книги / Обработка резанием с вибрациями книга
..pdfУДК 621.9.01:534.!
Обработка резанием с вибрациями. П о ду ра -
ев В. H. М., «Машиностроение», 1970, стр. 350.
Вкниге наложены основные физические особенности
иданы рекомендации по применению одного из новых методов механической обработки — резания с вибра циями. Исследования показали достаточно широкие практические возможности этого метода по созданию эффективных средств дробления стружки, улучшению обрабатываемости резанием новых видов материалов
(прежде всего нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов), по механизации и автоматизации операций механической обработки. Рассмотрены вопросы кине матики, механики и физики процесса резания с вибраднями, а также изложена методика проектирования типовых операций (точения, сверления н нарезания резьб) с использованием колебаний. Приведены реко мендации по практическому освоению этого метода.
Книга предназначена для инженерно-технических ра ботников металлообрабатывающих заводов и научноисследовательских институтов машиностроительных и приборостроительных отраслей промышленности.
Табл. 25, илл. 115, библ. 66 назв.
Рецензент д-р техн. наук В. А. Кудинов. Редактор ииж. В. В. Ржавинский,
3 -1 2 -4
269 -7 0
ВВЕДЕНИЕ
Широкое применение в промышленности новых ви дов материалов — высокопрочных, нержавеющих, жаро прочных и тугоплавких сталей н сплавов, а также ин
тенсификация процессов резания обычных сталей вы двинули на первый план вопросы обработки металлов резанием, связанные с вибрациями; при этом можно отметить два направления, по которым идет исследова ние вибраций.
Первое направление связано с возникновением вред ных вибраций, появляющихся при механической обра ботке в результате действия непредусмотренных явле ний и ведущих к снижению качества поверхности, точ ности обработки, стойкости инструмента. Применение рациональных средств, обеспечивающих высокую жест кость системы станок—приспособление—инструмент— деталь (СПИД), устойчивость движения резания и га шение вибраций, является одним из основных резервов повышения производительности механической обработ ки хрупкими твердосплавными и минералокерамиче скими инструментами. Особое значение имеют эти воп росы для обработки деталей из нержавеющих и жаро прочных сталей и сплавов, процесс резания’ которых характеризуется повышенной склонностью к появлению вибраций; вибрации становятся недопустимо большими при обработке нежестких деталей. При обработке от верстий в деталях из обычных сталей виброустойчи вость процесса резания недостаточна из-за низкой жесткости инструмента.
Второе направление исследования вибраций связано с освоением метода вибрационного резания — положи тельного использования вибраций. Оно обеспечивает эффективное и надежное дробление стружки, образую щейся в зоне резания, что является одним из основных условий для осуществления высокопроизводитель-
ной обработки на универсальном оборудовании и авто матизации операций механической обработки. Этот ме тод также позволяет повысить обрабатываемость нержа веющих и жаропрочных сталей и сплавов.
Применение вибрационного резания не противоречит поискам средств гашения вредных вибраций, снижения их интенсивности. Это свидетельствует только о том, что познание физической сущности вредного явления и его правильное использование приводятся к полезным прак тическим результатам и внедрению в производство.
Теоретическому исследованию причин возникновения вредных вибраций, разработке практических средств их гашения посвящено значительное количество опублико ванных работ. Приоритет в разработке этих вопросов принадлежит научным школам, созданным советскими учеными — проф. А. И. Кашириным (ИМАШ АН
СССР), проф. А- П. Соколовским (ЛПИ им Калинина)
[41], проф. Д. И Решетовым (ЭНИМС, МВТУ им. Бау мана) [11]. В последние годы были исследованы сред ства обеспечения устойчивости движения резания; в пер вую очередь следует отметить работы, выполненные в ЭНИМСе В. А. Кудиновым [19], в ОКБС в Ленингра
д е |
— М. |
Е. Эльясбергом |
[51], в УПИ им. Калинина — |
И. |
И. |
Ильницким, в |
ЦНИИТМАШе — Л. К. Куч |
мой [11]. |
|
Между тем исследования по использованию вибра ций при резании малочисленны, разобщены и большин ство их посвящено рассмотрению отдельных частных вопросов. Основные параметры, определяющие этот про цесс, комплексно не рассматривались. В настоящей ра боте излагаются основные закономерности процесса резания с вибрациями, а именно кинема гика и механика процесса, основные физические явления, определяющие его. Отдельно выделено рассмотрение особенностей прерывистого резания с вибрациями. На основе этих закономерностей даются практические рекомендации промышленного применения этого перспективного мето да для наиболее распространенных операций — точения, сверления и нарезания резьб.
