CC BY
38
_________________________С
1 МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.83.06
К. А. Бычинский, А. В. Капитонов
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ ПОВОДКОВЫХ УСТРОЙСТВ ТОРЦОВОГО ТИПА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ
UDC 621.83.06
K. A. Bychinsky, A. V. Kapitonov
THE DEVELOPMENT OF DESIGNS OF WORK CARRIER DEVICES OF THE END TYPE AND THE INVESTIGATION INTO THEIR MANUFACTURING CAPABILITIES
Аннотация
Разработаны конструкции поводковых устройств, отличающиеся способностью передачи больших вращающих моментов, повышающих точность обработки и расширяющих технологические возможности обработки на токарных станках. На основе теоретических и экспериментальных исследований установлены зависимости вращающего момента, передаваемого поводками, и глубины их внедрения в заготовку от осевой силы, твердости заготовок и геометрических параметров поводков. Установлены максимальные вращающие моменты, передаваемые поводками, и оптимальные режимы резания при обработке деталей с помощью поводковых устройств. Получены эмпирические зависимости глубины внедрения поводков и вращающего момента от осевой силы.
Ключевые слова:
поводковые устройства, глубина внедрения поводков, максимальные вращающие моменты, точность обработки.
Abstract
Designs of work carrier devices are developed that are able to transfer high running torques, increasing the machining accuracy and expanding the manufacturing capabilities of turning machines. Based on theoretical and experimental researches, it is established how the torque transferred by the work carriers and the depth of their penetration into the workpiece depend upon the axial force, the workpiece hardness and geometrical parameters of work carriers. Maximum running torques transferred by lathe carriers and optimum cutting conditions during the machining with the help of work carrier devices are determined. Empiric dependences of both the depth of work carrier penetration and the running torque upon the axial force are obtained.
Key words:
work carrier devices, depth of work carrier penetration depth, maximum running torques, machining accuracy.
Поводковые устройства с плавающими центрами для обработки на токарных и шлифовальных станках широко используются на производстве. Их преимущества по сравнению с поводковыми патронами или хомутиками оче-
© Бычинский К. А., Капитонов А. В., 2011
видны, т. к. последние не позволяют обрабатывать все поверхности детали за один установ. Токарные станки с ЧПУ позволяют обрабатывать валы за один установ по программе с автоматической сменой режущих инструментов, если
б
обработке поверхности вала не препятствует поводковый патрон. Поэтому представляется наиболее эффективным использование поводковых устройств с плавающими центрами на токарных станках с ЧПУ, обеспечивающих возможность обработки детали с двух торцов и тем самым повышающих производительность обработки.
Для анализа существующих конструкций поводковых устройств были проведены патентные исследования, на основе которых были разработаны поводковые устройства для обработки на токарных станках, отличающиеся простотой конструкции, передачей больших крутящих моментов, возможностью точной
установки обрабатываемых заготовок.
На рис. 1 представлено поводковое устройство, которое состоит из корпуса 1, внутри которого расположен центр 2, пружины 3, конических поводков 4, размещенных на расстоянии, равном радиусу Я. Обрабатываемая заготовка устанавливается центровым отверстием на подпружиненный базирующий центр и поджимается пинолью задней бабки осевой силой Q. Поводки внедряются в заготовку и передают вращающий момент. Данное устройство предполагает точное изготовление поводков по длине для обеспечения одинакового внедрения поводков в торец заготовки.
Рис. 1. Поводковый центр с коническими поводками
На рис. 2 представлено поводковое устройство с клиновыми поводками, которое имеет шпонки 1 для направления поводков 2 и расположения их лезвий радиально по отношению к центру, пружины 3 для равномерного внедрения поводков в заготовку. В устройстве несколько рядов поводков, и это дает возможность обрабатывать детали разных диаметров или устанавливать большее число повод-
ков, а также за счет увеличения осевой силы Q получать большие крутящие моменты. В данных поводковых устройствах конические и клиновые наконечники должны быть изготовлены из материала высокой твердости для уменьшения их поломок и пластических деформаций и увеличения вращающих моментов.
