автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Прогрессивные фрезы для обраотки деталей из титановых сплавов

На правах рукописи

БАЛЛА Олег Михайлович РГБ ОД

? / ¿.и 'г/'1

ПРОГРЕССИВНЫЕ ФРЕЗЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Специальность: 05.03.01 - Процессы механической и

физико-технической обработки, . станки и инструменты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Иркутск - 2000

Работа выполнена на кафедре технологии машиностроения Иркутского государственного технического университета и в Иркутском институте авиационной технологии и организации производства

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент Михаилюк Э.А.

Научный консультант: заслуженный деятель науки и тех-

ники РФ, доктор технических наук, профессор Промптов А.И.

Официальные оппоненты:

i'

доктор технических наук, профессор Кудряшов Е.А. кандидат технических наук, Кусачев В.М;

Ведущее предприятие: Московское машиностроительное производственное предприятие « САЛЮТ»

Защита состоится <f(f » мая 2000г. в 10 часов на заседании специализированного Совета Д063.71.04 в Иркутском государственном техническом уни-' верситете tío адресу;664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова 83, ауд. К-амф.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского Государственного технического университета

Автореферат разослан 17 апреля 2000г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Р.В. Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При изготовлении современных летательных аппара-ов широко применяются детали из высокопрочных материалов, в том числе и итановых сплавов. В настоящее время в ряде изделий объемы их применения [ревысили 20% от обшей массы планера. Прогнозируется дальнейшее увеличе-1ие объемов их использования.

Низкая обрабатываемость резанием, большие габариты деталей при низкой [сесткости их конструктивных элементов привели к тому, что несмотря на ши-юкое применение станков с ЧПУ, трудоемкость механической обработки для >яда изделий авиационной техники превысила 30 % от общей трудоемкости из-отовления планера и наметилась устойчивая тенденция к ее дальнейшему уве-[ичению. Свыше 75% от данной трудоемкости приходится на фрезерование, 1то определило выбор направления работ для исследования.

Сложившаяся ситуация в немалой степени способствовала формированию .шения, что возможности интенсификации режимов резания деталей из труд-юобрабатываемых материалов практически исчерпаны. Следствием этого явитесь то, что работы по совершенствованию инструментообеспечения станков с -1ПУ в настоящее время направлены в основном на снижение расхода инструмента за счет повышения его стойкости или сокращения расхода инструментальных материалов на единицу инструмента. Сокращение затрат на обработку деталей на предприятиях обеспечивают за счет организационных мероприятий гаких, как многостаночное обслуживание и планово предупредительное обеспечение рабочих мест. Это не позволяет в должной степени обеспечить повышение эффективности механообрабатывающих производств. С учетом высокой гтоимости часа работы оборудования с ЧПУ интенсификация режимов обработки крупногабаритных деталей из титановых сплавов и других труднообрабатываемых материалов становится исключительно важной проблемой для предприятий машиностроительных отраслей.

Цель работы - проектирование фрез для обработки титановых сплавов, обеспечивающих интенсификацию режимов фрезерования, в том числе и при обработке деталей малой жесткости.

Научная новизна работы заключается в решении вопросов интенсификации режимов фрезерования на стадии проектирования инструмента для решения которой:

- обоснован выбор формы поперечного сечения пластин твердого сплава в зависимости от углов приложения силы резания;

- показана возможность уменьшения динамической нагрузки на технологическую систему путем управления формой поперечного сечения среза;

- создан математический аппарат для расчета активной длины режущих кромок концевых и цилиндрических фрез в зависимости от угла подъема винтовой линии зубьев и угла контакта фрезы с заготовками;

- на базе теории винтовых поверхностей синтезированы схемы резания для различных конструкций фрез, в том числе и для сборных конструкций;

- разработана методика обоснования основных направлений развития конструкций фрез в зависимости от условий их эксплуатации;

- разработана методика ускоренных стойкостных испытаний в т.ч. и методам оптимального планирования па оспоре измереиия интенсивности износа ( раз витие методики профессора Л.С. Кондратова ).

Практическая ценность работы состоит в:

- обосновании основных направлений развития (совершенствования) конструк ций инструмента в зависимости от условий эксплуатации;

- исследовании методов и средств интенсификации режимов фрезеровани труднообрабатываемых материалов и их ранжирования с точки зрения проек тирования инструмента высокой производительности;

- разработке методик проектирования фрез, обеспечивающих интенсификации режимов резания деталей из титановых сплавов;

- экспериментальной отработке методики ускоренных стойкостных исследова ний;

- разработке конструкций фрез и внедрению на предприятиях отрасли;

- разработке отраслевых стандартов на фрезы для обработки деталей из титане вых сплавов ОСТ1.52858-89...ОСТ1.52861-89 и отраслевой аттестации фре. включенных в стандарты.

Апробация работы. Основные положения, научные и практические резуль таты, выводы и другие материалы по диссертационной работе доложены на от раслевых и региональных конференциях, семинарах, совещаниях и школах пс редового опыта. Экспонаты, созданные по результатам работы были предста1 лены па ВДНХ СССР, отраслевых и межотраслевых выставках в Казани и Сб туни, а так же международном авиационном салоне в г. Жуковском в 1993] Экспонаты отмечены бронзовой медалью ВДНХ, дипломами лауреата О! ВЛКСМ в 1977г., Госкомитета СССР по науке и технике в 1980г.

