книги / Обработка резанием с вибрациями книга

УДК 621.9.01:534.!

Обработка резанием с вибрациями. П о ду ра -

ев В. H. М., «Машиностроение», 1970, стр. 350.

Вкниге наложены основные физические особенности

иданы рекомендации по применению одного из новых методов механической обработки — резания с вибра­ циями. Исследования показали достаточно широкие практические возможности этого метода по созданию эффективных средств дробления стружки, улучшению обрабатываемости резанием новых видов материалов

(прежде всего нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов), по механизации и автоматизации операций механической обработки. Рассмотрены вопросы кине­ матики, механики и физики процесса резания с вибраднями, а также изложена методика проектирования типовых операций (точения, сверления н нарезания резьб) с использованием колебаний. Приведены реко­ мендации по практическому освоению этого метода.

Книга предназначена для инженерно-технических ра­ ботников металлообрабатывающих заводов и научноисследовательских институтов машиностроительных и приборостроительных отраслей промышленности.

Табл. 25, илл. 115, библ. 66 назв.

Рецензент д-р техн. наук В. А. Кудинов. Редактор ииж. В. В. Ржавинский,

3 -1 2 -4

269 -7 0

ВВЕДЕНИЕ

Широкое применение в промышленности новых ви­ дов материалов — высокопрочных, нержавеющих, жаро­ прочных и тугоплавких сталей н сплавов, а также ин­

тенсификация процессов резания обычных сталей вы­ двинули на первый план вопросы обработки металлов резанием, связанные с вибрациями; при этом можно отметить два направления, по которым идет исследова­ ние вибраций.

Первое направление связано с возникновением вред­ ных вибраций, появляющихся при механической обра­ ботке в результате действия непредусмотренных явле­ ний и ведущих к снижению качества поверхности, точ­ ности обработки, стойкости инструмента. Применение рациональных средств, обеспечивающих высокую жест­ кость системы станок—приспособление—инструмент— деталь (СПИД), устойчивость движения резания и га­ шение вибраций, является одним из основных резервов повышения производительности механической обработ­ ки хрупкими твердосплавными и минералокерамиче­ скими инструментами. Особое значение имеют эти воп­ росы для обработки деталей из нержавеющих и жаро­ прочных сталей и сплавов, процесс резания’ которых характеризуется повышенной склонностью к появлению вибраций; вибрации становятся недопустимо большими при обработке нежестких деталей. При обработке от­ верстий в деталях из обычных сталей виброустойчи­ вость процесса резания недостаточна из-за низкой жесткости инструмента.

Второе направление исследования вибраций связано с освоением метода вибрационного резания — положи­ тельного использования вибраций. Оно обеспечивает эффективное и надежное дробление стружки, образую­ щейся в зоне резания, что является одним из основных условий для осуществления высокопроизводитель-

ной обработки на универсальном оборудовании и авто­ матизации операций механической обработки. Этот ме­ тод также позволяет повысить обрабатываемость нержа­ веющих и жаропрочных сталей и сплавов.

Применение вибрационного резания не противоречит поискам средств гашения вредных вибраций, снижения их интенсивности. Это свидетельствует только о том, что познание физической сущности вредного явления и его правильное использование приводятся к полезным прак­ тическим результатам и внедрению в производство.

Теоретическому исследованию причин возникновения вредных вибраций, разработке практических средств их гашения посвящено значительное количество опублико­ ванных работ. Приоритет в разработке этих вопросов принадлежит научным школам, созданным советскими учеными — проф. А. И. Кашириным (ИМАШ АН

СССР), проф. А- П. Соколовским (ЛПИ им Калинина)

[41], проф. Д. И Решетовым (ЭНИМС, МВТУ им. Бау­ мана) [11]. В последние годы были исследованы сред­ ства обеспечения устойчивости движения резания; в пер­ вую очередь следует отметить работы, выполненные в ЭНИМСе В. А. Кудиновым [19], в ОКБС в Ленингра­

Между тем исследования по использованию вибра­ ций при резании малочисленны, разобщены и большин­ ство их посвящено рассмотрению отдельных частных вопросов. Основные параметры, определяющие этот про­ цесс, комплексно не рассматривались. В настоящей ра­ боте излагаются основные закономерности процесса резания с вибрациями, а именно кинема гика и механика процесса, основные физические явления, определяющие его. Отдельно выделено рассмотрение особенностей прерывистого резания с вибрациями. На основе этих закономерностей даются практические рекомендации промышленного применения этого перспективного мето­ да для наиболее распространенных операций — точения, сверления и нарезания резьб.

