Комсомольск-на-Амуре, Хабаровский край, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
Новосибирск, Новосибирская область, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Разработаны рекомендации, позволяющие минимизировать применение дорогостоящих монолитных фрез посредством использования более дешёвых - составных фрез. Сформирован новый подход к конструкции концевых твёрдосплавных фрез. Разработаны рекомендации, позволяющие применять составные твёрдосплавные концевые фрезы без снижения точности обработки в сравнении с монолитными фрезами.
фреза, точность, обработка, паз, исследование, метод
Введение
Применение монолитных концевых твёрдосплавных фрез позволяет обрабатывать заготовки деталей с высокой точностью, но их высокая стоимость снижает эффективность фрезерования. Концентрация нагрузок в области закрепления фрезы в патроне зачастую приводит к сколу хвостовика фрезы (рис. 1а). Статистика [1] отказов и примеры разрушения хвостовиков концевых монолитных фрез приведены на рис. 1б.
|
|
|
а) б)
Рис. 1. Примеры а - скола хвостовиков и статистика; б - отказов концевых монолитных фрез
Такая низкая надёжность монолитных фрез ставит задачу поиска более рациональных вариантов конструкции концевых фрез.
Вопросами повышения работоспособности металлорежущего инструмента и концевых фрез занимались многие отечественные и зарубежные исследователи, например [2 – 17]. Однако полученные ими результаты не исчерпали растущие требования современного машиностроения. Требуется разработка новых рекомендаций.
Методология исследования
Исследование построено на применении программной среды ANSYS как метода исследования [18]. Это позволило рассмотреть разные варианты конструкций разработанных авторами фрез. Они названы составными. У них твёрдосплавная режущая часть сопряжена с хвостовиком, выполненным из более дешёвого материала, исключающего возможность хрупкого разрушения хвостовика у места крепления в патроне станка. Сопряжение режущей части и хвостовика имеет разные варианты исполнения и спаяно.
Параметром для оптимизации конструкции фрезы принята величина отклонения Уоткл стенки паза из условия: чем меньше величина отклонения, тем выше точность обработки (рис. 2).
Основные исследования сделаны применительно к концевым фрезам, изготавливаемых в соответствии с ГОСТ [19, 20]. Для фрезы диаметром 16 мм рассмотрены длины 92 мм и 123 мм. Рассмотрены случаи, когда длина режущей части составляет 40 мм. За рамками ГОСТ использованы и другие длины фрез. Рассмотрены также разные диаметры фрез, минимальный диаметр 10 мм. Сила резания ограничена величиной 3000 Н, точность обработанной поверхности стенки паза должна быть в пределах 6 – 9 квалитетов точности, типичных для общего машиностроения.
Рис. 2. Схема формирования отклонения Уоткл положения стенки обрабатываемого паза при действии радиальной составляющей Рy силы резания от теоретического вертикального положения стенки:
1 – хвостовик фрезы; 2 - твёрдосплавная режущая часть фрезы; 3 – зажимное устройство станка;
4 – обработанная поверхность паза заготовки 5
Рассмотрено три примера материала хвостовика, конструкционная сталь 40Х, быстрорежущая сталь Р18 и неинструментальный твёрдый сплав марки Т30К4. При материале режущей части ВК8 сочетания с такими хвостовиками условно обозначили ВК8 + 40Х, ВК8 + Р18, ВК8 + Т30К4.
Обсуждение полученных результатов
Примеры исполнения составных фрез показаны на рис. 3.
На рис. 3а, 3в и 3г показаны разные варианты исполнения фрезы диаметром 16 мм с хвостовиком, выполненным из конструкционной стали 40Х. В частности, на рисунке 3г показана фреза с нанесённым покрытием. Кольцевая канавка на ней – это место спая режущей части фрезы с её хвостовиком. Для примера на рисунке 3б показана сборная фреза конструкции фирмы Sandvik coromant со сменной режущей частью. Штангенциркуль на фото показан для возможности визуального сравнения габаритов фрезы.
|
|
Рис. 3. Примеры составных фрез длиной 92 мм
На рис. 4 приведены отдельные примеры построения диаграмм сравнения, отражающих величины отклонения Уоткл для фрез разной длины L при разной ширине В фрезерования. Под шириной В фрезерования здесь понимается длина участка режущей части фрезы, задействованная в резании (например, из 40 мм длины режущей части фрезы резание осуществляется только 15 мм).
Так, например, из рис. 4а видно, что для фрезы длиной 92 мм при ширине В фрезерования 5 мм все отклонения Уоткл не превышают 3 мкм, а при ширине В = 15 мм максимальная величина отклонения - 5 мкм (у фрезы ВК8+40Х). При этом, для остальных фрез (при режущей части ВК8 в сочетании с хвостовиками Р18 и Т30К4) отклонения при ширине фрезерование В=15 мм соизмермы с теми, которые были при ширине фрезерования В=5 мм.