Публикации. По результатам работы опубликовано (в соавторстве и самс стоятельно) 52 работы в том числе: 8 отраслевых стандартов, 3 технологии ские рекомендации, 17 технических отчетов по научно-исследовательским т( мам. Основное содержание диссертации изложено в 23 публикациях, списс которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех гла: общих выводов, списка литературы из 151 наименования, приложений (акт внедрения, материалы отраслевой аттестации) содержит 107 формул, 84 рисут ка и 14 таблиц. Общий объем работы 139 страниц машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ • Введение. В введении приведены объемы применения основных конструкт онных материалов, применяемых для изготовления планеров авиационной те: ники, показана актуальность работ по повышению производительности фрез рования деталей из титановых сплавов и других высокопрочных материалов. Глава 1. В данном разделе выполнен анализ конструкций инструмента ш обработки титановых сплавов и методов его проектирования, показана необх! димость разработки и разработана методика комплексной оценки техническо! уровня инструмента и обоснования направлений развития в зависимости от у ловий эксплуатации. В основу методики положены характеристики работы и струмента, выполняемой за весь' срок его службы с учетом всех допустимь

переточек и ремонтов: для черновой обработки принят объем удаленного металла, а для чистовой - суммарная длина обработки. Из сопоставления объемов работ, выполненных новым и ранее применявшимся инструментом, получен коэффициент эквивалентности, показывающий какое количество ранее применяемого инструмента необходимо для замены нового, в виде произведения коэффициентов, характеризующих технический уровень сопоставляемых конструкций:

11 = Кпр-Кт-Ку-Кср.сл j где Кпр - коэффициент производительности равный, отношению минутных подач;

Кт -коэффициент стойкости;

Ку - коэффициент условий работы, равный отношению при фрезеровании BH.tH./B6. t6.;

Кср.сл. - коэффициент срока службы.

Предложенный комплексный показатель позволяет выполнить оценку технического уровня инструмента по 3-м категориям качества: производительности, стойкости, суммарному сроку службы с учетом условий эксплуатации. В виду того, что стоимость новых конструкций фрез может значительно превосходить стоимость ранее применяемых, возникла необходимость определения допустимой (лимитной) стоимости фрез при которой сохраняется рентабельность их эксплуатации

Сдоп= Coa-j-rj + Y, ЦЕ + //)(1- 1/Янр) } где Е - стоимость часа работы оборудования, на котором эксплуатируется инструмент, руб.;

Н - часовая тарифная ставка рабочих, руб.;

Y Т- суммарное время работы инструмента за весь срок его службы, час. Полученная зависимость позволяет обосновать целесообразные направления развития фрез с учетом условий их эксплуатации. Графическая интерпретация формулы ( 2 ) приведена на рис. 1,2.

Снов.мах руб. 300 250 200 150 100 50 0

0 1 2 3 4 5 Кт

Кср.с

а)

б)

Рис. 1. Зависимости допустимой стоимости инструмента от коэффициентов стойкости и суммарного срока службы исходная стоимость инструмента: 1 - 10руб.; 2 - 50руб.

Сдоп.мах. руб. 1500 -1000 -500 -

-500 -

-1500 ■

и 1 и=!

й 1 ЖИ

--3

—<— 4

0.5 1

Кпр

Рис. 2. Зависимость допустимой стоимости инструмента от коэффициента производительности

1,3 - исходная стоимость инструмента - Юру б; 2,4 - 50руб; 1,2 - стоимость часа работы станка - 25руб/час; 3,4 - ЮОруб/час.

Выполненный анализ показал, что наиболее эффективны работы по созданию сборных конструкций, особенно со сменными неперетачиваемыми пластинками в т.ч. и из быстрорежущих сталей. Далее приоритет принадлежит работам по интенсификации режимов обработки. Они наиболее эффективны для инструмента, применяемого на оборудовании с высокой стоимостью часа работы, затем следует уделять внимание работам по повышению стойкости. Они предпочтительны для инструмента с высокой первоначальной стоимостью. Предложенный комплексный показатель позволяет оценить не только технический уровень нового инструмента, но и обосновать приоритетность работ по совершенствованию конструкций инструмента во взаимосвязи с условиями его эксплуатации. С учетом высокой стоимости часа работы оборудования с ЧПУ и большой трудоемкостью изготовления крупногабаритных деталей для дальнейшего исследования были выбраны направления работ по интенсификации режимов фрезерования.

Исследование эффективности указанных направлений связано с длительными стойкостными испытаниями, что вызвало необходимость разработки методики ускоренных исследований. За основу методики взято известное положение о том, что интенсивность износа в пределах участка нормального износа является величиной практически постоянной. Из этого следует, что в данном случае периоды стойкости любого инструмента могут быть определены по формуле:

Л = М;

(П

где Ь - принятый критерий затупления, мм;

¡1 - интенсивность износа, мм/мин., равная:;'= ДЛ/Д/

Т; - период стойкости, мин.

ДЛ- приращение износа инструмента за промежуток времени ДI. ПодставиЕ (3) в известное выражение Т, V; /ш= Т 1 Ут 1 т и решив его относительно показателя относительной стойкости, получим в окончательном виде:

1/т = ^ (¡,/ ¡¡+1) / 1ё (V, / У1+,) Аналогично определяются показатели степеней и при других параметрах процесса резания.

б

При применении методов оптимального планирования зависимости представ-1яются в виде:

i = f( v, s, t, В, z)

или

' = /(<р,у,а,п),л)

где v, s, t, В, z, ф, у, а, со, X соответствено скорость резания, подача, глубина и ширина резания, число зубьев, геометрические параметры инструмента. Последующее приведение к типовому виду Т = f ( v,s,t ) выполняется через формулу ( 1 ).