к = аТС / л/3 , (2)
где аТС - напряжение текучести материала заготовки при его одноосном сжатии,
атс = 14 + 0,34НВ . (3)
Момент, развиваемый одним поводком, размещенным на расстоянии Я от оси вращения поводкового устройства, определяется как
Мв = 2к (1 + у) Н ■ В ■ Я (4)
Если поводков п и все они внедрены в металл заготовки на одинаковую глубину, то суммарный момент, передаваемый этими поводками,
МВ = Мв ■ п . (5)
Исследования влияния геометрических параметров и твердости заготовок на глубину внедрения поводков и вращающий момент, передаваемый поводками, проводились с использованием приведенных выше зависимостей (представлены на рис. 3.. .5).
Представленные графики (см.
рис. 3.5) характеризуют зависимости глубины внедрения поводков от твердости материала заготовок, числа поводков и угла клина при их вершине. Глубина внедрения поводков Н влияет на
Исследования зависимостей глубины внедрения поводков и крутящих моментов, передаваемых поводками, от осевой силы, твердости заготовок и геометрических параметров поводков
Для определения силы закрепления деталей Q с помощью поводковых устройств и вращающих моментов, развиваемых поводками, может быть положено решение задачи о внедрении симметричного недеформируемого клина или конуса с углом 2в в полубеско-нечное жесткопластическое пространство. Для расчета основных характеристик поводковых центров воспользуемся [1, 2].
Определим глубину внедрения клинового поводка в материал заготовки:
¥
Н =-------7----ч------, (1)
4 ■ к ■( + В
где ¥ - сила, действующая на один поводок; к - напряжение текучести при сдвиге, величина которого зависит от принятого условия пластичности; у -угол центрированного веера; в - угол клина; В - длина клина.
Значение к = аТС / 2 , если принять,
что выполняется условие пластичности Треска. Если принято условие пластичности Мизеса, то
максимальную величину передаваемого ими вращающего момента. При малых значениях H < 0,1 мм может произойти смятие или поломка поводков при больших моментах резания. Поэтому для обеспечения надежности работы поводковых устройств не рекомендуется обрабатывать детали при малых значениях глубины врезания поводков.
На рис. 5 представлены графики зависимостей вращающего момента от осевой силы закрепления при разных углах клина поводков. График 3 характеризует зависимость момента резания Мр от тангенциальной силы резания Pz (при обработке заготовки диаметром
60 мм). Из графиков видно, что при углах заострения поводков 2в = 150 и 2в = 300 при любых моментах резания и равенстве сил закрепления детали Q и силы резания Pz обработка деталей обеспечивается. При больших углах заострения поводков необходимо увеличивать осевую силу Q (что не всегда возможно) или уменьшать силу резания Pz. Таким образом, как показывают графики, черновая обработка с помощью разработанных поводковых устройств с силами резания от 2 кН и выше возможна, а при углах заострения поводков 2в = 150 и 2в = 300 возможна обработка с большими вращающими моментами.
H
зоо 1яоо ноо ззоо зеоа моо в 1 эо н взм
Q-----------►
Рис. 3. Графики, характеризующие глубину внедрения поводков в торец заготовки от осевой силы Q и твердости заготовки НВ: 1 - НВ 170; 2 - НВ 180; 3 - НВ 190; 4 - НВ 200; 5 - НВ 210; 6 - НВ 220; 7 - НВ 230
Q -----
Рис. 4. Графики, характеризующие глубину внедрения поводков в торец заготовки от осевой силы Q и угла клина поводка 2в: 1 - 2в = 150; 2 - 2в = 300; 3 - 2в = 450; 4 - 2в = 600; 5 - 2в = 900
М^вр (М-р)
Q (Pz)
Рис. 5. Зависимости вращающего момента Мвр, передаваемого клиновыми поводками, от осевой силы Q и углов заострения поводков 2в: 1 - 2в = 150; 2 - 2в = 300; 4 - 2в = 450; 5 - 2в = 600; 6 - 2в = 900
Разработка стенда для измерения крутящих моментов от осевых сил закрепления заготовок
Экспериментальные исследования поводковых устройств проводились с использованием установки, собранной на базе токарно-винторезного станка 16К20 (рис. 6). В трехкулачковом патроне
установлено поводковое устройство, в данном случае - ведущий центр 13, взаимодействующий с центровым гнездом заготовки 12, установленной на специальной оправке 11. Заготовка 12 установлена с помощью двух торцовых шпонок 2 на оправке без возможности свободного вращения.