Кроме того, из рис. 4а-д при анализе двух видов фрез с разной шириной фрезерования В (например, В=5 мм и В=15 мм) выявлено, что, чем больше длина фрезы L, тем больше и величина отклонения Уоткл, т.е. УотклL=92мм < УотклL=123мм < УотклL=180мм. Аналогичный вывод можно сделать при сравнительном анализе изображений рис. 4б-е.
Сравнительный анализ рис. 4а-б при исследовании четырех разных видов фрез с одинаковой длиной, например, при L = 92 мм, показал, что, чем больше ширина фрезерования В, тем больше и величина отклонения Уоткл, т.е. УотклB=5мм < УотклB=15мм < УотклB=30мм < УотклB=40мм. Аналогично – для рис. 4в-г и рис. 4д-е.
Подобные диаграммы сравнения получены для всего диапазона рассматриваемых фрез. Информация, представленная на диаграммах, подтверждена экспериментальными исследованиями при натурном фрезеровании.
|
а)
|
б)
|
|
в)
|
г)
|
|
д)
|
е)
|
Рис. 4. Графическая иллюстрация изменения величины Уоткл в зависимости от длины L
монолитной фрезы и ширины В фрезерования
Заключение
Анализ графической информации (рис. 1 – 4) позволяет сделать следующие выводы.
- Составные фрезы в рамках рассмотренных параметров (длина от 92 мм до 220 мм, длина режущей части 40 мм, диаметр 16 мм) применимы на предприятиях общего машиностроения. Погрешность Уоткл составляет от 2 до 50 мкм.
- Чем меньше длина фрезы, тем выше точность изготовления стенки паза (тем меньше величина Уоткл) в заготовке обрабатываемой детали.
- При длине фрезы 92 мм точность не уступает точности, получаемой при применении монолитной фрезы. Следовательно, фрезу длиною 92 мм можно использовать для изготовления высокоточных деталей (погрешность Уоткл составляет от 2 до 9 мкм).
- При длине L 123 и 180 мм составная фреза конкурирует со сборной фрезой и может быть использована при изготовлении деталей общего машиностроения (погрешность Уоткл составляет от 2 до 35 мкм).
- При длине 220 мм составная фреза применима для работы в заготовительных участках предприятий общего машиностроения. Уоткл составляет от 4 до 50 мкм.
- Из всех вариантов исполнения хвостовиков у составных фрез с позиций точности обработки паза в заготовке детали предпочтителен вариант ВК8 + Т30К4, затем ВК8 + Р18 и ВК8 + 40Х. При этом экономия стоимости составных фрез в сравнении с монолитной фрезой (её стоимость в зависимости от фирмы-производителя для длины 92 мм при диаметре 16 мм изменяется от 1,5 до 2,5 тыс рублей) составляет: а – для фрезы длиной 92 мм - 4%; б – для фрезы длиной 123 мм - 12%; в – для фрезы 180 мм - 26%; г – для фрезы 220 мм - 38%.
Дополнительно выполнены исследования по эффективности применения покрытий (рис. 3г) на составных фрезах. Здесь их результаты не приводятся. Необходимо отметить, что применение покрытий существенно снижает силу резания и её радиальную составляющую Р1, что снижает прогиб фрезы и, соответственно, повышает точность обработки.
1. Мокрицкий, Б. Я. Моделирование как средство оптимизации геометрии металлорежущего инструмента / Б. Я. Мокрицкий, В. Ю. Верещагин, А. С. Верещагина // Металлообработка. - 2018. - №1. - С. 14 - 19.
2. Воробьев, А. В. Проектирование сменных многогранных пластин для сборных режущих инструментов по целевому назначению / А. В. Воробьев, М. А. Корчуганова, С. И. Петрушин, О. Ю. Ретюнский // Вестник машиностроения. - 2002. - № 5. - С. 47-50.
3. Петрушин, С. И. Моделирование процесса изнашивания лезвия режущего инструмент / С. И. Петрушин, А. В. Воробьёв // Вестник машиностроения. - 2005. - №12. - С. 31-34.
4. Bouzakis, K. D. Cutting with coated tools: coating technologies, characterization methods and performance optimization / K. D. Bouzakis, N. Michailidis, G. Skordaris, E. Bouzakis, D. Biermann, R. M’Saoub // CIRP Ann. Manuf. Technol. 61 (2012) 703- 723.
5. Fox-Rabinovich, G. S. Impact of annealing on microstructure, properties and cutting performance of an AlTiN coating / G. S. Fox-Rabinovich, J. L. Endrino, B. D. Beake, A. I. Kovalev, S. C. Veldhuis, L. Ning, F. Fotaine, A. Gray// Surf. Coat. Technol. 201 (2006) 3524-29.
