CC BY
81
УДК 621.3.08
ВЛИЯНИЕ СИЛЫ РЕЗАНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ И СТОЙКОСТЬ ИНСТРУМЕНТА
Н.Д. Феофилов, Е.С. Янов
Рассмотрены вопросы, связанные с исследованиями процесса зубофрезерова-ния сборными червячными фрезами. На основе экспериментальных данных проведено компьютерное моделирование динамических нагрузок на инструмент и его отдельные элементы, а также прогнозирование износа режущих поверхностей зубьев, установлены рациональные режимы зубообработки червячными фрезами.
Ключевые слова: исследование, моделирование, сила резания, зубообработка, зубофрезерование, износ, червячная фреза.
Разработка новых конструкций зуборезного инструмента требует комплексных испытаний перед внедрением на машиностроительных предприятиях. Исследования выполнены на физических и компьютерных имитационных моделях в несколько стадий:
1) разработка, проектирование, изготовление образца экспериментальной сборной червячной фрезы;
2) силовые эксперименты;
3) моделирование и прогнозирование работы инструмента на станках с электромеханическим управлением и на станках с ЧПУ для серийного производства;
4) разработка серийной конструкции инструмента и режима резания на основе анализа результатов исследований.
На рис. 1 отражено изменение составляющих силы резания. В качестве инструмента использована экспериментальная фреза с йа = 90 мм,
уа = 5°, т = 2,5 мм, нарезающая единичную впадину зубчатого колеса из стали 3сп (ГОСТ 380-2005) с числом зубьев £ = 112 на режиме резания ^0 = 1 мм / об, V = 30 м / мин [1]. В процессе зубонарезания червячная фреза и колесо вращаются вокруг своих осей, а движение подачи вдоль оси колеса осуществляется перемещением суппорта станка [2, 3]. Составляющие силы резания: Рх, направленная перпендикулярно оси фрезы в противоположную сторону от направления вектора скорости резания, и Рх - горизонтальная сила, направленная параллельно межосевому перпендикуляру от заготовки к фрезе. Графики являются результатом работы экспериментального комплекса [4], состоящего из цифрового самописца - осциллографа, усилителя, АЦП, динамометра.
Полученные результаты послужили основой компьютерного моделирования.
1000
0 ^-I-I-I-I-I-I-Г-
0 10 20 30 40 50 60 70
Число оборотов заготовки, шт
500т-
0 ¥-1-1-1-1--1
0 5 10 15 20 25
Число резов, шт
б
Рис. 1. Сила резания при зубофрезеровании: а - общий вид сигнала составляющих силы резания Рх и Р2;
б - изменение составляющих силы резания во время обработки единичной впадины зубчатого колеса за один оборот заготовки
На основе ЭБ-модели экспериментальной сборной червячной фрезы и общемашиностроительных нормативов режимов резания, на которых экспериментально испытывался инструмент, проведено компьютерное прогнозирование поведения инструмента и его режущих свойств. Проверялась прочность инструмента и зубчатых реек за счет увеличения испытываемых нагрузок при вращении инструмента на различных частотах. Максимальная частота вращения, которую выдержал инструмент, не поте-
ряв целостность конструкции, составила 221,3 Гц, что соответствует скорости резания около 3700 м/мин. Разрушения происходят в местах переходов основания реек к режущим зубьям. Учитывая используемые при зубо-обработке режимы резания, экспериментальный инструмент изготовлен более чем со стократным запасом прочности (рис. 2).
■ I 0000.о 9292 .86 8585.7I 7878. 57
_7 17 1.43
6464.29 ^^ 5757 . I 4 | 5050.00
| 4342.86 1 3635.7I 2928.57 ^^222 I . 43 ^Н 15 14.29
■^И807 . I 43 I00.000 0.56 786
7 I 7 I .43 6464.29 5 7 5 7.I4 5050.00 4342.86 3635.7I 2 923.57 222 I .43 I514.29 807.143 I00.000 0.56786
б в
Рис. 2. Нагрузки, испытываемые инструментом: а - распределение нагрузок при динамических испытаниях; б - распределение нагрузок при проверке зубчатых реек на прочность; в - распределение нагрузок при проверке на прочность закрепления реек
Для определения износостойкости, величины и характера износа сборной червячной фрезы необходимо нарезать значительное число зубчатых колес, что не всегда является удобным из-за большого расхода металла, временных, финансовых затрат на изготовление заготовок зубчатых колес и проведение исследований. На основе экспериментальных данных о нагрузке на режущие зубья за один оборот фрезы получена модель, позволяющая определить характер и величину износа задних поверхностей чер-
вячной фрезы на различных режимах резания и условиях обработки. Для червячных фрез величина износа регламентируется ГОСТ 9324-80 и не должна превышать 0,3 мм для модулей т = 1...10 мм.