Идея использования вибраций для улучшения опера ций резания не является новой: она впервые была вы­ двинута русским исследователем В. Л. Татариновым в 1910 г. Первые работы по промышленному применению

ным, М. Г. Курицыным [44] к С. А. Черничкильш [48]. Наиболее полные исследования резания с ультразвуко­

в 1956— 1967 гг. Основное внимание было уделено при­ менению низкочастотных вибраций для улучшения опе­ раций механической обработки, связанных со снятием стружки значительных размеров, т. е. исключая опера­ ции абразивной обработки. Большинство исследований было проведено (по заданию промышленности) коллек­ тивом сотрудников проблемно-отраслевой лаборатории под руководством автора Большой вклад в организа­ цию и проведение этих исследований был внесен заел,

сжатой форме; вместе с тем, как видно из приведенного перечня в книге рассматривается широкий круг вопро­

Глава I

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ВИБРАЦИЙ ПРИ РЕЗАНИИ. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ

Изыскание новых методов обработки металлов реза­ нием ведется путем изменения характера приложения механического воздействия на срезаемый слой (напри­ мер, на вибрационное, сверхскоростное), использования качественно новых видов воздействия на материал сре­ заемого слоя (химического, электрического), примене­ ния комбинированных методов обработки, построенных на совмещении равномерного механического воздействия с вибрационным, тепловым, химическим, электриче­ ским воздействиями. Сочетание каждого из этих про­ цессов с другими, а также комбинации из трех или четырех элементов определяют известные к настоящему времени новые методы обработки металлов снятием стружки. Комбинированные методы обработки отли­ чаются наибольшей эффективностью. Значительное ме­ сто среди них занимает механическая обработка с виб­ рациями в специальных средах, совмещающая равномер­ ное движение резания с вибрационным воздействием на материал срезаемого слоя в химически активной среде.

Применение резания с вибрациями па оптимальных режимах позволяет успешно решать многие актуальные проблемы, стоящие перед металлообрабатывающей про­ мышленностью.

Резание с вибрациями обеспечивает надежное дроб­ ление стружки. Интенсификация процессов механиче­ ской обработки путем использования твердосплавного и керамического инструментов, применения методов мно­ гоинструментальной обработки и силового резания рез­ ко увеличивает количество стружки. При обработке мно­ гих материалов стружка сливная. Она загромождает цеховое пространство, является причиной травм рабо-

чих, затрудняет эксплуатацию универсального и особен­ но автоматизированного оборудования, требуя для от­ вода от движущихся узлов станков дополнительного труда рабочего.

Процесс удаления стружки заключается в ее дроб­ лении и iBbiiioce из рабочего пространства станка. Мел­ кодробленая стружка легко удаляется шнековыми и пневматическими устройствами. Дробление стружки до настоящего времени вызывает серьезные затруднения.

Достоинством широко применяемых в настоящее вре­ мя способов дробления стружки (лунки, уступы, на­ кладные стружколомы) является простота: на многих операциях они дают удовлетворительное решение этой задачи. Вместе с тем они несовершенны [28].

Другими возможными способами стружкодробления является оснащение станка устройствами, позволяющи­ ми периодически прекращать подачу режущего инстру­ мента, т. е. осуществлять так называемое дискретное резание [15] или быстро отводить инструмент в направ­ лении, противоположном направлению подачи на вели­ чину больше толщины стружки.

При применении первого способа весьма значитель­ ные упругие деформации системы СПИД не позволяют мгповенно прекратить ■процесс резания. Кроме того, вследствие постепенного снятия упругих сил будет про­ исходить образование борозд на обработанной поверх­ ности. Периодические остановы приведут также к сни­ жению производительности обработки. Второй способ по тем же причинам используется практически лишь на сверлильных станках.

Более перспективным и универсальным является ис­ пользование для дробления стружки резания с вибра­ циями (между прочим оба упомянутых метода можно рассматривать как частные случаи резания с вибрация­ ми очень малой частоты и негармонического вида).

р и а л о в прежде всего новых видов (нержавеющих и жаропрочных). Обрабатываемость материалов реза­ нием определяется: интенсивностью износа инструмента; сопротивлением, оказываемым данным материалом дви­ жению резания, оцениваемым прежде всего по величине возникающих силы резания и температуры; качеством

поверхности. Как показывают лабораторные испытания и опыт производственного внедрения, задание вибраций оптимальных параметров уменьшает интенсивность из­ носа инструмента из-за снижения действующих сил, температуры и повышения эффективности применения смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), т. е. увели­ чивает стойкость инструмента и повышает качество по­ верхности. Применение вибраций также резко сокра­ щает поломки инструмента и тем самым увеличивает срок их .службы. Это подтверждают данные по вибра­ ционному сверлению обычных и глубоких отверстий, когда получение мелкой стружки, удобной для удаления формы, исключает поломку сверл вследствие ликвида­ ции пробок из стружки в канавках сверла. Сокращение поломок корпуса и разрушения режущих кромок ин­ струмента при резании с вибрациями наблюдается и при нарезании резьб (особенно глухих) метчиками, при этом случаи схватывания и защемления инструмента в отвер­ стии наблюдаются реже.

