FUNCTIONAL REQUIREMENTS TO CUTTERS AND THEIR SUPPORT ON NC GRINDING-SHARPENING MACHINES
Abstract and keywords
Abstract (English):
Rassmotreny voprosy povysheniya trebova-niy k rezhuschim instrumentam, vyzvannye poyavleniem novyh konstrukcionnyh materialov i uzhestocheniem trebovaniy k tochnosti i kachestvu poverhnostey obrabatyvaemyh detaley. V etoy svyazi otmecheny osobennosti koncevogo rezhuschego instrumenta, a takzhe vliyanie kachestva ego zatochki na ekspluatacionnye svoystva. Rassmotreny tehnologicheskie vozmozhnosti shlifoval'no-zatochnogo oborudovaniya s ChPU pri izgotovlenii i zatochke koncevogo rezhuschego instrumenta, suschestvuyuschie ogranicheniya i puti ih ustraneniya.

Keywords:
koncevoy rezhuschiy instrument, funkcional'nye trebovaniya, frezerno-shlifoval'nyy stanok s ChPU
Text
Publication text (PDF): Read Download

Состояние инструментального производ­ства и организация обслуживания инструмента являются показателями технологического уровня всего промышленного комплекса страны. Это обусловлено их мощным инновационным влиянием на индустриальное развитие государства, поскольку они, имея не только общемашиностроительный, но и межотраслевой характер, направлены на опережающее создание новых материалов и технологий обработки [1]. Металлообрабатывающее оборудование сегодня все чаще рассматривается с точки зрения наличия или отсутствия технологических ограничений на применяемый режущий инструмент, а уровень производительности и качества обработки определяется в первую очередь свойствами режущего инструмента.

Развитие инструментальной промышленности в современных условиях обусловлено усилением конкуренции на мировых рынках. Основной задачей предприятий в таких условиях становится выпуск высококачественной продукции при жесткой экономии материальных ресурсов. Очевидно, что повышение качества выпускаемой продукции невозможно без совершенствования методов обработки и конструкций режущего инструмента [2]. По подсчетам АО «Станкопром» [3], объем годового потребления инструмента российской промышленностью в денежном эквиваленте составляет 60 млрд руб. и только, к сожалению, 1-2 млрд руб. из этой суммы приходится на отечественную продукцию. Таким образом, все современные машиностроительные производства, осуществляющие технологическую модернизацию, оказываются почти полностью зависимыми от импортного инструмента [4].

В то же время многолетний накопленный опыт отечественной промышленности показывает, что декларируемые высокие характеристики дорогостоящего импортного инструмента могут быть обеспечены только в специально созданных условиях, достаточно далеких от сложившихся реалий. Объективно рассматривая экономические и организационно-технические аспекты применения зарубежной продукции, необходимо оценивать возможность ее высокопрофессиональной эксплуатации и многократного восстановления, затратность и окупаемость. При этом следует учитывать, что зарубежные конкуренты не заинтересованы в поставках специальных прецизионных инструментов малыми партиями (5–15 штук). Кроме того, многие из условий эффективности зачастую вполне выполнимы при использовании отечественного инструмента – с учетом рациональной логистики, оптимизации маркетинга и проведения технологического аудита на предприятии [1].

Таким образом, одной из наиболее острых проблем российского машиностроительного комплекса является освоение производства широкой номенклатуры металлорежущего инструмента (в том числе из наноструктурных материалов, твердых сплавов и др.) при обеспечении отечественных инструментальных производств (различных по форме и масштабам) необходимыми технологиями и оборудованием для изготовления и сопровождения всего жизненного цикла этого инструмента.

