Komsomolsk-upon-Amur, Khabarovsk, Russian Federation
Komsomolsk-upon-Amur, Khabarovsk, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
The work purpose is to determine the impact of cutter spatial oscillation upon parameters and values of worked surface roughness, in particular, the paper is dedicated to the definition of differences in roughness parameters depending on a projecting plane in which cutter oscillation is considered. There are considered the matters of the impact of cutter spatial oscillation upon roughness of the surface worked, and also cutting parameters influencing the intensity and frequency of oscillation of cutter point oscillation. The solution of the problems specified is carried out on the basis of the analysis of data published in scientific literature and experimental data obtained in the course of investigations. The novelty of the work: it is revealed that a dynamic state of the technological system for machining which depends upon a multitude of factors has an influence not only upon a value of surface roughness, but also upon its parameter. Conclusion: surface roughness depends upon relative oscillation processes of the part under machining and a tool cutting edge in the working space caused mainly by a process of chip formation.
parameter, roughness, quality, process dynamics, cutting
Введение
Современное развитие техники и технологий предъявляют повышенные требования к качеству изготовления деталей для различных узлов и агрегатов. Так, например, при изготовлении ряда деталей летательных аппаратов [1; 10], возникает необходимость снятия очень большого объема материала (до 90 %), при этом, очень остро стоит вопрос применения высокопроизводительной обработки с получением заданного конструкторами точности и качества обработки.
Если точность обработки в большей степени зависит от точности системы СПИЗ (станок ‑ приспособление – инструмент – заготовка) [2], то на качество обработки резанием влияет целый комплекс параметров. Такими параметрами можно считать режимы резания, износ режущей кромки инструмента, неоднородность обрабатываемого материала и многие другие. Все эти параметры влияют на качество обработанной поверхности через изменения сил резания; динамическую устойчивость технологической системы; распределение тепла в зоне резания и так далее [3].
Параметры шероховатости
Данной проблеме в последнее время уделяется достаточно пристальное внимание со стороны исследователей, о чем свидетельствуют работы таких ученых [4, 5] . В работе [6] рассматриваются вопросы динамических колебаний инструмента и заготовки в определенной плоскости. В работе [7] изучен вопрос о влиянии различных технологических режимов и способов фрезерования на качество обработки по различным параметрам шероховатости (Ra, Rz, Rq, Rp, Rc, Rt, Rv, Rsm, Rku, Rsk) для пространственных поверхностей.
Оценка параметров шероховатости в соответствии с ГОСТ Р ИСО 4287-2014 осуществляется в определенной плоскости поверхности ZOX (рис. 1) [8]. В плоскости ZOY профиль поверхности имеет совершенно другую характеристику, чем в плоскости ZOX. В этой связи, для оценки качества поверхности в плоскостях ZOX и ZOY, необходимо применять различные параметры шероховатости. Так, например, при продольном точении параметры шероховатости, измеренные в радиальном направлении, в большей степени зависят от динамических характеристик технологической системы; в то время, как параметры шероховатости, измеренные в осевом направлении, больше зависят от скорости подачи, степени заострения вершины режущего инструмента и в меньшей степени зависят от динамических характеристик.
Рис.1. Профиль поверхности по ГОСТ Р ИСО 4287-2014
Пространственные колебания инструмента и их влияние на качество обработанной поверхности
В настоящее время авторами рассмотрено только влияние режимов резания на качество поверхности обработки, а так же влияния динамических процессов в одной из плоскостей ZOX или ZOY.
Однако следует отметить, что режущая кромка относительно обрабатываемой поверхности совершает динамические колебательные перемещения в пространстве.
На примере обработки цилиндрического точения (рис. 2) видно, что колебания в плоскости YOX приводит к перемещению вершины инструмента относительно заготовки на величину CC1 и в плоскости ZOX на величину ВВ1 соответственно (здесь, вопреки всем известным устоям и для простоты понимания (рис. 1, 2), мы интегрировали систему координат из ГОСТ Р ИСО 4287-2014 в схему точения). Тогда, общее отклонение от теоретической точки (линии) резания составит
,
где ∆ - суммарное (пространственное) отклонение вершины режущего инструмента;
ВВ1 и СС1 – отклонение вершины режущего инструмента в плоскостях YOX и ZOX соответственно.
Чем больше амплитуда пространственных колебаний, тем больше высота неровностей обрабатываемой поверхности (шероховатости). Также на параметр шероховатости влияет частота колебаний вершины режущего инструмента. Учитывая тот фактор, что жесткость системы СПИЗ в разных плоскостях различна то и параметры шероховатости будут в этих плоскостях различны.
Для получения требуемой шероховатости обрабатываемой поверхности наряду с установлением параметров обработки, необходимо выполнить оценку динамики пространственных колебаний инструмента относительно заготовки.
Рис. 2. Отклонение вершины режущего инструмента
от теоретической точки контакта
с заготовкой в плоскостях ZOX или ZOY
В работе [9] выполнены исследования перемещения вершины инструмента относительно детали в зависимости от частоты стружкообразования (рис. 3а). На графиках видно, что перемещение вершины инструмента в данном случае уже не представляет собой правильный эллипс перемещений. Предельный цикл рассогласовывается, происходит удвоение его периода. При увеличении частоты стружкообразования до 88,5 Гц (рис. 3б) разрушение предельного цикла продолжается – происходит утроение периода. Такие колебания приводят к тому, что получаемая шероховатость обработанной поверхности в разных плоскостях получается не одинаковая. Чем больше амплитуда пространственных колебаний, тем выше высота выступов шероховатости.