Конструктивные элементы деталей имеют низкую жесткость, а модуль упругости титановых сплавов вдвое ниже чем у сталей. Для решения вопросов интенсификации режимов обработки необходимо было знание силовых зависимостей. Экспериментальные работы по исследованию стойкостных и силовых за-виси-мостей выполнялись как по классическому методу однофакторного эксперимента, так и с применением методов оптимального планирования на специализированном фрезерном станке модели ФП17МН при обработке заготовок из титановых сплавов ВТ20 и ВТ22 с применением комплекта аппаратуры: динамометров УДМ-1200 с тензодатчиками и СТМ-2 с дифференциальными индуктивными датчиками, усилителя ТА-5, осциллографа Н-115. Динамические характеристики процесса фрезерования регистрировались на фотопленку, а износ измерялся на инструментальном микроскопе типа ММИ-2.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЗЕРВОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ РЕЖИМОВ ФРЕЗЕРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Для изучения возможности интенсификации режимов фрезерования деталей из титановых сплавов были исследованы: прогрессивные инструментальные материалы, геометрические параметры фрез, схемы расположение пластин в корпусах фрез, форма поперечного сечения среза, угол подъема винтовой линии зуба концевых фрез, ионная имплантация.

2.1. Прогрессивные инструментальные материалы

В данном разделе были исследованы режущие свойства твердых сплавов: ВК8 ( эталон ), ВК6 ОМ, ВК10 ХОМ, ВРК15 при фрезеровании титанового сплава ВТ22 ( сг= 1200МПа). Полученные результаты приведены на рис.3 и 4.

Sz,MM/3yö

15 20 30 40 60 V.mxh

0,0S 0,1 0.15 0,2 0.25

Рис. 3. Зависимость стойкости от скорости резания

Рис. 4. Зависимость стойкости от величины подачи на зуб

1- ВК8, 2 - ВК6-ОМ, 3 - ВКЮХОМ, 4 - ВРК15.

Выполненные исследования показали, что применение твердых сплавов ВК10 ХОМ и ВРК15 позволяет в условиях высокой жесткости технологической системы увеличить допустимые значения скоростей резания в 1,5...2 раза или подачи на зуб в 1,5...3 раза. Если по технологическим условиям ( низкая жесткость, высокие требования к шероховатости обработанной поверхности ) увеличение данных парамегров невозможно, то применение данных материалов позволяет увеличить стойкость инструмента.

2.2. Геометрические параметры фрез Вопросам оптимизации геометрических параметров фрез уделялось большое внимание в работах профессоров М.Н. Ларина, A.M. Розенберга, В.Г. Подпор-кина, Л.Н. Бердникова и других. Несмотря на это до настоящего времени вопросы выбора рациональных геометрических параметров фрез остаются открытыми. С учетом этого выполнены экспериментальные исследования с целью выявления возможности интенсификации режимов фрезерования за счет изменения геометрических параметров. В результате выполнения экспериментальных работ была получена единая форма заточки режущего клина для всех марок титановых сплавов. Установлено, что упрочняющая фаска стабилизирует работоспособность фрез, увеличивает стойкость в зоне умеренных скоростей резания в 1,3...1,6 раза, уменьшает коэффициент вариации с 0,28...0,3 до 0,19...0,22.

Экспериментальные работы показали, что рационализация геометрических параметров инструмента позволяет стабилизировать работоспособности фрез без интенсификации режимов обработки. Малые значения коэффициентов вариации стойкости особенно важны для станков с ЧПУ.

2.3. Расположение пластин в корпусах фрез Для определения рациональных областей применения фрез с радиальным к тангенциальным расположением режущих элементов с точки зрения интенсификации режимов фрезерования предложены коэффициенты увеличения допустимых нагрузок и уменьшения упругих деформаций пластин. Коэффициенты получены исходя из того, что напряжения изгиба обратно пропорциональнь моментам сопротивления, а упругие деформации - моментам инерции. Перейд5 к относительным показателям можно записать, что коэффициент увеличение допустимых нагрузок на режущий элемент равен:

Кн = Wt(k)/Wp и соответственно уменьшения упругих деформаций пластин:

Кд = 1т(к)/1р/

где: W (I) - моменты сопротивления ( инерции Соответственно для тангенциального ( т), радиального (р ) расположения пластин, индекс (к) относится к пластинам квадратного поперечного сечения.

При фрезеровании происходит непрерывное изменение как самой силы резания, так и угла ее приложения к режущему элементу. Коэффициенты были определены с учетом изменения угла приложения силы резания. Результаты расчета коэффициентов для пластин размерами14х4,76; 4,76x14; 8,16x8,16 приведены на рис.5.

Кн

10

аее ^^

■•—1 »-2

3

4

5

6

0,1

0 5 10 20 30 40 45 50 60 70 80 85 ЭОугол приложения

Рис. 5. Зависимость коэффициентов увеличения допустимых нагрузок от угла

приложения силы

1 - сравнение тангенциального расположения пластин с радиальным; 2 - сравнение радиального расположения пластин с тангенциальным; 3 - сравнение тангенциального расположения пластин с пластинами квадратного поперечного сечения; 4 - сравнение пластин квадратного поперечного сечения с тангенциальными; 5 - сравнение пластин квадратного поперечного сечения с радиальными; 6 - сравнение радиального расположения пластин с пластинами квадратной формы в поперечном сечении.