Рис. 6. Установка для исследования поводковых центров
На суппорте закреплен порошковый электромагнитный тормоз 9 типа ПТ16М1 с возможностью свободного продольного вращения по направляющим 7. Оправка 11 неподвижно связана с валом электромагнитного тормоза жесткой муфтой 10. Правый конец тормоза может взаимодействовать с вращающимся центром 5, расположенным в задней бабке станка, через динамометр сжатия 4 типа ДОСМ.
Данная наладка дает возможность обеспечить силовое взаимодействие заготовки 12 с ведущим центром 13 путем поджатия заготовки к этому центру задней бабкой через вращающийся центр 5, динамометр 4, электромагнитный тормоз 9 и оправку 11. Осевая сила поджа-тия Q измеряется с помощью динамометра 4 по показаниям индикатора, которым снабжен динамометр. В зависимости от величины силы Q жесткий
центр 13 может передать вращающий момент Мвр, который измеряется с помощью электромагнитного тормоза 9.
С помощью задней бабки создается нагружение системы силой Q. Включается вращение шпинделя станка, при котором в силу наличия сил трения на поверхности контакта ведущего центра 13 с деталью 12 происходит вращение детали. Стрелка индикатора 3 электротормоза устанавливается на ноль. Затем подачей напряжения на обмотку электромагнитного тормоза создается возрастающий тормозной момент, препятствующий вращению заготовки совместно с центром 13. В момент времени, соответствующий повороту заготовки относительно центра, фиксируется показание индикатора 3 и определяется наибольший вращающийся момент, который могут передать поводки при заданном значении осевой силы.
Исследование глубины внедрения поводков и максимальных крутящих моментов, передаваемых поводковыми устройствами
Экспериментальные исследования поводковых устройств проводились по двум направлениям: исследование глубины внедрения поводков в обрабатываемый материал и исследование влияния различных факторов на вращающий момент, развиваемый поводками. Исследования проводились на установке, представленной на рис. 6.
Оценка глубины внедрения поводков осуществлялась с помощью индикаторного устройства, состоящего из стойки, индикатора часового типа с ценой деления 0,001 мм и остроконечного щупа индикатора. Устанавливались
глубины Н внедрения клиновых поводков из твердого сплава Т15К6 с длиной
лезвия В = 4 мм в стальные заготовки из стали 45 и чугунные из серого чугуна СЧ20 в зависимости от твердости заготовок НВ и осевой силы ¥, приходящейся на один поводок.
На рис. 7 и 8 представлены результаты исследований глубины внедрения поводков в стальные заготовки с твердостью поверхности НВ 220, НВ 240, НВ 255 и НВ 320 при угле клина поводка 2в = 450. Проведена аппроксимация полученных экспериментальных данных полиномом второй степени и получены математические зависимости.
Исследования наибольшего вращающего момента от клиновых поводков из твердого сплава Т15К6, имеющих углы при вершине 2в = 450 при разной твердости заготовок, представлены на рис. 9 и 10.
Н
0,45
ММ
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
1
2
з
у 1
600 1200 1800
2400
б
3000 3600 4200 4800 5400 Н 6000
Рис. 7. Графики, характеризующие глубину внедрения поводков в торец заготовки от осевой силы б и твердости заготовки НВ: 1 - НВ 220; 2 - НВ 240; 3 - НВ 255; 4 - НВ 320
б
Рис. 8. Аппроксимация графиков, представленных на рис. 7: 1 - у = 0,0008х2 + 0,0311х + 0,0412; 2 - у = 0,0007х2 + 0,0252х + 0,0329; 3 - у = 0,001х2 + 0,0238х - 0,0102; 4 - у = 0,0037х2 - 0,0258х + 0,085
Рис. 9. Зависимости вращающего момента Мвр, передаваемого клиновыми поводками, от осевой силы б и углов заострения поводков 2в: 1 - 2в = 450; 2 - 2в = 600; 3 - 2в = 900
б (Р) ----------►
Рис. 10. Аппроксимация графиков, представленных на рис. 9: 1 - у = 0,3095х2 + 26,381х - 24,571; 2 - у = - 0,2976х2 + 25,702х - 11,429; 3 - у = - 0,3333х2 + 23,452х - 6,5714
Исследования момента, развиваемого поводковыми устройствами с клиновыми и коническими поводками, показали, что предельная величина момента, передаваемого на заготовку как клиновыми, так и коническими поводками определяется их поломкой или пластическим деформированием. Поэтому поводки изготавливались из твердого сплава Т15К6, т. к. было установлено, что поводки из этого материала способны передавать большие вращающие моменты. Как показали исследования, притупленные при вершине конические поводки являются более прочными, чем клиновые, и в ряде случаев передают большие крутящие моменты, т. к. больше внедряются в заготовку. Конические поводки с острыми вершинами менее надежны.
