного станка с ЧПУ TOP TURN CNC-S16C
(рис. 1 и рис. 2), обладающего высокой точностью, достаточной жесткостью и необходимым набором технологических возможностей.
В ходе эксперимента комбинированной (режуще-деформирующей) обработке подвергается цилиндрическая заготовка, выполняемая из стали 20Х ГОСТ 4543-2016. Заготовка имеет диаметр Dзаг = 40 мм и длину
Lзаг = 390 мм, что обеспечивает соотношение
Lзаг / Dзаг < 10. Такое соотношение, при установке заготовки в трехкулачковом самоцентрирующем патроне с поджимом задним вращающимся центром позволяет добиться высокой точности и качества обработки при достаточной жесткости элементов технологической системы.
Если рассмотреть цилиндрическое зубчатое колесо-представитель, имеющий среднестатистические параметры: m = 2 мм;
z1 = 20; x = 0, то работа специального режуще-деформирующего инструмента на одном рабочем участке заготовки будет эквивалентна обработке nЦЗК р.у.≈ 108 колес, а совокупное число эквивалентных обработанных ЦЗК для всей заготовки – nЦЗК заг. ≈ 3240 [13].
Конструкция заготовки [13] показана на эскизе, представленном на рис. 3. Заготовка имеет в своем составе тридцать рабочих участков I…XXX, длиною по 5 мм каждый. Участки разделены канавками, шириной
bк = 5 мм, предназначенными для выхода специального режуще-деформирующего инструмента.
Основной задачей исследования является выявление динамики изменения показателя шероховатости обрабатываемых поверхностей цилиндрической заготовки в процессе моделирования шевингования-прикатывания ЦЗК и стабильность поддержания рассматриваемого показателя (в заданных пределах) в процессе размерного износа инструмента. Для этого использовалась заготовка, все тридцать участков которой были обработаны, после ее установки на станок с ЧПУ, токарным резцом, имеющим небольшой период наработки (прошедшим стадию приработки). После чего, не снимая заготовки со станка, ее характерные участки были промерены портативным профилометром Hommel-Etamatic W5 (основные характеристики которого приведены на интернет-сайте [14]). Шероховатость обработанных поверхностей (после точения) колебалась в пределах Ra = 1,48...1,67 мкм. Промеры производились после остывания заготовки до температуры 25 ± 5 ℃ и удаления с нее остатков смазочно-охлаждающей жидкости СОЖ.
После чего производилась последовательная обработка всех тридцати участков заготовки на одном наладочном размере
(по оси X). Обработка осуществлялась специальным резцом [12], установленным в блоке резцедержателя (рис. 4).
По завершении обработки производилось построение профилограмм и измерение параметра шероховатости обработанных участков заготовки профилометром
Mitutoyo Surftest SJ-301 (основные характеристики которого приведены на интернет-сайте [15]).
Как ранее отмечалось в работе [16], лимитирующим фактором, определяющим эффективность протекания процесса чистовой зубообработки ЦЗК шевингованием – прикатыванием, в условиях производства с большим объемом выпуска, является износ зубьев инструмента – шевера-прикатника по задним поверхностям. Для обеспечения нормальных условий работы инструмента и протекания процесса в целом, весьма важным становится определение критерия и количественного показателя (в конечном счете, числа обработанных ЦЗК) предельно допустимого износа, при достижении критического значения которого, дальнейшая работа инструмента должна быть прекращена. Однако, критерий затупления не является здесь определяющим. Это объясняется тем, что время работы инструмента до достижения общепринятого (для классического металлорежущего инструмента) критерия оптимального износа не позволяет, в рассматриваемом нами случае, успешно осуществлять его эксплуатацию, т. к. главенствующим здесь становится критерий технологического износа.
Под технологическим условимся понимать такой износ, при котором работа инструмента прекращается по технологическим ограничениям: достижении предельного допустимого показателя шероховатости обработанной поверхности, неудовлетворяющего установленным техническим требованиям, вследствие износа инструмента.