»

Полученные результаты показали, что тангенциальное расположение пластин при углах приложения сил резания до 45° обеспечивает возможность фрезерования с большими сечениями среза. Так при углах приложения сил от 0и до 30° сечения среза могут быть увеличены в 1Д..З раза. Если учесть, что толщина среза влияет на силы в меньшей степени чем ширина ( показатель степени при толщине среза - 0,75 ), то эффективность выразится увеличением допустимых подач в 2,2...4,3 раза. Пластины с квадратным поперечным сечением по сравнению с радиально расположенными более эффективны при углах приложения сил резания до 60°. В диапазоне углов приложения сил резания от 0° до 45° их применение позволяет увеличить допустимые сечения среза в 1,4...1,8 раза, а с учетом влияния показателя при толщине среза - в 1,6...2,2 раза. Из сопоставления тангенциально расположенных и пластин квадратного поперечного сечения следует, что тангенциальное расположение пластин в диапазоне углов приложения сил резания от 0° до 30й позволяет выполнять фрезерование с толщинами среза в 1,6...2,1 раза больше, чем для пластин квадратной формы ( с учетом показателя степени при толщине среза ). При превышении углов приложения сил резания больше 45п и 60" соответственно для тангенциальных и квадратных пластин преимущество переходит к радиальному расположению пластин твердого сплава. Необходимо отметить, что при подобном выборе поперечного

сечения пластин, несмотря на фрезерование с увеличенными сечениями среза, упругие деформации пластин значительно ниже. Схемы расположения пластин и форма их поперечного сечения являются функцией угла приложения сил резания к режущим элементам. Значения экспериментально определенных текущих значений углов приложения сил резания в зависимости от изменения углов контакта режущих элементов с заготовкой приведены на рис.6.

5 25 45 65 85 105 125 145 165 град

Рис. 6. Значения углов приложения сил резания в зависимости от изменения угла контакта режущих элементов с заготовкой

При фрезеровании титановых сплавов неблагоприятные значения углов приложения сил резания наблюдаются в моменты врезания зуба в заготовку и выхода его из работы т.е. при углах контакта близких к 0" и 180". Применение попутного фрезерования и соответствующей установки фрезы .относительно заготовки позволяют в значительной степени снизить негативное влияние данных факторов.

2.4. Форма поперечного сечения среза

С учетом того, что конструктивные элементы авиационных деталей имеют низкую жесткость, возникла необходимость изыскания возможности интенсификации режимов обработки. Поиски приемлемых решений при фрезеровании титановых сплавов усложняются низким модулем упругости и большими значениями сил резания. С точки зрения проектирования инструмента, обеспечивающего гарантированную интенсификацию режимов обработки, несомненный интерес представляет изыскание возможностей уменьшения сил резания при сохранении достигнутой интенсивности съема металла. Для анализа возможности интенсификации режимов резания была составлена система уравнений:

P = CaV ав -~ const,

где С - постоянный коэффициент, а - толщина среза, мм; « - ширина среза, мм; у, х - показатели степеней, характеризующие влияние соответственно толщины и ширины среза на силы резания.

Выразив ширину среза через толщину и подставив в типовую зависимость длу расчета сил резания получим в окончательном виде:

Р = С,а,чг (2;

Графическая интерпретация зависимости (2) применительно к данным проф. Н.И. Резникова для различных обрабатываемых материалов приведена на рис.7, для точения и рис.8. - для фрезерования.

Рг,Н 600Й

5000 4000 3000 2000 1000 о

\

\

к V

Г « 5

-•—1 ■*— 2

--3

4

Р,Н 2000

1500

1000

500

0

--3

—''—4

0,1 0,5 1 1,5 2 2,5 3 а,мм

0,1 0,5 1 1,5 2 2,5 3 а'ММ

Рис. 7. Зависимость составляющих сил резания при точении

Рис. 8. Зависимость составляющих сил резания при фрезеровании

Обрабатываемые материалы: I -ВТ16, 2 - ВТ6, 3 -ОТ4-1, 4 - 12Х18Н10Т.

С учетом того, что силовые зависимости были получены для относительно узких диапазонов изменения толщин среза, возникла необходимость экспериментальной проверки выполненной экстраполяции. Для этого были выполнены экпериментальные работы при точении титанового сплава ВТ20 как радиально, так и тангенциально расположенными пластинками твердого сплава. Толщины среза при этом варьировались от 0,14 до 2,25мм для радиально расположенных пластин и от 1 до Змм для расположенных тангенциально. Полученные результаты показали правомерность экстраполяции. Силы резания монотонно снижаются при изменении толщин среза от прямых до обратных стружек, при чем уменьшение сил резания может достигать 3-х и более раз ( рис.9.)

Рис. 9. Зависимость составляющих сил резания при постояном сечении среза от

толщины среза

2.5. Угол подъема винтовой линии зуба концевых фрез Суммарная длина режущих кромок, одновременно участвующих в резании, непосредственно определяет силу резания. С учетом этого необходимо ее знание при проектирования инструмента. Для удобства расчета активной длины

и

режущих кромок введены понятия условного угла подъема винтовои линии зуба и условной ширины импульсного фрезерования. Под условным углом подъема винтовой линии следует понимать угол, при котором для данных условий фрезерования длина режущей кромки будет максимальной. Математически это условие выразится формулой:

i лй0 т = тн

Под условной шириной импульсного фрезерования следует понимать предельную ширину фрезерования при которой концевая фреза будет работать одним зубом, имея при этом угол контакта с заготовкой равный окружному шагу или с математической точки зрения:

, rcDw

где: со' - условный угол подъема винтовой линии, град; Д1 - условная ширина импульсного фрезерования, мм; у - окружной шаг зубьев, град. При использовании введенных понятий активная длина может быть определена по следующим формулам:

а ) (о<ю] , 0<у/ , В<В' t В

h =----------ММ.

