Взаимосвязь способов обработки резанием

Большинство способов обработки резанием, кинематическая схема ко­торых включает вращение инструмента или заготовки, можно привести к общей эквивалентной схеме. Например, шлифование цилиндрического по­яска цилиндрическим или чашечным кругом или торцовой поверхности ци­линдрическим кругом (рис. 1.3, а - в) при одинаковом соотношении движений инструмента и заготовки эквивалентно по схеме среза­ния припуска плоскому шли­фованию (рис. 1.3, г). По ки­нематической классификации [2] их относят к разным группам: 405, 501, 503 и 506 (см. рис. 1.2), хотя они име­ют одинаковые параметры резания: относительную траекторию движе­ния режущих зерен, сечение среза, скорость резания.

А

Рис. 1.3. Схема круглого (а, б) и плоского (в, г) шлифования

налогично обра-ботка цилиндрической поверхно­сти дисковой или торцовой фрезой, торца цилиндриче­ской фрезой эквивалентна при одинаковом соотноше­нии движений инструмента и заготовки фрезерованию плоскости. Интересно отме­тить, что изменение соотно­шения скоростей движений, сочетающихся в одной плос­кости, не приводит к измене­нию следов траекторий режу­щих лезвий на обработанной поверхности.

О

Рис. 1.4 Схема торцового фрезерования с прямолинейным (а) и с круговым (б) движением подачи; траектории резания (в)

динаковы по сущности способы фрезерования пло­ских поверхностей торцовой фрезой с прямолинейным или круговым движением заготовки (рис. 1.4, а, б). Вместе с тем при тождественности кинематиче­ских схем способы различаются в зависимости от соотношения движений. Различия иллюстри­руются следами траекторий режущих элементов на обрабо­танной поверхности: попереч­ными при скорости фрезы у_ф на три порядка выше скорости v_c заготовки ( кс = v_c / v_ф = 10^-3), наклонными при созмеримых скоростях ( к_с = 1 ) и продольными при скорости фрезы на три порядка меньше скорости заготовки (к_с = 10³) (рис. 1.4, в). Поэтому при анализе способов обработки следует учитывать не только кинемати­ческую схему, но и технологические признаки, несущие информацию о виде инструмента, числе и комбинации режущих элементов, соотноше­нии скоростей движений, глубине резания и физико-химическом взаимо­действии в зоне резания.

Предлагаемая классификация способов механической обработки по­строена на кинематических и технологических признаках и включает, как необходимый элемент резания, установочное движение на глубину реза­ния t. По этим признакам все схемы независимо от числа движений инст­румента и заготовки можно свести к трем элементарным базовым спосо­бам и их комбинациям [3, 10]. В отличие от двух базовых групп класси­фикации Грановского (I группа - прямолинейное движение и III группа - круговое) предлагаемая классификация основана на трех базовых груп­пах: одной с прямолинейным и двух с круговым относительным движе­нием инструмента при вращении вокруг центра заготовки (толщина среза постоянна), и вокруг центра инструмента (толщина среза переменна).

К базовым способам относят точение, строгание и обработку вра­щающимся резцом.

Точение (Т) - способ съема материала при относительном движении резания по окружности вокруг центра заготовки. Точение переходит в строгание при радиусе заготовки, стремящемся к бесконечности.

Строгание (С) - способ съема материала при относительном прямо­линейном движении резания.

Обработка вращающимся резцом (В) - способ съема материала при относительном движении резания по окружности вокруг центра враще­ния резца. При радиусе резца, стремящемся к бесконечности, процесс переходит в строгание.

В зависимости от соотношения скоростей инструмента и заготовки образуется бесчисленное множество переходных способов, в которых один базовый способ преобладает над другим. Способ, обладающий в равной степени признаками базовых способов, называется комплексным. Графически взаимосвязь между базовыми способами можно установить, если их условно расположить на окружности, символизирующей сочета­ние двух движений, тогда взаимосвязь между всеми базовыми способами можно установить, если их условно расположить на окружности, символизирующей сочетание двух движений, тогда взаимосвязь между всеми базовыми способами находится внутри контура (рис. 1.1).

Рассмотрим взаимо­связь между точением и строганием при обработке резцом. При точении (Т) за­готовка получает вращение с окружной скоростью v_T, а резец - прямолинейное дви­жение (С) вдоль оси заготов­ки со скоростью v_c. Обычная токарная обработка характе­ризуется соотношением ок­ружной скорости вращения и скорости подачи порядка не­скольких тысяч: к_тс = v_T /v_c = = (1 ... 5)*10³. Это означает, что хотя в токарной обра­ботке и присутствует такой элемент строгания, как прямолинейное движение, доля его незначительна. Увеличивая скорость подачи до скорости точения (v_T /v_c = 1), получим ре­зание в двух направлениях сразу со сходом стружки по двум граням резца. Образовался комплексный способ обработки, обладающий в равной степени признаками как точения, так и строгания - токарное строгание (ТС).