Идея использования вибраций для улучшения опера ций резания не является новой: она впервые была вы двинута русским исследователем В. Л. Татариновым в 1910 г. Первые работы по промышленному применению
метода были сделаны во ВНИИ |
(1953 г.) Г. М. Р ыбки |
|
ным и Б. И. Самойловым [38] |
и по |
вибрационному |
сверлению — НИИСельхозмаше ;(195б г.) |
М. Н. Удити- |
ным, М. Г. Курицыным [44] к С. А. Черничкильш [48]. Наиболее полные исследования резания с ультразвуко
выми |
колебаниями |
были |
проведены |
в ЦНИИТМАШ е |
||||
А. И. Исаевым |
и |
В. С. |
Анохиным |
[121. |
в МАИ — |
|||
А. И. Марковым |
[20], |
в |
КуАИ |
Н. И. |
Резниковым, |
|||
М. С. Нерубай, Э. А. Михаилкжом |
[22, 23] |
и в Ростов |
||||||
ском |
институте |
с.-х. машиностроения |
В. Д . Мартыно |
|||||
вым [33]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
настоящей |
работе обобщены |
результаты теорети |
|||||
ческих и экспериментальных |
исследований |
резания с |
||||||
вибрациями, выполненных |
в МВТУ |
им. Н. |
Э. Баумана |
в 1956— 1967 гг. Основное внимание было уделено при менению низкочастотных вибраций для улучшения опе раций механической обработки, связанных со снятием стружки значительных размеров, т. е. исключая опера ции абразивной обработки. Большинство исследований было проведено (по заданию промышленности) коллек тивом сотрудников проблемно-отраслевой лаборатории под руководством автора Большой вклад в организа цию и проведение этих исследований был внесен заел,
деятелем науки и |
техники, |
Героем социалистического |
|||
труда, проф. д-ром |
техн. наук Э. А. Сателем |
, а так |
|||
ж е Б. С. Камаловым, А. Г. Туктановым, А. А, |
Суворо |
||||
вым, |
В. А. Пастуновым |
и Б. М. Ярославцевым. |
|
||
В |
книге результаты |
ряда |
исследований изложены в |
сжатой форме; вместе с тем, как видно из приведенного перечня в книге рассматривается широкий круг вопро
сов, связанных с отработкой весьма сложного |
и |
вместе |
с тем малоизученного процесса — резания |
с |
вибра |
циями. |
|
|
Глава I
ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ВИБРАЦИЙ ПРИ РЕЗАНИИ. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ
Изыскание новых методов обработки металлов реза нием ведется путем изменения характера приложения механического воздействия на срезаемый слой (напри мер, на вибрационное, сверхскоростное), использования качественно новых видов воздействия на материал сре заемого слоя (химического, электрического), примене ния комбинированных методов обработки, построенных на совмещении равномерного механического воздействия с вибрационным, тепловым, химическим, электриче ским воздействиями. Сочетание каждого из этих про цессов с другими, а также комбинации из трех или четырех элементов определяют известные к настоящему времени новые методы обработки металлов снятием стружки. Комбинированные методы обработки отли чаются наибольшей эффективностью. Значительное ме сто среди них занимает механическая обработка с виб рациями в специальных средах, совмещающая равномер ное движение резания с вибрационным воздействием на материал срезаемого слоя в химически активной среде.
Применение резания с вибрациями па оптимальных режимах позволяет успешно решать многие актуальные проблемы, стоящие перед металлообрабатывающей про мышленностью.
Резание с вибрациями обеспечивает надежное дроб ление стружки. Интенсификация процессов механиче ской обработки путем использования твердосплавного и керамического инструментов, применения методов мно гоинструментальной обработки и силового резания рез ко увеличивает количество стружки. При обработке мно гих материалов стружка сливная. Она загромождает цеховое пространство, является причиной травм рабо-
чих, затрудняет эксплуатацию универсального и особен но автоматизированного оборудования, требуя для от вода от движущихся узлов станков дополнительного труда рабочего.