Упрощенно процесс экспериментального исследования физического моделирования шевингования – прикатывания ЦЗК заключается в обработке тридцати участков цилиндрической заготовки последовательным многопроходным точением и прикатыванием. Заготовка вращается с частотой
120 об/мин, что соответствует скорости резания 15 м/мин. Подача на оборот
заготовки – 0,194 мм/об. Припуск, удаляемый на каждом рабочем ходу – 0,02 мм. После удаления припуска резанем, осуществляемого на прямом вращении заготовки, производится реверсирование ее вращения и удаления аналогичного слоя за счет поверхностного пластического деформирования – прикатывания. Режимы обработки, при этом, остаются те же, что и при резании. Обработка осуществляется за три рабочих цикла (прямое вращение – реверсирование) с периодической радиальной подачей и два цикла выхаживания без подачи. В качестве СОЖ, согласно рекомендациям, изложенным в [17], использовалось индустриальное масло
И-20А. В результате обработки удалялся припуск порядка 0,12 мм на сторону. Время, затрачиваемое на один, рабочий
ход – 12,89 с. Машинное время для обработки одного участка заготовки – 2,11 мин.
Анализ количественных показателей экспериментального исследования
Результаты измерений усредненных значений параметра шероховатости (по участкам), полученных в ходе моделирования процесса шевингования – прикатывания ЦЗК приведены в табл. 1.
Экспериментальная диаграмма, характеризующая динамику изменения параметра шероховатости обработки участков заготовки при моделировании процесса шевингованием – прикатыванием представлена на рис. 5.
Аппроксимируя, представленную на рис. 5 эмпирическую кривую полиноминальной функцией второй степени можно получить уравнение зависимости шероховатости обработанной поверхности Ra, мкм, в процессе технологического износа инструмента, от количества обработанных им участков заготовки N:
И, как следствие, количества деталей-представителей n:
При этом коэффициент достоверности аппроксимации R2, проводимой по методу наименьших квадратов, для обоих уравнений, описывающих аппроксимирующие кривые, будет равен 0,974, что является очень хорошим показателем. Таким образом, представленные уравнения, с достаточной степенью точности, отражают динамику влияния характера протекания процесса износа инструмента, работающего в сложном (режуще-деформирующем режиме) на параметр шероховатости обработанной поверхности Ra.
Аппроксимируя, представленную на рис. 5 эмпирическую кривую полиноминальной функцией второй степени можно получить уравнение зависимости шероховатости обработанной поверхности Ra, мкм, в процессе технологического износа инструмента, от количества обработанных им участков заготовки N:
И, как следствие, количества деталей-представителей n:
При этом коэффициент достоверности аппроксимации R2, проводимой по методу наименьших квадратов, для обоих уравнений, описывающих аппроксимирующие кривые, будет равен 0,974, что является очень хорошим показателем.
Таким образом, представленные уравнения, с достаточной степенью точности, отражают динамику влияния характера протекания процесса износа инструмента, работающего в сложном (режуще-деформирующем режиме) на параметр шероховатости обработанной поверхности Ra.
Профилограммы наиболее показательных участков, характеризующих исследуемый (моделируемый) процесс представлены на рис. 6. Таким образом, представленные уравнения, с достаточной степенью точности, отражают динамику влияния характера протекания процесса износа инструмента, работающего в сложном (режуще-деформирующем режиме) на параметр шероховатости обработанной поверхности Ra.
Таким образом, представленные уравнения, с достаточной степенью точности, отражают динамику влияния характера протекания процесса износа инструмента, работающего в сложном (режуще-деформирующем режиме) на параметр шероховатости обработанной поверхности Ra.