Рис. 3. Перемещение вершины инструмента относительно детали в виде
предельного цикла динамической системы резания: а – резание
с образованием элементной стружки и частотой отделения
элементов 58,5 Гц (удвоение периода предельного цикла);
б – 88,5 Гц (утроение периода)
Как отмечено выше, величины параметров шероховатости связана с частотой стружкообразования, которая в свою очередь зависит от колебаний инструмента относительно заготовки. В работе [8] представлены исследования взаимосвязи скорости резания с силой резания и шероховатостью поверхности.
Из графиков видно, что при обработке стали (рис. 4), с увеличением скорости резания, уменьшается амплитуда колебаний вершины в рабочем пространстве за счет уменьшения силы резания и, как следствие, высоты микронеровностей (шероховатость) обработанной поверхности.
Рис. 4. Зависимость силы резания (сплошная линия)
и шероховатости обработанной поверхности
(пунктирная линия) от скорости резания
при фрезеровании закаленной стали 40Х
Заключение
Из вышесказанного можно сделать заключение, что шероховатость поверхности зависит от относительных колебательных процессов обрабатываемой детали и режущей кромки инструмента в рабочем пространстве во многом вызванными процессом стружкообразования.
В настоящее время в КнАГУ проводятся научные исследования, направленные на изучение влияния колебаний инструмента относительно заготовки на качество обработанной поверхности.
1. Murav'ev, V. I. Osobennosti obrazovaniya specificheskih defektov pri sborke krupnogabaritnyh titanovyh konstrukciy letatel'nyh apparatov / V. I. Murav'ev, V. V. Grigor'ev, P. V. Bahmatov // Vestnik Moskovskogo aviacionnogo instituta. - 2019. - T. 26. - № 4. - S. 17-27.
2. Kudinov, V. A. Dinamika stankov / V. A. Kudinov. - M.: Mashinostroenie, 1967. - 368 c.
3. Bilenko, S. V. Ispol'zovanie cvetovoy pirometrii pri izmenenii temperatury struzhki pri vysokoskorostnoy obrabotke / S. V. Bilenko, P. A. Sablin, N. K. Leont'evskaya // Kontrol'. Diagnostika. - 2013. - № 8. - S. 37-43
4. Zakovorotnyy, V. L. Vliyanie fluktuaciy na ustoychivost' formoobrazuyuschih traektoriy pri tochenii / V. L. Zakovorotnyy, V. E. Gvindzhiliya // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Severokavkazskiy region. Seriya: Tehnicheskie nauki. - 2017. № 2 (194). - S. 52-61.
5. Kabaldin, Yu. G. Samoorganizuyuschiesya processy v tehnologicheskih sistemah obrabotki rezaniem. Diagnostika, upravlenie : monografiya / Yu. G. Kabaldin, A. M. Shpilev. - Vladivostok: Dal'nauka, 1998. - 296 s.
6. Kabaldin, Yu. G. Matematicheskoe modelirovanie dinamicheskoy ustoychivosti processa rezaniya v vide nelineynogo oscillyatora s razryvnymi harakteristikami / Yu. G. Kabaldin, S. V. Bilenko, P. A. Sablin // Vestnik mashinostroeniya. - 2006. - №10. - S. 35-43.
7. Gimadeev, M. R. Povyshenie kachestva mehanoobrabotki slozhnoprofil'nyh detaley na pyatikoordinatnyh obrabatyvayuschih centrah : special'nost' 05.02.07 «Tehnologiya i oborudovanie mehanicheskoy i fiziko-tehnicheskoy obrabotki» : dis. na soiskanie uchenoy stepeni kand. tehn. nauk / Gimadeev Mihail Radikovich ; Tihookeanskiy gosudarstvennyy universitet. - Habarovsk, 2018. - 142 s. - Mesto zaschity: Komsomol'skiy-na-Amure gosudarstvennyy universitet. Komsomol'sk-na-Amure. - Tekst : neposredstvennyy.
8. GOST R ISO 4287-2014. Geometricheskie harakteristiki izdeliy (GPS). Struktura poverhnosti. Profil'nyy metod. Terminy, opredeleniya i parametry struktury poverhnosti = Geometrical Product Specifications (GPS). Surface texture. Profile method. Terms, definitions and surface texture parameters : nac. standart Rossiyskoy Federacii : izd. ofic. : utv. i vved. v deystvie Prikazom Federal'nogo agentstva po tehnicheskomu regulirovaniyu i metrologii ot 12 dekabrya 2014 g. N 2078-st : pereizdanie : yanvar' 2019 / podgot. Obschestvom s ogranichennoy otvetstvennost'yu "CITOproekt" (OOO "CITO-proekt") na osnove sobstvennogo perevoda na russkiy yazyk angloyazychnoy versii standarta ISO 4287 "Geometrical Product Specifications (GPS) - Surface texture: Profile method - Terms, definitions and surface texture parameters", IDT.
9. Sablin, P. A. Povyshenie effektivnosti vysokoskorostnoy mehanicheskoy obrabotki : special'nost' 05.03.01 «Tehnologiya i oborudovanie mehanicheskoy i fiziko-tehnicheskoy obrabotki» : dis. na soiskanie uchenoy stepeni kand. tehn. nauk / Sablin Pavel Alekseevich ; Komsomol'skiy-na-Amure gosudarstvennyy tehnicheskiy universitet. - Komsomol'sk-na-Amure, 2008. - 141 s.
10. Bashkov, O. V. Issledovanie deformacionno-tehnologicheskih harakteristik stali 12H18N10T / O. V. Bashkov, V. A. Kim, S. Z. Lonchakov, R. A. Fizulakov, I. V. Belova // Uchenye zapiski Komsomol'skogo-na-Amure gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2019. - № I-1(37). - S. 77-83.