Процесс удаления стружки заключается в ее дроб лении и iBbiiioce из рабочего пространства станка. Мел кодробленая стружка легко удаляется шнековыми и пневматическими устройствами. Дробление стружки до настоящего времени вызывает серьезные затруднения.
Достоинством широко применяемых в настоящее вре мя способов дробления стружки (лунки, уступы, на кладные стружколомы) является простота: на многих операциях они дают удовлетворительное решение этой задачи. Вместе с тем они несовершенны [28].
Другими возможными способами стружкодробления является оснащение станка устройствами, позволяющи ми периодически прекращать подачу режущего инстру мента, т. е. осуществлять так называемое дискретное резание [15] или быстро отводить инструмент в направ лении, противоположном направлению подачи на вели чину больше толщины стружки.
При применении первого способа весьма значитель ные упругие деформации системы СПИД не позволяют мгповенно прекратить ■процесс резания. Кроме того, вследствие постепенного снятия упругих сил будет про исходить образование борозд на обработанной поверх ности. Периодические остановы приведут также к сни жению производительности обработки. Второй способ по тем же причинам используется практически лишь на сверлильных станках.
Более перспективным и универсальным является ис пользование для дробления стружки резания с вибра циями (между прочим оба упомянутых метода можно рассматривать как частные случаи резания с вибрация ми очень малой частоты и негармонического вида).
При резании с вибрациями в ряде случаев |
повы |
ш а е т с я о бр а б а т ы в а е м о с т ь р е з а н и е м |
м а т е |
р и а л о в прежде всего новых видов (нержавеющих и жаропрочных). Обрабатываемость материалов реза нием определяется: интенсивностью износа инструмента; сопротивлением, оказываемым данным материалом дви жению резания, оцениваемым прежде всего по величине возникающих силы резания и температуры; качеством
поверхности. Как показывают лабораторные испытания и опыт производственного внедрения, задание вибраций оптимальных параметров уменьшает интенсивность из носа инструмента из-за снижения действующих сил, температуры и повышения эффективности применения смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), т. е. увели чивает стойкость инструмента и повышает качество по верхности. Применение вибраций также резко сокра щает поломки инструмента и тем самым увеличивает срок их .службы. Это подтверждают данные по вибра ционному сверлению обычных и глубоких отверстий, когда получение мелкой стружки, удобной для удаления формы, исключает поломку сверл вследствие ликвида ции пробок из стружки в канавках сверла. Сокращение поломок корпуса и разрушения режущих кромок ин струмента при резании с вибрациями наблюдается и при нарезании резьб (особенно глухих) метчиками, при этом случаи схватывания и защемления инструмента в отвер стии наблюдаются реже.
Наложение вибраций при резании заменяет непре рывное взаимодействие рабочих поверхностей инстру мента с обрабатываемым материалом прерывистым и
тем самым п о в ы ш а е т |
э ф ф е к т и в н о с т ь в о з д е й |
|
с т в и я о к р у ж а ю щ е й |
с р е д ы |
путем более надеж |
ного периодического омывания |
режущего клина ин |
струмента СОЖ. Большое значение в процессе резания приобретают переходные процессы, связанные с вре занием и выходом инструмента. Все это позволило соз дать новый метод обработки — ударно-прерывистое резание. Оно характеризуется по сравнению с обычным большим удельным весом динамических явлений и по вышенных скоростей резания в процессе стружкообразования при обеспечении удовлетворительных условий работы режущего клина за счет его периодического от дыха. сопровождающегося активным формированием па нем в среде СОЖ защитных пленок.