Анализируя (в совокупности), сведения, почерпнутые из рис. 5 и рис. 6 можно прийти к выводу, что изменение величины параметра шероховатости Ra:
– на участках 1 – 4 – следствие протекания периода приработки инструмента (с начальным затуплением его режущей кромки) при котором параметр шероховатости обрабатываемых поверхностей уменьшается;
– на участках 5 – 8 – следствие стабильного износа инструмента без существенного перераспределения (в рамках комбинированной обработки) процессов резания и поверхностного пластического деформирования в пользу последнего, при этом шероховатость растет незначительно;
– на участках 9 – 14 – следствие стабильного износа инструмента с начинающимся ростом скорости перераспределения (в рамках комбинированной обработки) процессов резания и поверхностного пластического деформирования в пользу последнего (эмпирическая кривая изменения шероховатости имеет пологий участок);
– на участках 15 – 17 – следствие стабильного износа инструмента со стабилизацией процесса перераспределения (в рамках комбинированной обработки) процессов резания и поверхностного пластического деформирования (эмпирическая кривая изменения шероховатости также полога);
– на участке 18 – параметр шероховатости выходит за предел допустимого значения и процесс технологического износа инструмента можно считать завершенным;
– на участках 19 – 30 – следствие динамичного изменения параметра шероховатости за счет существенного ускорения износа инструмента по задней поверхности и затупления его режущей кромки, проявляющегося в пагубном росте шероховатости обрабатываемых поверхностей, а на конечных участках обрабатываемой заготовки, появлению задиров и выдавливанию (в область межучастковых канавок) крупных заусенцев (рис. 7). Картина износа инструмента, наблюдаемая на последних участках обрабатываемой им заготовки, соответствует периоду повышенного износа, который для классического инструмента (при условии возможности размерной подналадки), со временем, перешел бы в катастрофический.
Увеличенные фотографии левой передней поверхности инструмента и задней (эвольвентной) поверхности инструмента представлены на рис. 8. Фотографии сделаны после обработки инструментом тридцати участков экспериментальной заготовки (эквивалент обработки 3240 колес-представителей шевингованием – прикатыванием). На лунке, образованной износом задней поверхности инструмента, четко просматривается дефектная зона, имеющая существенно большую шероховатость (вплоть до задиров), чем не участвовавшая в работе часть поверхности. Это, в свою очередь, сильно повышает шероховатость обработанных поверхностей.
Образованная на передней поверхности инструмента зона затупления режущей кромки, шириной порядка 0,2 мм, приводит к увеличению доли поверхностного пластического деформирования и уменьшению доли резания в процессе шевингования – прикатывания [5].
Основные выводы и результаты
Таким образом, картина износа инструмента представляется следующей. Превалирующий износ инструмента происходит по задней поверхности ввиду его конструктивной особенности – нулевого заднего угла, усугубляющийся технологической особенностью процесса (шевингования – прикатывания), при которой задняя поверхность участвует в поверхностном пластическом деформировании, сминая слой металла при воздействии существенной нормальной силы, и как следствие, возникающей силы трения между его задней поверхностью и поверхностью обрабатываемой заготовки.
Износ инструмента по передней поверхности, сопровождаемый затуплением его режущей кромки дополнительно ухудшает условия протекания процесса резания (при съеме малых припусков порядка 0,02 мм), и увеличивая долю поверхностной пластической деформации (в процессе шевингования – прикатывания). Это, в итоге, повышает долю материала обрабатываемой заготовки, удаляемую не резанием, а поверхностным пластическим деформированием, тем самым еще сильнее усугубляя износ инструмента по задней поверхности.
Основываясь на данных, приведенных в [8 – 10, 17], можно установить, что для боковых (эвольвентных) поверхностей зубьев рассматриваемого колеса-представителя параметр шероховатости Ra не должен превышать
1,6 мкм. Тогда, опираясь на аналогию, в процессе моделирования обработки партии рассматриваемых ЦЗК, величина допустимого технологического износа инструмента будет достигнута при обработке семнадцати участков экспериментальной заготовки. Иными словами, допустимый ресурс работы инструмента по параметру шероховатости составит 1836 колес-представителей.