Так как в большинстве случаев именно режущий инструмент придает заготовке нужную форму и размеры, то его работоспособность и надежность оказывают непосредственное и существенное влияние на экономическую эффективность машиностроительного производства. Основные требования, предъявляемые к режущим инструментам, определяются исключительно их служебным назначением - способностью выполнять заданные функциональные действия с минимальными затратами за весь период эксплуатации. При этом сами требования носят комплексный характер и предусматривают:

- принципиальную возможность осуществления процесса резания обрабатываемой заготовки (обеспечивается физико-механическими свойствами материала режущей части инструмента, а также правильным выбором ее геометрических параметров);

- получение требуемой формы, размеров и качества обработанной поверхности детали (обеспечивается конструкцией инструмента, а также особенностями его заточки, крепления, базирования и регулирования на размер);

- экономическую эффективность режущего инструмента, которая определяется производительностью обработки и ее себестоимостью (в свою очередь, производительность неразрывно связана с режимами обработки (величиной скорости резания, подачей и глубиной резания), а себестоимость обработки детали зависит как от конструктивных особенностей инструмента, так и от трудоемкости его изготовления и от возможности восстановления режущих свойств в ходе эксплуатации).

Требования, предъявляемые к режущему инструменту, постоянно повышаются, что связано с появлением новых конструкционных материалов и существенным ужесточением требований к качеству и точности функциональных поверхностей обрабатываемых деталей. В итоге это создает объективную необходимость улучшения механических, физических и режущих свойств инструментальных материалов (таблица), а также совершенствования технологий изготовления режущих инструментов.

Из всего многообразия режущего инструмента самое пристальное внимание, как со стороны потребителей, так и со стороны предприятий-производителей, традиционно уделяется концевому инструменту (концевые фрезы, сверла, развертки, зенкеры и др.). Это связано с разнообразием функционального назначения и специфическими особенностями концевого инструмента, которые заключаются в следующем:

- наличие в конструкции нескольких одновременно работающих режущих кромок, что предполагает высокие требования к геометрическим параметрам режущей части при изготовлении и заточке;

- наличие сложных винтовых поверхностей с высокими требованиями к качеству (точности и шероховатости), обеспечивающих беспрепятственное удаление стружки из зоны резания;

- в случае сборной конструкции инструмента – наличие соединения рабочей части с хвостовиком, что повышает сложность изготовления инструмента и устанавливает к нему дополнительные требования по надежности, точности и эффективности;

- особые требования к жесткости, что обусловлено удалением (часто значительным) точки приложения результирующей силы резания от места закрепления инструмента;

- повышенные требования к общим геометрическим размерам инструмента, обеспечивающим возможность его высокоточной установки и оперативной настройки на выполняемый размер.

В значительной степени эксплуатационные свойства концевого инструмента (стойкость, производительность резания, степень чистоты и точности обрабатываемой поверхности) определяются качеством его заточки. Основным требованием к заточке является воспроизводимость геометрических характеристик рабочих поверхностей (как на одном инструменте, так и на группе однотипных инструментов, использующихся для выполнения конкретной операции) с целью обеспечения единых условий применения инструмента и стабильности получаемых результатов (по точности и качеству обрабатываемых поверхностей).

                                                                                                                                                                                                       Таблица

                                             Механические, физические и режущие свойства инструментальных материалов

                                                                                                   (средние значения) [5]

Марка материала

Механические свойства

Ударная вязкость, Hм/см2

Физические свойства

Режущие свойства

Твердость HRA

Предел прочности, H/мм2

Теплопро-водность, м∙град

Плотность, кг/м3

Теплостойкость, °С

Относительная величина скорости резания

изгиб

сжатие

сталь

чугун

Инструментальная углеродистая сталь

У12А

80

3140

3920

63

7,8

220

0,5

0,5

Инструментальная легированная сталь

9ХС

80

3140

3920

41,8

7,7

220

0,6

0,6

ХВГ

Быстрорежущая сталь

Р18

82

3620

3720

8,72

21

8,7

600

1,0

1,0

Вольфрамовые твердые сплавы

ВК8

87,5

1370

5,88

58,7

14,6

850

2,9

ВК6

88,5

1240

4900

63

14,8

900

3,4

Титано-вольфрамовые твердые сплавы

Т5К5

88,5

1174

33,5

12,7

900

3,0

Т14К8

89,5

1174

2940

2,94

29,3

11,7

900

3,5

Т15К6

90

1126

3920

2,45

29,3

11,3

950

4,5

Т30К4

92

882

21

9,6

1000

5,5

Минералокерамика

ЦМ-322

92

294 - 392

3430

0,784

16,7

3,9

1200

5,8

5,8

Кубический нитрид бора

Эльбор

98

1500

н/д

н/д

н/д

3,5

1200

8

8

Гексанит

н/д

н/д

н/д

н/д

3,3

900

Синтетический алмаз

АС

100

3500

2000

н/д

н/д

3,5

800

6

                       