Существует бесчисленное множество переходных способов, в кото­рых точение преобладает над строганием. Их можно выразить формулой к_тс ТС, где коэффициент к_тс указывает, во сколько раз скорость точения преобладает над скоростью строгания. Переходные процессы от ТС к С выражаются формулой Тк_стС, в которой скорость строгания в к_ст раз больше скорости точения. При к_тс = v_c / v_T = (1 ... 5)*10⁴ практически главным является строгание, а присутствующий в способе элемент точе­ния - вращение заготовки - выполняет функции кругового движения по­дачи. Когда вращение прекращается (v_T = 0), остается движение строга­ния С. На практике встречаются способы, соответствующие соотноше­нию движений по ТС, например нарезание многозаходных резьб с круп­ным шагом, винтовых шлицев.

Аналогично между С и В существует взаимосвязь через переходные способы к_сСВ и Ск_сВ и комплексный способ - строгание вращающимся резцом (СВ), при котором окружная скорость резца равна скорости стро­гания.

Формулы способов позволяют определить скорость результирующе­го движения резания, равную алгебраической сумме скоростей заготовки и инструмента v_e = (1 ± k)v, где v - наименьшая скорость базового спосо­ба. Между Т и В находятся переходные способы ( к_т ТВ и Тк_тВ) и ком­плексный - точение вращающимся резцом (ТВ), обладающий в равной степени признаками точения и обработки вращающимся резцом. ТВ встречается на практике при токарной обработке заготовок полигранного сечения. Коэффициенты к_с,к_ст,к_т устанавливают соотношение скоростей составляющих движений.

Таким образом, в каждом известном способе объективно присутст­вуют базовые способы в долях соотношения скоростей движения инст­румента и заготовки.

Взаимосвязь между двумя базовыми способами схематично отобра­жается на контуре базовых способов С-Т-В (см. рис. 1.1), внутри которого образуются переходные способы, сочетающие свойства трех базовых. Возможны любые комбинации, например к_тТСВ - токарное строгание с наибольшей окружной скоростью заготовки (см. рис. 1.1, точка 1), Вк_сТС - с наибольшей окружной скоростью резца (см. рис. 1.1, точка 2).

При многолезвийной обработке базовыми способами являются мно­голезвийное точение (ТМ), протягивание (П) и фрезерование (Ф), а ком­плексными переходными способами - токарное протягивание (ТП), фрезо­протягивание (ФП) (разновидность ФП см. рис. 1.4, точка 3), фрезоточе­ние (ФТ); при абразивной - хонингование (X), шлифострогание (ШС), шлифоточение (ШТ). Сочетание трех базовых способов определяет ком­плексный способ - токарное строгание вращающимся резцом (ТСВ); при многолезвийной обработке - токарное фрезопротягивание (ТФП); при абразивной - токарное шлифострогание (ТШС).

Взаимосвязь способов предусматривает непрерывное бесконечное увеличение числа режущих элементов и обрабатывающих воздействий. Рассматривая способы во взаимосвязи числа и размеров режущих эле­ментов с результирующей скоростью резания, можно отметить увеличе­ние скорости с ростом числа и уменьшением размеров режущих элемен­тов. Если при обычных способах обработки однолезвийным инструмен­том скорость резания достигает 5 м/с, при многолезвийных, например фрезеровании, 10 м/с, то при абразивной обработке 80 ... 100 м/с. Скорость разряда импульсов в электроэрозионных способах обработки (v = 0,3 м/с) определяется частотой порядка 30 кГц и длиной пробега час­тицы порядка 0,01 мм, а с наложением движения инструмента, например заточного диска, скорость электромеханического воздействия возрастает до 80 м/с.

В указанной тенденции имеются исключения. Например, скорость многорезцового протягивания и хонингования составляет в среднем 0,5 ... 1 м/с, это объясняется несовершенством оборудования и техниче­ского процесса, возвратно-поступательным движением инструмента. Комплексные способы непрерывного хонингования и шлифования опре­деляют скорости резания, теоретически ограниченные лишь стойкостью инструмента [А.с. 764942, 779022, 818824 (СССР)]. Сообщение осцилли­рующих движений шлифовальному бруску при хонинговании с частотой 200 ... 300 Гц увеличивает скорость относительного скольжения абра­зивных зерен на 15 м/с. Такие же приемы применимы к протягиванию и другим видам многорезцовой обработки.

В общем случае для оценки способа может служить соотношение скоростей составляющих движений. Результирующую скорость v_e = v_в + v_c + v_T удобно использовать для векторного анализа. Обозначив

k_c = v_c/v_B, k _CT = v_c/v_T, k_T = v_T/v_B= ir / R, (1.1)

где i = ω_т / ω_в - отношение угловых скоростей заготовки и резца, г и Л -радиусы заготовки и резца соответственно, получим выражение резуль­тирующей скорости

v_e = v_B + k_C v_B + k_T v_B (1.2)

При k_c = 1 и k_Т = 1 имеет место комплексный способ с тремя равны­ми по скорости составляющими движений. Комбинации могут быть из двух любых движений со скоростями v_в и v_т при к_т = 0, v_в и v_т при к_т = 0; v_T и v_c при v_в = 0, к_с = 0, к_т = 0. При сочетании движений в одной плоско­сти результирующая относительная скорость выражается алгебраической суммой составляющих скоростей и равна нулю при равенстве противо­положно направленных скоростей.

От соотношения скоростей зависит траектория относительного дви­жения инструмента, толщина и длина среза, а следовательно, объем сни­маемого материала. От абсолютного значения скорости относительного движения зависит производительность обработки.