COSíU

б) ы«л\ в>ч/, В<В>

, B-K nlXO-ijjK) ""

cos су 360 sin со

в) ах а', в>ч/, В>в'

, В-К лйф-цК) ' ; "

о =-+-:--

cosí» 360sm&)

г) ыхо\ 9>у/, В>В'

b —lj/-) + iß_BK)C0S 360 sin а r' у

д) со>со\ 0<цг, В<В'

л1)6

Ь =-;—■

360 sin со

е) со>со', 9>Ц!, В<В'

(P-v)

360 sin со ж) со<со', в<у/,

cosa

з) а»а\ 0<у/, В>В'

яОбК ,

Ь = —-+ (В-В Ко)cosco .

.... stnü) . .. ,. •. '

где: К - число одновременно работающих зубьев по окружному шагу; Ко

число одновременно работающих зубьев по осевому шагу. Зависимости без ну

мерации известны из работ [19,26]

Графическая интерпретация полученных зависимостей приведена на рис.10.

в,мм

— — з

-Ф-6

7

— 8

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80.

град

Рис. 10. Зависимость активной длины режущих кромок от угла подъема винтовой линии зубьев фрез Угол контакта фрезы с заготовкой: 1- 9 = 180°, 2 - 9 = 150°, 3 - 9 = 90°, 4 - 9 = 45°, 5 - 9 = 22,5°, 6 - 9 = 10°, 7 - 9 = 5°, 8 - в=ffco'j.

Предложенный математический аппарат позволил определить рациональные значения угла подъема винтовой линии зубьев фрез в зависимости от условий их эксплуатации. Установлено, что фрезы должны иметь угол подъема винтовой линии больше условного. При соблюдении данного условия применение фрез будет эффективно. Фрезы с большими углами подъема винтовой линии наиболее эффективны, при малых углах контакта фрез с заготовками, т. е. при чистовой обработке.

2.6. Ионная имплантация при фрезеровании титановых сплавов Установлено, что применение износостойких покрытий неэффективно при фрезеровании титановых сплавов полученный в производственных условиях эффект повышение стойкости на 20...60%, эквивалентен эффекту от заточки упрочняющих фасок, при значительном увеличении коэффициентов вариации и затрат на нанесение износостойких покрытий. С учетом этого для исследований был выбран метод ионной имплантации, как не искажающий радиус округления режущей кромки. Имплантация пластин была выполнена на опытной установке Томского политехнического института. Результаты экспериментальных работ приведены на рис. 11,12.

100 80 60 40 20 0

--3

—>-4

Т.мин 600 500 400 300 200 100 О

--3

—<-4

10 15 20 25 30у.м/мин

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

Бг, мм/зуб

Рис. 11. Зависимость стойкости Рис. 12. Зависимость стойкости

от скорости резания от подачи

1 - ВК6-ОМ + "Л, В, Аг; 2 - ВК6-ОМ + \У, Аг; 3 - ВК6-ОМ; 4 - ВК6-ОМ + Ъ,

Установлено, что эффект от имплантации ионов титана и бора в среде аргона возрастает с ростом скорости резания. Стойкость фрез увеличивается от 1,2 ( V = 15м/мин.) до 5 раз ( V = 25 м/мин.). Но при этом критическая скорость резания т.е. скорость резания, при которой происходит так называемое « прошивание режущей кромки », сохраняет свое значение. Отмечено, что имплантация ионов несколько снижает прочность пластин, что проявляется в снижении стойкости по сравнению с эталонными пластинками по мере увеличения толщин среза.

Установлено, что рациональной областью применения пластин, подвергнутых ионной имплантации, является фрезерование деталей из титановых сплавов не повышенных скоростях резания с небольшими сечениями среза, т.е. чистовая и получистовая обработка.

Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФРЕЗ

На основе материалов, полученных во втором разделе, были разработаны методики проектирования ряда конструкций фрез. Расчет параметров фрез условно разбит на 3 этапа:

- по первому определяют параметры рабочей части фрез в зависимости от условий эксплуатации;

- по второму решают вопросы повышения динамических характеристик фрез, при этом могут быть изменены параметры, определенные по первому;

- по третьему - окончательно рассчитанный вариант конструкции дополняют табличной информацией.

3.1.Проектирование концевых и цилиндрических фрез Данная методика относится к проектированию фрез из быстрорежущих сталей и оснащенных винтовыми пластинками твердого сплава

Расчеты выполняются применительно к европейской форме зуба для фрез и: быстрорежущих сталей и специальной - для оснащенных винтовыми пластин

ками твердого сплава.. Расчет параметров фрез выполняют в следующей последовательности: для характерных участков деталей по нормативам определяют допустимые значения подач, далее по зависимости проф. М.Н. Ларина

—^— ( экспериментально определен коэффициент для титановых слла-

V s7

bob ), число зубьев и прочие параметры торцового сечения. Для увеличения жесткости фрез наряду с утолщением сердцевины зуба к хвостовику радиус спинки зуба для фрез с винтовыми пластинками определяется по формуле:

г = 0,88Лг";"

Повышение работоспособности концевых фрез на стадии проектирования обеспечивается выбором угла подъема винтовой линии зубьев, обеспечивающих минимально допустимую активную длину режущих кромок из условия обеспечения необходимой равномерности фрезерования. Дальнейшее повышение работоспособности обеспечивается модификацией режущих кромок в соответствии с а.с. № 1050176 МКИ В23С / 06. Схема образования острозаточенно-го периодического профиля режущих кромок вспомогательными винтовыми поверхностями приведена на рис. 13., а профиль режущих кромок - на рис. 14.