Наложение вибраций при резании заменяет непре­ рывное взаимодействие рабочих поверхностей инстру­ мента с обрабатываемым материалом прерывистым и

струмента СОЖ. Большое значение в процессе резания приобретают переходные процессы, связанные с вре­ занием и выходом инструмента. Все это позволило соз­ дать новый метод обработки — ударно-прерывистое резание. Оно характеризуется по сравнению с обычным большим удельным весом динамических явлений и по­ вышенных скоростей резания в процессе стружкообразования при обеспечении удовлетворительных условий работы режущего клина за счет его периодического от­ дыха. сопровождающегося активным формированием па нем в среде СОЖ защитных пленок.

Переход на обработку резанием с вибрациями в ря­ де случаев обеспечивает повышение виброустойчивости

с п л а в н ы м , т. е. повысить производительность обра­ ботки. Это очень важно в первую очередь для операций обработки отверстий, которые характеризуются низкой

жесткостью инструмента, затрудненным стружкоудалением и трудностью подачи СОЖ в зону резания. Обра­ зование в этом случае за счет вибраций мелкодробле­ ной стружки позволяет уменьшить поперечные сечения канавок для удаления стружки и тем самым повысить жесткость стебля сверла. Это дает возможность осна­ щать его твердым сплавом. Такое сверло спроектиро­ вано специально как инструмент для обработки с виб­ рациями с учетом специфических особенностей этого процесса. Внедрение станка BC-IV конструкции МВТУ им. Баумана для вибрационного сверления с одновре­ менной заменой быстрорежущего сверла новым типом инструмента с пластинкой твердого сплава ВК8 и под­

отверстий диаметром 4,5 мм в сплаве ЭИ 827 на глу­ бину 35 мм в 4—5 раз и резко сократить расход инстру­

мента. Такая обработка обеспечила повышенную точ­ ность и чистоту, что позволило исключить операцию развертывания отверстия.

Применение обработки резанием с вибрациями поз­

применяется ручной труд. Это объясняется тем, что ис­ пользование вибраций создает на ряде операций более благоприятные и стабильные условия для работы инст­ рументов. К таким операциям относится сверление от­ верстий малого диаметра (1,0—3,0 мм) в деталях из

нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, осо­ бенно с Засверловкой их в 'косой торец (например, кон­ тровочных отверстий в гайках). Сверление таких отвер­ стий обычно производится с ручной подачей, что позво­ ляет непрерывно следить за работой инструмента. Попытки механизировать подачу были связаны с мас­ совыми поломками сверл. Вибрационное сверление от­ верстий диаметром 1,6 мм на глубину 8 мм. в нержа­

веющей стали Х18Н9Т с принудительной механической подачей (s.«iW=30 мм/мин, «=2800 обfм.ин) по сравне­

нию с ручной при обычном сверлении без вибраций дает увеличение производительности в 1,5—2 раза, стойкости — в 2—2,5 раза. Для этой операции в МВТУ им. Баумана созданы опытные конструкции станков-по­ луавтоматов.

Другим примером является нарезание резьб метчи­ ками. Ручной труд необходим при использовании обыч­ ного метода обработки для попадания последующих метчиков в предварительно нарезанную резьбу. Исполь­ зование-патрона для ударно-прерывистого резания, не имеющего жесткой связи инструмента с приводомшгшнделем, ликвидирует в этих случаях необходимость

вручном труде и повышает стойкость инструмента. Применение резания с вибрациями на ряде операций

создает в о з м о ж н о с т ь а в т о м а т и з а ц и и , так как обеспечиваемое этим методом надежное дробление стружки позволяет не прерывать автоматическую рабо­ ту суппортов и шпинделей. Это имеет место при обычном резании; создает стабильные условия обработ­ ки для инструментов, работающих в затрудненных ус­ ловиях, например при сверлении отверстий малого диа­ метра или глубоком сверлении, когда при обычном резании из-за закупоривания стружкой отводящих ка­ навок необходимо постоянное наблюдение рабочего за поведением инструмента и периодические его выводы из отверстия при защемлении стружкой.

Применение вибраций является одним из новых тех­ нических средств, обеспечивающих . п о в ы ш е н и е э ф ­ ф е к т и в н о с т и а в т о м а т и з а ц и и п р о и з в о д ­ ства. Нередко полной автоматизации всего технологи­ ческого процесса механической обработки деталей пре­ пятствует одна или две операции из-за их крайне малой производительности или невозможности выполнять цх в автоматическом режиме. Например, в автоматизиро­ ванном производстве широкое применение находят мно­ гошпиндельные агрегатные силовые головки. f Так как все инструменты имеют одинаковую минутную подачу, то производительность всей головки определяется усло­ виями резания, например, сверления, на лимитирующем шпинделе; вибрационное сверление на нем позволяет в 2— i раза повысить режимы резания и за счет этого

увеличить производительность всейагрегатной головки или автоматической линии.

Весьма распространенными и трудоемкими являются операции обработки глубоких ||-^- = 10ч-5о| и ультраглу-

боких ^-^->50^ отверстий. Решающими условиями