6. Fox-Rabinovich, G. S. Nano-crystalline filtered arc 5 deposited (FAD) TiAlN PVD coatings for high-speed machining applications / G. S. Fox-Rabinovich, G. C. Weatherley, A. I. Dodonov, A. I. Kovalev, L. S. Shuster, et al. // Surf. Coat. Technol. 177-178 (2004) 800-811.
7. Fox-Rabinovich, G. S. Tribological adaptability of TiAlCrN PVD coatings under high performance dry machining condition/ G. S. Fox-Rabinovich, K. Yamamoto, S. C. Veldhuis, A. I. Kovalev, G. K. Dosbaeva // Surf. Coat. Technol. 200 (2005) 1804-13.
8. Erkens, G. Properties and performance of high aluminum containing (Ti, Al)N based supernitride coatings in innovative cutting applications / G. Erkens, R. Cremer, T. Hamoudi, K.-D. Bouzakis, et al. // Surf. Coat. Technol. 177-178 (2004) 727-734.
9. Fox-Rabinovich, G. S. Structure, properties and wear performance of nano-multilayered TiAlCrSiYN/ TiAlCrN coatings during machining of Ni-based aerospace superalloys / G. S. Fox-Rabinovich, B. D. Beake, K. Yamamoto, M. H. Aguirre, S. C. Veldhuis, G. Dosbaeva, A. Elfizy, A. Biksa, L. S. Shuster, A.Y. Rashkovskiy // Surf. Coat. Technol. 204 (2010) 3698-3706.
10. Zhang, H. A process parameters optimization method of multi-pass dry milling for high efficiency, low energy and low carbon emissions / H. Zhang, Z. Deng, Y. Fu, L. Lv, C. Yan // J. Clean. Prod. 148 (2017) 174-184.
11. Huang, W. An analytical index relating cutting force to axial depth of cut for cylindrical end mills / W. Huang, X. Li, B. Wang, J. Chen, J. Zhou // Int. J. Mach. Tools Manuf. 111 (2016) 63-67.
12. Zhao, W. Cutting performance evaluation of end mills for titanium aircraft components / W. Zhao, S. Wang, Z. Han, N. He // Procedia CIRP 35 (2015) 1-7.
13. Baohai, W. Cutting tool temperature prediction method using analytical model for end milling / W. Baohai, C. Di, H. Xiaodong, Z. Dinghua, T. Kai // Chin. J. Aeronaut. 29 (2016) 1788-1794.
14. Vereschaka, A. A. Delamination and longitudinal cracking in multi- layered composite nano-structured coatings and their influence on cutting tool life / A. A. Vereschaka, S. N. Grigoriev, N. N. Sitnikov, A. D. Batako // Wear 390-391 (2017) 209-219.
15. Vereschaka, A. A. Development of assisted filtered cathodic vacuum arc deposition of nano-dispersed multilayer composite coatings on cutting tools / A.A. Vereschaka // Key Eng. Mater. 581 (2014) 62-67, doihttps://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.581.62.
16. Vereschaka, A. A. Study of properties of nanostructured multilayer composite coatings of Ti-TiN-(TiCrAl)N and Zr-ZrN-(ZrNbCrAl)N / A. A. Vereschaka, A. S. Vereschaka, Ju. I. Bublikov, A. Y. Aksenenko, N. N. Sitnikov // J. Nano Res. 40 (2016) 90-98, doihttps://doi.org/10.4028/www.scientific.net/JNanoR.40.90.
17. Volkhonskii, A. O. Filtered cathodic vacuum arc deposition of nano-layered composite coatings for machining hard-to-cut materials / A. O. Volkhonskii, A. A. Vereshchaka, I. V. Blinkov, A. S. Vereshchaka, A. D. Batako // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 84 (2016) 1647-1660, doihttps://doi.org/10.1007/s00170-015-7821-8.
18. Мокрицкий, Б. Я. Моделирование процесса резания с применением программы ANSYS / Б. Я. Мокрицкий, В. Ю. Верещагин, А. С. Верещагина // Вестник машиностроения. - 2018. - № 4. - С. 69 - 72.
19. ГОСТ 32405-2013 (ISO 10911:2010). Фрезы концевые цельные твердосплавные. Технические условия / взамен ГОСТ 18372-73; дата введ. 01.01.2015. - Москва : Стандартинформ, 2014. - IV, 10 c.
20. ГОСТ 17025-71. Фрезы концевые с цилиндрическим хвостовиком. Конструкция и размеры / взамен ГОСТ 8237-57; дата введ. 01.01.73. - Москва : Стандартинформ, 2005. - 11 с.