Процесс заточки концевых инструментов на отечественных предприятиях до сих пор слабо автоматизирован, что, с одной стороны, объясняется дороговизной оборудования с ЧПУ, сложностью соответствующих технологий и отсутствием опыта их применения, а с другой – усугубляется отсутствием достаточного числа специалистов необходимой квалификации.

Вместе с тем требования к заточке осевого инструмента могут быть эффективно обеспечены при использовании современного шлифовально-заточного оборудования с ЧПУ, которое в силу своих уникальных особенностей, несмотря на отмеченные проблемы, получает все большее распространение на отечественных машиностроительных предприятиях.

В качестве особенностей шлифовально-заточных станков с ЧПУ следует отметить следующие их технологические возможности [6]:

- обработка (вышлифовка и/или затачивание) концевых цилиндрических, конических, радиусных, дисковых отрезных фрез, сверл, метчиков, разверток и другого инструмента, функциональные поверхности которого формируются высокостойкими алмазными и эльборовыми шлифовальными кругами из цельных стальных и твердосплавных заготовок;

- шлифование профилей дисковых кулачков, боковых поверхностей червяков, цилиндрических зубчатых колес, пазов делительных дисков, выполнение других подобных операций;

- заточка абразивным кругом однозаходных насадных прецизионных червячных фрез, а также специальных многозаходных насадных и хвостовых червячных фрез, в том числе с закрытыми стружечными канавками.

Весь процесс обработки может быть смоделирован до начала обработки заготовки на станке, при этом оператор имеет возможность визуально наблюдать на экране системы ЧПУ весь процесс и корректировать программу. Такое преимущество снижает вероятность появления брака и исключает пробную обработку на моделях. Кроме того, программное обеспечение позволяет просмотреть сечения инструмента, форму и геометрию канавки, распознать возможные столкновения круга. Используя систему координат монитора, оператор может промерить значения углов и параметров.

Следует отметить, что широкое применение шлифовально-заточных станков с ЧПУ кроме их высокой стоимости сдерживается еще и отсутствием необходимой инфраструктуры (инженерного, организационного, программного и методического обеспечения).

Однако, несмотря на отмеченные проблемы, данное направление получает все большее развитие у нас в стране. Так, в результате работ, выполняемых совместно ОАО «ВНИИинструмент», ОАО «НИТИ «Микрон» и МГТУ «Станкин», создан новый многокоординатный шлифовально-заточной станок с ЧПУ, который по основным потребительским свойствам соответствует мировым аналогам и предназначен для изготовления широкой номенклатуры металлорежущего инструмента, в том числе из наноструктурных, ультрадисперсных и субмикронных твердых сплавов, а также для переточки (восстановления режущих свойств) концевых твердосплавных фрез, спиральных сверл и др. На станке можно производить прецизионную обработку поверхностей, описываемых различными математическими зависимостями (например винтовых стружечных канавок концевых инструментов) [7].

На кафедре «Металлорежущие станки и инструменты» ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет» ведутся исследования по совершенствованию технологии обработки профильных поверхностей осевых инструментов на шлифовально-заточных станках с ЧПУ с целью разработки тиражируемых технологических решений и соответствующего программно-методического комплекса. В рамках выполняемых исследований предполагается:

- определить виды режущего инструмента, формообразование которых возможно и целесообразно осуществлять на шлифовально-заточных станках с ЧПУ, выполнить их классификацию по установленным критериям;

- разработать методику компьютерного проектирования чертежей выбранных видов режущего инструмента с использованием 3D-моделирования, удовлетворяющую требованиям потребителя и являющуюся основой для последующего решения кинематических задач;