1. Борискин О.И., Валиков Е.Н., Белякова В.А. Комбинированная обработка зубьев цилиндрических зубчатых колес шевингованием – прикатыванием: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. 123 с.
2. Валиков Е.Н., Белякова В.А. Режуще-деформирующая чистовая обработка боковых поверхностей зубьев зубчатых колес: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 216 с.
3. Валиков Е.Н., Борискин О.И., Белякова В.А. Расчет шеверов-прикатников для чистовой обработки зубьев зубчатых колес: учебн. пособие. Тула: изд-во ТулГУ, 2007. 110 с.
4. Ямников А.С., Маликов А.А., Валиков Е.Н., Сидоркин А.В. Ресурсосберегающие технологии изготовления цилиндрических зубчатых колес // Технология машиностроения. 2008. № 7. С. 7–10.
5. Маликов А.А., Сидоркин А.В., Ямников А.С. Инновационные технологии обработки зубьев цилиндрических колес: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 335 с.
6. Маликов А.А., Сидоркин А.В., Ямников А.С. Резание и пластическое деформирование при шевинговании-прикатывании цилиндрических колес с круговыми зубьями // СТИН. 2012. №11. С. 17–21.
7. Маликов А.А., Валиков Е.Н., Ямников А.С. Специфика профилирования режущих кромок шевера-прикатника // Известия ТулГУ. Технические науки. 2008. Вып. 1. С. 152–162.
8. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин – 12-е изд., стер. М.: Издательский центр «Академия», 2009. 496 с.
9. Детали машин: Атлас конструкций: Учеб. пособие для студентов машиностроительных специальностей вузов. В2-х ч. Ч. 1/ Б.А Байков, В.И. Богачев, А.В. Буланже и др.; Под общ. ред. Д-ра техн. наук., проф. Д.Н. Решетова: – 5-е изд. перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1992. 352 с.
10. Грязев М.В., Федоров Ю.Н., Артамонов В.Д. Анализ процессов зубонарезания цилиндрических зубчатых колес: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009.384 с.
11. Маликов А.А., Сидоркин А.В., Васин С.А., Ковалев Ю.В. Концептуальные основы физического моделирования процесса шевингования-прикатывания цилиндрических зубчатых колес // СТИН. 2022. № 2. C. 2–7.
12. Маликов А.А., Сидоркин А.В., Ковалев Ю.В. Особенности проектирования инструмента для физического моделирования процесса шевингования – прикатывания цилиндрических зубчатых колес // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2023. № 5. С. 8–14.
13. Ковалев Ю.В. Улучшенная конструкция экспериментальной заготовки для моделирования процесса шевингования – прикатывания цилиндрических зубчатых колес // Известия ТулГУ. Технические науки. 2023. Вып. 5. С. 559 – 562.
14. Профилометр «Hommel-etamic W5» [Электронный ресурс] // Технические характеристики прибора URL:https://www.geo-ndt.ru/catalog-25-izmeriteli-sherohovatostiprofilometriprofilemeri/hommel_etamic_w5.htm/ (дата обращения 19.03.2024).
15. Профилометр «Mitutoyo Surftest SJ-301» [Электронный ресурс] // Технические характеристики прибора URL: https://www.geo-ndt.ru/pribor-561-profilometr-surftest-sj-301-mitutoyo.htm/ (дата обращения 19.03.2024).
16. Сидоркин А.В., Ковалев Ю.В., Артамонов В.Д., Маликов Б.А. Исследование износа инструмента в процессе физического моделирования шевингования-прикатывания цилиндрических зубчатых колес // СТИН. 2023. № 5. С. 26–32.
17. Овумян Г.Г., Адам Я.И. Справочник зубореза. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение,1983. 223 с.