б в
Рис. 3. Износ червячной фрезы: а - распределение нагрузок на режущие элементы; б - прогнозирование износа; в - износ экспериментальной фрезы при износе 0,3 мм: 1 - выходящая режущая кромка; 2 - вершинная режущая кромка;
3 - входящая режущая кромка.
Различают четыре вида изнашивания: адгезионное; диффузионное; окислительное; абразивное (характерное для инструментов из быстрорежущей стали, износ происходит в результате трения стружки о переднюю и заднюю поверхности в зоне резания).
Износ зубьев червячной фрезы при нарезании зубчатого колеса зависит от конструкторских, технологических параметров и различен для разных зубьев, что связано с различной длительностью их резания и нагрузкой. Схема работы червячной фрезы особенна тем, что в работе одно-
временно участвуют несколько режущих поверхностей зуба. Каждый зуб червячной фрезы срезает определенный слой, т.к. в процессе работы зубья загружены неравномерно. Длина и толщина срезаемого слоя различны у всех режущих кромок. Загрузка зубьев фрезы и толщина слоя, срезаемого каждым зубом фрезы, повышается с увеличением расстояния от полюса зацепления. Зубья, предварительно срезающие металл из впадины, нагружены значительно больше центральных и поэтому их загрузка лимитирует возможность увеличения продольной подачи. Наибольшее сечение срезаемого слоя приходится на вершинную режущую кромку. Боковые режущие кромки загружены также неодинаково: большее сечение снимает входящая кромка. Интенсивно изнашивается задняя поверхность выходящего зуба, несмотря на то, что толщина среза мала. Анализ распределения испытываемых нагрузок показал, что максимальную нагрузку воспринимает вершинная и входящая режущие кромки и далее она распределяется вплоть до основания зуба. Результаты, подтверждающие проведенные исследования, представлены на рис. 3.
Моделирование выполнено в программном комплексе Creo Simulate, предусматривающем интеграцию конструкторских, технологических и аналитических программных подсистем в единую систему. Модули инженерного анализа Creo Simulate позволяют заменить дорогостоящие натурные эксперименты, требующие изготовления серии опытных образцов, машинными экспериментами над их виртуальными моделями. Главной особенностью аналитических модулей Creo Simulate является то, что они дают возможность создавать оптимальные изделия с наилучшими весовыми, прочностными и иными параметрами, повышающими их эксплуатационные качества.
Использовались следующие основные возможности программы.
1. Статический анализ напряженно-деформированных состояний конструкции под воздействием различного типа нагрузок, учет контактных взаимодействий.
2. Модальный анализ конструкций, полностью закрепленных или обладающих степенями свободы, определение собственных частот и форм колебаний.
3. Расчет устойчивости, коэффициента запаса устойчивости и критической нагрузки.
4. Моделирование установившихся тепловых состояний конструкции при различных тепловых нагрузках и граничных условиях - заданных температурах и режимах конвекции.
5. Комплексный анализ конструкции.
Также Creo Simulate позволяет проводить:
1) стандартные исследования как исходной модели, так и модели при любых допустимых значениях пара метров проектирования (геометрических размеров, механических характеристик материалов);
2) исследования локальной и глобальной чувствительности конструкции к изменению параметров проектирования; Creo Simulate позволяет осуществлять исследование термомеханических характеристик проектируемых изделий и их оптимизацию по заданным параметрам. Модуль работает в интегрированном режиме с Creo Parametric, и напрямую использует созданные в нем модели;
3) целевую оптимизацию конструкции и оценку возможности существования конструкции с заданными параметрами.
Для подтверждения адекватности работы программного модуля Creo Simulate проведены натуральные стойкостные эксперименты. Анализ схемы формирования впадины зубчатого колеса сборной червячной фрезой показал, что приближенно зубофрезерование можно заменить резьбо-нарезанием с изменяемой глубиной резания, что позволяет проводить испытания на токарном станке с ЧПУ TOP-TURN CNC-S16(C). Шаг резьбы равен нормальному шагу исходной сборной червячной фрезы. Глубина резания программируется согласно величине срезаемого припуска при зубо-фрезеровании. Общая глубина равна высоте зуба исходной сборной червячной фрезы. Учтено, что зуб будет изнашиваться в z\ раз быстрее, чем
при работе фрезы (z¡ - число реек фрезы).