Экспериментальные результаты, представленные на графиках, подтверждают теоретические исследования и доказывают возможность обработки с помощью рассматриваемых поводковых устройств с большими моментами резания.
Проверка адекватности теоретических и экспериментальных результатов исследований поводковых устройств
Проверим адекватность теоретических и экспериментальных результатов [3-5]. Для проверки моделей были проведены три параллельных эксперимента, результаты которых представлены в табл. 1.
Табл. 1. Связь теоретических и экспериментальных значений вращающих моментов, передаваемых клиновыми поводками при НВ 255, 2в = 450
Осевая сила б, Н 500 1000 2000 3000 4000 5000 6000
МТ, Н-м 18 27 63 90 117 153 181
МЛ, Н-м 15 20 35 92 132 152 164
Мэ2, Н-м 20 22 43 91 128 150 170
Мэ3, Н-м 17 25 50 94 131 151 162
Измерения осуществлялись на стенде (см. рис. 6). В табл. 1 значения моментов МТ соответствуют расчетным значениям, представленным на рис. 5. Значения моментов Мэ1, ..., Мэ3 соответствуют экспериментальным значениям.
По этим результатам была построена модель первого порядка, согласно которой
Mэ =-23,85 + 28,25MТ;
г = 0,85. (6)
Полученный результат свидетельствует о том, что связь экспериментальных и теоретических данных весьма тесная (коэффициент корреляции г = 0,85).
Для проверки значимости и адекватности уравнения (6), что эквивалентно проверке адекватности теоретических и экспериментальных результатов, были рассчитаны суммы квадратов и соответствующие им степени свободы:
, U __
% = ££ (А, - А)2;
1 1 , и __
$1ш = ££(4, - А, )2; !ош = >(." -1);
1 1
^рег = ^ • г2 ; /рег = к =1;
' рег
^ст = ^ ■(1 - Г2) ', /ост = и - к - 1 >
где , - число уровней изменения независимой переменной (равно числу гармоник), , = 7; к - порядок модели, к = 1; и - число дублирующих экспериментов и = 3; £02 - общая сумма квадратов; $ош2 - сумма квадратов, характеризующая ошибку наблюдений; 8ост2 - остаточная сумма квадратов; 8рег2 - сумма квадратов, характеризующая регрессионную связь; /ош, /рег, /ост - соответствующие числа степеней свободы сумм квадратов.
Для данных, представленных в табл. 1, были получены значения
$0 = 326,6; s2рeг = 239,6;
s2nсm = 85,1; £1 = з,8.
Таким образом, полученная модель значима на уровнях значимости
0,05 и 0,01, т. к. расчетное ^-отношение Ррасч превышает табличное значение критерия Фишера для этих условий.
53,6 > ; /рег; /ост;
Р0,05; 1; 19 = 4,38; р0,01; 1; 19 = 8,18.
Анализируемая модель также адекватна экспериментальным результатам, т. к. на уровнях значимости 0,05 и 0,01 выполняется условие
16,5 > Ра;/ост ; /ош ,
потому что ¥0,05; 19; 14 = 2,39; ¥0,01; 19; 14 = = 3,51.
Таким образом, регрессионная модель (6), связывающая теоретические и экспериментальные данные, значима и адекватна.
Заключение
1. Разработаны конструкции поводковых устройств, отличающиеся способностью передачи больших вращающих моментов, повышающих точность обработки за счет равномерного внедрения в заготовку и расширяющих технологические возможности обработки на токарных станках.
2. На основе теоретических и экспериментальных исследований установлены зависимости вращающего момента, передаваемого поводками, и глубины их внедрения в заготовку от осевой силы, твердости заготовок и геометрических параметров поводков.