- 0) А

-pju-

т

г

Рис.13. Схема образования периоди Рис. 14.Профиль режущих кромок ческого профиля режущих кромок

По предложенной схеме дискретный профиль режущих кромок образуется пересечением винтовой линии зуба вспомогательными винтовыми поверхностями правого и левого направлений, задние углы на боковых сторонах при этом формируются сочетанием вспомогателных углов в плане и углов подъема винтовых линий, что позволяет обеспечить задние углы недостижимые затылованием. Периодический профиль режущих кромок образуется вспомогательными винтовыми поверхностями при выполнении условия:

1цр * 1лев ^ ^

где: 1 - числа заходов вспомогательных винтовых поверхностей правого и левого направлений, г - число зубьев фрезы.

Углы подъема вспомогательных винтовых поверхностей правого и левого направлений определяются зависимостью: о

сЫ Р =--;-± !гсо

/П„.ШГ><А + &>С0М'

Образованный профиль в двое уменьшает активную длину режущих кромок, снижая силы резания. Это особенно важно при обработке деталей малой жесткости.

На заключительном этапе проектирования выбирают по соответствующим таблицам утолщение сердцевины зуба, параметры режущего клина, присоединительные размеры и степени их точности.

3.2.Проектирование сборных концевых фрез За основу конструкций сборных концевых фрез взята генераторная схема резания, образованная режущими элементами, имеющими форму цилиндров или усеченных конусов. Данные элементы расположены на технологической винтовой линии через равные угловые промежутки. При таком расположении пластин, дискретная режущая кромка образуется автоматически, всего при двух движениях заготовки инструмента при обработке гнезд под пластины, а именно: поворота вокруг оси на заданный угол и осевого перемещения на величину т. см. рис. 15.

Рис. 15. Схема образования дискретных режущих-кромок режущими элементами, расположенными по технологической винтовой линии В общем случае, в зависимости от направлений технологической винтовой линии, углов подъема винтовых линий, образованных дискретными режущими элементами, углов наклона режущих кромок пластин возможно 8 вариантов компоновки режущих элементов. Параметры технологической винтовой линии могут быть определены по следующим зависимостям :

Dn. i cos Я

агс*Р=п________, — (з)

nD ± Dm ■ cos Я ■ Igco

или

^ (Diiji + Si« - sin X) cos Л

arc'8P ~ no ± [(Din + 2Sin sin Л) cosX\ig(o Примечание: форма пластин может быть любой, меняется обозначение их размерных параметров в приведенных формулах 25,26. Шаг технологической винтовой линии:

хР ctga

Число смежных рядов зубьев :

Н--

z' =

__360______

360(5 + Л') _ R cos у-~UJ/u~ I)

\o ^ + arccos • n

В дальнейших расчетах применяют только целую часть полученного числа. Окружной шаг расположения пластин на технологической винтовой линии:

360 Г 1)тл1хы

V = -—I 1 ±—гт-г-.-1

7. к соъ л ып/.у

Смещение пластин в смежных рядах зубьев:

йт

т =

Расчетный микрорельеф формируемый дискретными режущими кромками в направлении параллельном оси фрезы:

II: = 0,5(Л)ЯУ СОЯ Я - СОБ: л-/м)

Характерной особенностью проектирования сборных конструкций фрез, особенно малых размеров, являются расчеты по проверке отсутствия вторичного контакта задней поверхности неперетачиваемых пластин с обработанной поверхностью. Графическая интерпретация контакта задней поверхности пластины с поверхностью резания приведена на рис. 16.

Рис. 16.Затирание поверхности резания задней поверхностью неперетачиваемых пластин

Проверочный расчет применительно к фрезерованию следует выполнять по формулам:

С& < Л-

для негативных пластин твердого сплава и С'5- < Я

+—-—-2/lsicos^a + siriy) cos" а

для позитивных. Если данное условие не выполняется, то необходимо рассмотреть следующие варианты изменения конструкций: увеличить диаметр фрезы, уменьшить, если это допустимо, толщину неперетачиваемой пластинки, применить пластинку с большим задним углом, уменьшить положительный передний угол или увеличить отрицательный. Если все это не приводит к положительно-

му результату, го необходимо ввести доработку режущих элементов для образования двойного заднего угла на пластинках.

3.3. Проектирование торцовых фрез с тангенциальным расположением

пластин твердого сплава В данном разделе рассмотрены особенности проектирования фрез с тангенциальным расположением пластнн твердого сплава как на окружности, так и по спирали. Расчет фрез с расположением пластин на окружности сводится к определению рациональных размеров поперечного сечения пластин в зависимости от углов приложения сил резания, определению размеров узлов крепления пластин, числа зубьев, присоединительных размеров и т. д. Больший интерес представляет проектирование фрез с расположением режущих элементов по

Рис. 17.Схема расположения пластин Расчет выполняют в следующей последовательности:

- определяют радиус расположения первого режущего элемента:

И

(1,6... 1,8)

- число режущих элементов, необходимых для удаления припуска.