- выполнить обобщение форм производящих поверхностей режущих инструментов, позволяющее обрабатывать выбранные виды режущего инструмента с использованием единого программного комплекса, построенного на основе общей информационной базы;

­- разработать общую математическую модель, позволяющую спроектировать профиль винтовой канавки для обработки шлифовальным кругом стандартного профиля и определить технологические параметры установки шлифовального круга относительно заготовки;

- определить режимные параметры при формообразовании выбранных видов режущих инструментов;

- разработать программный продукт для создания управляющих программ для формообразования выбранных видов режущих инструментов на шлифовально-заточных станках с ЧПУ и выполнить его апробацию в условиях промышленного производства.

В настоящее время осуществляется теоретический этап исследований.

Таким образом, анализ целесообразности и возможности совершенствования в условиях отечественных предприятий технологий обработки профильных поверхностей концевых инструментов на шлифовально-заточных станках с ЧПУ с целью разработки тиражируемых технологических решений позволяет сделать следующие выводы:

1. Изготовление режущих инструментов и обеспечение их заточки в процессе эксплуатации является важнейшей составляющей технической подготовки производства, определяющей в конечном итоге качество выпускаемой продукции. Использование шлифовально-заточных станков с ЧПУ – одно из основных современных направлений развития комбинированных технологий изготовления и заточки концевых режущих инструментов.

2. В настоящее время отсутствует серийное производство отечественных шлифовально-заточных станков с ЧПУ и необходимого к ним программного обеспечения. Поэтому реализация, в том числе в рамках программ импортозамещения, мероприятий, связанных с разработкой технологий обработки на шлифовально-заточных станках с ЧПУ, является одной из актуальных задач отечественного машиностроения.

3. Для достаточно большого числа концевых режущих инструментов (сверла, зенкеры, фрезы) отсутствуют схемы формообразования и математические зависимости, описывающие эти схемы с целью реализации на металлорежущем оборудовании с ЧПУ. В связи с этим разработка соответствующего алгоритмического, программного, информационного обеспечения является важной научной задачей.

References

1. Udanovich, M.R. Instrumental'noe obespechenie vysokotehnologichnyh proizvodstv: sostoyanie, problemy, perspektivy / M.R. Udanovich // Metalloobrabotka. - 2008. - № 5. - S. 40-41.

2. Maksimov, Yu.V. Osnovnye problemy proizvodstva cel'nogo koncevogo tverdosplavnogo instrumenta na stankah s ChPU / Yu.V. Maksimov, P.I. Emel'yanov // Izvestiya MGTU «MAMI». - 2012. - № 2 (14). - T. 2. - S. 130-134.

3. Importozameschenie v instrumental'noy otras-li // Umnoe proizvodstvo. - 2016. - № 3 (35). - S. 75-77.

4. Zubarev, Yu.M. Sovremennoe sostoyanie i per-spektivy razvitiya instrumental'nogo proiz-vodstva / Yu.M. Zubarev // Spravochnik. Inzhenernyy zhurnal. - 2013. - № 3. - S. 29-34.

5. Zubarev, Yu.M. Sovremennye instrumental'nye materialy / Yu.M. Zubarev. - SPb.: Lan', 2008. - 224 s.

6. Protas'ev, V.B. Sostoyanie proizvodstva sovremennogo metallorezhuschego instrumenta v Ros-sii / V.B. Protas'ev, V.V. Istockiy // Izvestiya TulGU. Tehnicheskie nauki. - 2013. - Vyp. 8. - S. 223-231.

7. Borovskiy, G.V. Mnogokoordinatnyy shlifoval'no-zatochnoy stanok s ChPU dlya izgotovleniya instrumenta iz nanostrukturnyh tverdyh splavov / G.V. Borovskiy, S.N. Grigor'ev, E.A. Neginskiy, A.V. Vlasenkov, A.F. Pyl'kin // Komplekt: ITO. - 2011. - № 6. - S. 8-10.

Login or Create
* Forgot password?