3. Установлены максимальные вращающие моменты, передаваемые поводками, и оптимальные режимы резания при обработке деталей с помощью поводковых устройств.
4. Получены эмпирические зависимости глубины внедрения поводков и вращающего момента от осевой силы.
5. Установлены возможность черновой обработки деталей с помощью разработанных конструкций и, следовательно, возможность обработки деталей за один установ, что позволяет умень-
шить время на переустановку деталей, повысить точность расположения их поверхностей, уменьшить припуски на обработку и получить значительный экономический эффект.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Качанов, Л. М. Основы теории пластичности : учеб. пособие для университетов / Л. М. Качанов. -М. : Изд-во технико-теоретической лит-ры, 1956. - 324 с.
2. Технологическая оснастка: учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов / М. Ф. Пашкевич [и др.]. - Минск : Адукацыя 1 выхаванне, 2002. - 320 с.
3. Солонин, И. С. Математическая статистика в технологии машиностроения / И. С. Солонин. -М. : Машиностроение, 1972. - 215 с.
4. Пустыльник, Е. И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений / Е. И. Пустыль-ник. - М. : Наука, 1968. - 288 с.
5. Драйпер, Н. Прикладной регрессионный анализ / Н. Драйпер, Г. Смит. - М. : Физматгиз, 1973. - 326 с.
6. Герасимович, А. И. Математическая статистика / А. И. Герасимович, Л. И. Матвеева. - Минск : Выш. шк., 1978. - 200 с.
LIST OF LITERATURE
1. Kachanov, L. M. Fundamentals of plasticity theory : tutorial for Universities / L. M. Kachanov. - М. : Izd-vo tekhniko-teoreticheskoj lit-ry, 1956. - 324 p.
2. Production tooling: textbook for mechanical engineering students of HEI / М. F. Pashkevich [et al.]. -Minsk : Adukatsiya i vykhavanne, 2002. - 320 p.
3. Solonin, I. S. Mathematical statistics in machine-building technology / I. S. Solonin. - М. : Mashinostroenie, 1972. - 215 p.
4. Pustyl’nik, E. I. Statistical methods of analysis and processing of observations / Е. I. Pustyl’nik. - М. : Nauka, 1968. - 288 p.
5. Drajper, N. Applied regression analysis / N. Drajper, G. Smith. - М. : Fizmatgiz, 1973. - 326 p.
6. Gerasimovich, А. I. Mathematical statistics / А. I. Gerasimovich, L. I. Matveyeva. - Minsk : Vysh. shk., 1978. - 200 p.
LIST OF LITERATURE (TRANSLITERATION)
1. Kachanov, L. M. Osnovy teorii plastichnosti : ucheb. posobie dlya universitetov / L. M. Kachanov. - М. : Izd-vo tekhniko-teoreticheskoj lit-ry, 1956. - 324 s.
2. Tekhnologicheskaya osnastka: uchebnik dlya studentov mashinostr. spets. vuzov / М. F. Pashkevich [i dr.]. - Minsk : Adukatsiya i vykhavanne, 2002. - 320 s.
3. Solonin, I. S. Matematicheskaya statistika v tekhnologii mashinostroeniya / I. S. Solonin. - М. : Mashinostroenie, 1972. - 215 s.
4. Pustyl’nik, E. I. Statisticheskie metody analiza i obrabotki nablyudenij / Е. I. Pustyl’nik. - М. : Nauka, 1968. - 288 s.
5. Drajper, N. Prikladnoj regressionnyj analiz / N. Drajper, G. Smith. - М.: Fizmatgiz, 1973. - 326 s.
6. Gerasimovich, А. I. Matematicheskaya statistika / А. I. Gerasimovich, L. I. Matveyeva. - Minsk : Vysh. shk., 1978. - 200 s.
Статья сдана в редакцию 7 октября 2011 года
Константин Александрович Бычинский, ведущий инженер, Белорусско-Российский университет.
Александр Валентинович Капитонов, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет. Тел.: 8-029-240-34-89. Konstantin Alexandrovich Bychinsky, engineer, Belarusian-Russian University.
Alexander Valentinovich Kapitonov, PhD, Associate Professor, Belarusian-Russian University. Те1.: 8-029-240-34-89.