7 = ^ Д/

- радиуса расположения пластин твердого сплава: - угловое расположение пластин:

^'гагсс05—мм—

- по соотношению £ и» и 360" определяют компоновку пластин в корпусах

фрез! а именно: возможность расположения пластин на одном витке спират с равномерным или неравномерным угловыми шагами, необходимость расположения более чем на одном витке или на многозаходных спиралях. По-

еле проработки данных вопросов определяют конструктивные размеры корпуса фрезы ( посадочный диаметр и др.).

3.4. Проектирование концевых радиусных фрез Схема образования профиля обработанной поверхности нриведенй.на рис.18.

Рис. 18. Схема формообразования выпуклых радиусных поверхностей

Пластины так же, как и в предыдущем случае расположены на технологической спирали. Параметры спирали могут быть определены на базе рис.19.'

Координаты центров расположения цилиндрических режущих элементов определяются системой уравнений:

г, = 2„+Лг,

Применительно к расположению пластин на выпуклом радиусе система уравнений принимает следующий вид:

~=Ui- lim) + (/ini - Itou) sin £ <P< i i

Остальные конструктивные,элементы фрез определяются так же как и в предыдущих случаях, для фрез относительно больших размеров возможно формирование обработанной поверхности с заданным микрорельефом. При приращениях AZ.AK равных нулю по данной методике рассчитывают фрезы с профильной схемой образования радиусов. Вышеприведенный материал свидетельствует о том, что на основе приведенных зависимостей возможен синтез методик проектирования практически любых типов фрез с любой формой режущих элементов при соответствующем изменении некоторых параметров в ряде функциональных зависимостей.

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАРАБОТАННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ФРЕЗ

На основании приведенных методик были созданы следующие конструкции фрез:

-концевые с периодическим профилем режущих кромок, как из быстрорежущих сталей, так и с напайными пластинками твердого сплава; -концевые сборные, оснащенные неперетачиваемыми пластинками цилиндрической формы;

-торцовые с тангенциальным расположением пластин твердого сплава; -торцовые с тангенциальным расположением пластин твердого сплава по спирали в том числе и многозаходной; -торцовые хвостовые радиусные с неперетачиваемыми пластинками и ряд других конструкций.

Основные конструктивные параметры разработанных конструкций приведены в табл.2.

Таблица!

Параметры разработанных конструкций фрез_

Типы фрез Основные конструктивные параметры фрез

Диапазон диаметров, мм Число зубьев Угол наклона режущих кромок, град. Число типоразмеров.

Концевые с периодическим профилем (быстр) 12...100 3...8 ±60 не ограничено

Концевые с периодическим профилем (тверд ) 16...100 3...8 ±5...75 38 для стандартных пластин твердого сплава.

Концевые сборные 22...100 - ±80 Не ограничено

Торцовые тангенциальные 80...250 6...18 -25 6

Торцовые танген- 1 1

циальные спи- 63...315 | 4...30 1 • не ограничено

ральные. ! 1

Торцовые хвосто- 16...100 | 1...10 ■ ! 12

вые 1

Результаты лабораторных исследований разработанных конструкций фрез фиведены на рис.20 ч, в табл.3, а производственных - в табл.4.

Ру,Н 14000 • 12000 ■ 10000 ■ 8000 ■ 6000 • 4000 ■ 2000 ■ 0 •

-а—2 --3

25

50

75 100

Эмин, мм/мин

Рис. 20 Зависимость составляющих сил резания Ру от минутной подачи и глубины фрезерования

1 - концевые фрезы с периодическим профилем режущих кромок;

2 - сборные концевые фрезы с цилиндрическими пластинками;

3 - эталонные концевые фрезы.

Таблица 3

Типы фрез Коэффициенты:

Кпр. Кт. Кср.сл. Ку 11 Кр Кв I

Концевые с периодическим профилем твердо- 1,3 2,5 1,0 1,2 3,3 0,7 0,45

сплавные

Концевые сборные 1,6 2,0 20 1,0 64 0,6 0,40

Торцовые тангенциальные. 2,5 2,0 13,3 1,0 66,7 0,68 0,3

Торцовые спиральные: однозаходные 3,0 1,5 13,3 1,0 60 _ _

Многозаходные 15 1,0 13,3 1,0 200 - -

Торцовые радиусные 2,0 1,5 75 1,0 225 0,62 0,6

Таблица 4

Результаты производственных испытаний фрез

Типы фрез

Коэффициенты

Кпр.

Кт

Кср.сл

Ку

Концевые с периодическим

профилем: 1)= 50,;? = 4 ¿>=50,2 = 4 А>= 40,2 = 3

1,0 1,83 1,0

4,2 2,25 6,7

1,0 1,0 20

1,0 1,0 1,0

4,2 4,1 13,4

Концевая сборная Р=50

1,7

20

1,0

51

Торцовые тангенциальные

2,7

3,0

13,3

1,0

107,7

Торцовые радиусные

2,0

1 7

75

1,0

330

Примечания: 1- на предприятии выводные пластины на шпангоутах после сварки отрезали фрезой Э=50,2=5 за два прохода, 2 - концевая сборная фреза была оснащена пластинками из быстрорежущей стали.

В результате обработки экспериментальных данных силовых исследований были получены следующие эмпирические зависимости для расчета максимальных значений сил резания:

а) для фрез с периодическим профилем режущих кромок:

б) для сборных концевых фрез с цилиндрическими пластинками твердого сплава:

Ру--

в) для эталонных конструкций фрез:

1>у= НЛО"-4/»"1"

В результате стойкостных исследований были получены следующие эмпирические зависимости:

-для концевых фрез с периодическим профилем режущих кромок

187,2£>°-

у -----:---

у14" у.".;у> 4^0.5 .И.1

-для торцовых с тангенциальным расположением пластин твердого сплава:

19,31)"-2'

для =0,04...0,1 мм/зуб и

для 8г= 0,1...0,4мм/зуб. -для торцовых радиусных:

13б,5Д":'

Г =

48.8«"

1Я 5г=0,05...0,1 мм/зуб и

110.Ш

I =—-—-——-/•'••.Уг"--/Г

1Я 8г=0,1 ...0,3мм/зуб.