Переход на обработку резанием с вибрациями в ря де случаев обеспечивает повышение виброустойчивости
системы и тем самым |
позволяет осуществить |
з а м е н у |
б ы с т р о р е ж у щ е г о |
и н с т р у м е н т а |
т в е р д о |
с п л а в н ы м , т. е. повысить производительность обра ботки. Это очень важно в первую очередь для операций обработки отверстий, которые характеризуются низкой
жесткостью инструмента, затрудненным стружкоудалением и трудностью подачи СОЖ в зону резания. Обра зование в этом случае за счет вибраций мелкодробле ной стружки позволяет уменьшить поперечные сечения канавок для удаления стружки и тем самым повысить жесткость стебля сверла. Это дает возможность осна щать его твердым сплавом. Такое сверло спроектиро вано специально как инструмент для обработки с виб рациями с учетом специфических особенностей этого процесса. Внедрение станка BC-IV конструкции МВТУ им. Баумана для вибрационного сверления с одновре менной заменой быстрорежущего сверла новым типом инструмента с пластинкой твердого сплава ВК8 и под
водом СОЖ нод высоким |
давлением ио |
внутренним |
|||
канавкам |
непосредственно |
в |
зону |
резания |
позволили |
повысить |
производительность |
на |
операции |
сверления |
отверстий диаметром 4,5 мм в сплаве ЭИ 827 на глу бину 35 мм в 4—5 раз и резко сократить расход инстру
мента. Такая обработка обеспечила повышенную точ ность и чистоту, что позволило исключить операцию развертывания отверстия.
Применение обработки резанием с вибрациями поз
воляет осуществить м е х а н и з а ц и ю |
о п е р а ц и й , на |
которых при использовании обычного |
метода резания |
применяется ручной труд. Это объясняется тем, что ис пользование вибраций создает на ряде операций более благоприятные и стабильные условия для работы инст рументов. К таким операциям относится сверление от верстий малого диаметра (1,0—3,0 мм) в деталях из
нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, осо бенно с Засверловкой их в 'косой торец (например, кон тровочных отверстий в гайках). Сверление таких отвер стий обычно производится с ручной подачей, что позво ляет непрерывно следить за работой инструмента. Попытки механизировать подачу были связаны с мас совыми поломками сверл. Вибрационное сверление от верстий диаметром 1,6 мм на глубину 8 мм. в нержа
веющей стали Х18Н9Т с принудительной механической подачей (s.«iW=30 мм/мин, «=2800 обfм.ин) по сравне
нию с ручной при обычном сверлении без вибраций дает увеличение производительности в 1,5—2 раза, стойкости — в 2—2,5 раза. Для этой операции в МВТУ им. Баумана созданы опытные конструкции станков-по луавтоматов.
Другим примером является нарезание резьб метчи ками. Ручной труд необходим при использовании обыч ного метода обработки для попадания последующих метчиков в предварительно нарезанную резьбу. Исполь зование-патрона для ударно-прерывистого резания, не имеющего жесткой связи инструмента с приводомшгшнделем, ликвидирует в этих случаях необходимость
вручном труде и повышает стойкость инструмента. Применение резания с вибрациями на ряде операций
создает в о з м о ж н о с т ь а в т о м а т и з а ц и и , так как обеспечиваемое этим методом надежное дробление стружки позволяет не прерывать автоматическую рабо ту суппортов и шпинделей. Это имеет место при обычном резании; создает стабильные условия обработ ки для инструментов, работающих в затрудненных ус ловиях, например при сверлении отверстий малого диа метра или глубоком сверлении, когда при обычном резании из-за закупоривания стружкой отводящих ка навок необходимо постоянное наблюдение рабочего за поведением инструмента и периодические его выводы из отверстия при защемлении стружкой.
Применение вибраций является одним из новых тех нических средств, обеспечивающих . п о в ы ш е н и е э ф ф е к т и в н о с т и а в т о м а т и з а ц и и п р о и з в о д ства. Нередко полной автоматизации всего технологи ческого процесса механической обработки деталей пре пятствует одна или две операции из-за их крайне малой производительности или невозможности выполнять цх в автоматическом режиме. Например, в автоматизиро ванном производстве широкое применение находят мно гошпиндельные агрегатные силовые головки. f Так как все инструменты имеют одинаковую минутную подачу, то производительность всей головки определяется усло виями резания, например, сверления, на лимитирующем шпинделе; вибрационное сверление на нем позволяет в 2— i раза повысить режимы резания и за счет этого
увеличить производительность всейагрегатной головки или автоматической линии.
Весьма распространенными и трудоемкими являются операции обработки глубоких ||-^- = 10ч-5о| и ультраглу-
боких ^-^->50^ отверстий. Решающими условиями