Режущий элемент изготовлен из рейки сборной червячной фрезы. Для исследований использован комплект реек из отработавшей свой ресурс сборной червячной фрезы, но перешлифованных по передней поверхности и с восстановленной геометрией. Преимуществом использования исходной рейки в качестве основы режущего элемента является то, что профиль, геометрия и технология его изготовления идентична изготовлению реек сборной червячной фрезы. Режущий элемент, представляющий собой, отрезанный на эрозионном станке фрагмент зубчатой рейки твердостью до 57 HRC. Для исследований разработана специальная конструкция резца. Резец состоит из двух частей: державки и прихвата. Прихват вставляется в державку, поворачивается на угол подъема винтовой фрезы, и фиксируется в заданном положении винтами и холодной сваркой.
Державка представляет собой параллелепипед из стали 40Х, закаленный до 43 HRC, со сторонами 16 мм, длиной 75 мм и отверстием для прихвата. Габаритные размеры обусловлены параметрами резцедержателя имеющейся модели токарного станка. Прихват выполнен также из стали 40Х и имеет трапециевидный паз для крепления режущего элемента и цилиндрический хвостовик, для крепления в державке. Установка и прижим режущего элемента осуществляются при помощью винта.
Режимы резания выбраны с учетом проделанных ранее экспериментов на зубофрезерном станке. Во время обработки существуют три четко выраженных участка (рис. 4, в): приработка, установившееся резание и резание изношенным инструментом. Сила резания вызывает отжим системы
СПИД, который включает собственные деформации отдельных деталей системы, контактные деформации отдельных деталей и контактные деформации сопряженных поверхностей и детали с инструментом в начале обработки, происходит удар инструмента о заготовку, т.к. она имеет биение на торце и в начальный момент времени. Исходными данными являются данные о затратах мощности двигателя станка. При выполнении обработки должны быть учтены все те параметры, которые в ходе зубофрезе-рования заготовки влияют на качество детали. Так, характер дефектного слоя на первых переходах целиком определяются методом изготовления заготовки и, как правило, не имеет постоянной глубины, поэтому и затраты энергии увеличиваются скачкообразно. Далее процесс стабилизируется до момента начала износа инструмента, с увеличением которого увеличиваются и затраты энергии станка. График является косвенным показателем общей силы резания.
Время, с
Рис. 4. Износ режущих поверхностей зубчатых реек экспериментальной червячной фрезы: а - вершина изношенного зуба; б - резец для стойкостных испытаний; в - изменение затрат энергии станка от времени: 1 - зона приработки, 2 - зона установившегося
резания9 3 - зона износа 98
Проведенные исследования позволили оптимизировать конструкцию разработанной экспериментальной червячной фрезы; рекомендовать как рациональные, так и максимально возможные режимы резания при зу-бофрезеровании; прогнозировать величину износа на основе данных о силе резания и использованных режимах резания, что является актуальным при использовании зубофрезерных станков с ЧПУ.
Список литературы
1. Общемашиностроительные нормативы режимов резания: справочник в 2 т. Т. 2/А. Д. Локтев [и др.]. М.: Машиностроение, 1991. 304 с.
2. Феофилов Н.Д. Системное проектирование зубофрезерования сборными червячными фрезами: дис. ... д-ра техн. наук. Тула, 1999. 394 с.
3. Кинематика червячного зубофрезерования / В.Н. Скрябин, А.П. Тимофеев, Н.Д. Феофилов, Е.С. Янов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. Вып. 4. Ч. 1. С. 58-68.
4. Феофилов. Н.Д., Янов Е.С. Установка для проведения силовых исследований операции зубофрезерования // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. Вып. 11. Ч. 1. С. 184-189.
Феофилов Николай Дмитриевич, д-р. техн. наук., проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Янов Евгений Сергеевич, асп., dex [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE STUDY OF CUTTING FORCES INFL UENCE ON STRENGTH AND THE TOOL LIFE
N.D. Feofilov, E.S.Yanov
The work is devoted to the problems which are connected with the experimental studies of team hob cutting process. The computer modelling of dynamic loads of the tool and its individual parts was conducted on the basis of the received experimental data. Based on loads spreading onto tooth surface the wear forecasting and life tests which supports the results of computer modelling process allow to reveal the efficient gear treatment modes.
Key words: research, modeling, cutting force, gear treatment, hobbing, wear, hob.Feofilov.
Feofilov Nikolai Dmitrievich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Yanov Evgueny Sergeevich, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