Анализ полученных зависимостей и результатов длительных производсгвен-ых испытаний показал, что создание инструмента по разработанным методизм обеспечивает интенсификацию съема титановых сплавов и уменьшение ровня динамических нагрузок на технологическую систему, что особенно ажио при обработке конструктивных элементов низкой жесткости. Конечным езультатом выполненного комплекса работ явилась разработка сборника от-аслевых стандартов ОСИ.52858-89...ОСИ.52861-89 и отраслевая аттестация )рез, вошедших в стандарты, акты отраслевой аттестации приведены в прило-сении к диссертации. Разработанные конструкции фрез и режимы фрезерова-ия внедрены на предприятиях отрасли с общим экономическим эффектом 11тыс руб в ценах до 1990г.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Научные результаты работы позволяют сделать следующие выводы," ..... . Разработана методика комплексной оценки технического уровня инструмента, позволяющая оценить его характеристики, как с технической, так и экономической точек зрения. !. Обоснована приоритетность работ по созданию новых конструкций инструмента, ими являются комплексы работ: > по повышению суммарного срока службы корпусов инструмента, сборности конструкций;

» по повышению интенсивности съема металла инструментом и производительности;

» по повышению стойкости инструмента и снижению расхода инструментальных материалов.

3. Установлен верхний уровень затрат на инструмент его лимитная стоимость с учетом эксплуатационных характеристик и стоимости часа работы оборудования. Показано, что при равных условиях эксплуатации ( стоимость часа работы оборудования и условия фрезерования) приоритет следует отдавать работам по повышению производительности труда.

4. Новые инструментальные материалы, такие как ВКЮХОМ, ВК15ХОМ обеспечивают повышение эффективности фрезерования титановых сплавов, в условиях высокой жесткости технологической системы и при отсутствии альфированного слоя на поверхности заготовок. Их применение обеспечивает увеличение допустимых толщин среза и скоростей резания в 1,3...3 раза новых, что является технологическим резервом дальнейшей интенсификации режимов фрезерования деталей из титановых сплавов.

5. Рационализация геометрических параметров (передний и задний углы, упрочняющая фаска по передней поверхности зуба и цилиндрическая ленточка по задней поверхности ) позволила получить единую форму заточки для всех марок титановых сплавов и стабилизировать эксплуатационные ха-

рактеристики фрез, снизить расход инструментальных материалов вследствие увеличения стойкости

6. Ионная имплантация эффективна для инструмента, работающего в условиях чистовой и получистовой обработки.

7. Рационализация размеров поперечного сечения и схем расположения пластин твердого сплава, обеспечивает возможность интенсификации режимов обработки в 1.5...3 раза в условиях жесткой технологической системы.

8. Предложен математический аппарат для расчета активной длины режущих кромок при концевом фрезеровании в зависимости от угла подъема винтовой линии зубьев и условий фрезерования.

9. Выбор формы поперечного сечения среза и активной длины режущих кромок при проектировании фрез обеспечивает эксплуатационное снижение сил резания и тем самым может обеспечить интенсификацию режимов обработки в условиях низкой жесткости технологической системы.

10.Разработаны методики проектирования фрез для обработки деталей из титановых сплавов:

• концевых фрез из быстрорежущих сталей;

• концевых фрез, оснащенных винтовыми пластинками твердого сплава;

• концевых фрез из быстрорежущих сталей с периодическим профилем режущих кромок;

• концевых фрез, оснащенных винтовыми пластинками твердого сплава с периодическим профилем режущих кромок;

• сборных концевых фрез, оснащенных цилиндрическими неперетачиваемыми пластинками;

• торцовых с тангенциальным расположением пластин твердого сплава, расположенных по технологической спирали (работающих с обратными стружками );

• торцовых с тангенциальным расположением пластин твердого сплава, расположенных по окружности;

• торцовых хвостовых радиусных и т.д.

11.Разработаны программы расчета фрез на ЭВМ.

12.Разработанные конструкции фрез даже при использовании традиционной: инструментального материала (ВК8 ) обеспечили интенсификацию режимо1 фрезерования деталей из титановых сплавов в 1,5...3 раза в производствен ных условиях при одновременном увеличении стойкости от 1,5 до 4 раз ш сравнению с инструментом применяемым на предприятиях.

13. Применение генераторных схем резания в и оптимизация геометрически: параметров фрез обеспечило снижение сил резания от 1,3 до 2 раз, что по зволило применить разработанные конструкции при обработке нежестки: конструктивных элементов деталей на повышенных режимах фрезерования.

14.Тангенциальное расположение пластин твердого сплава при фрезеровании условиях высокой жесткости технологической системы позволяет работать сечениями среза увеличенными в 1,5...2,5 раза.

15.Фрезы внедрены на предприятиях авиационной промышленности с экономическим эффектом более 700 гыс. рублей в ценах до 1990г.

16.Разработан сборник отраслевых стандартов ОСИ.52858-89 ...ОСТ1.52861-89 «Фрезы торцовые оснащенные прецизионными пластинками твердого сплава» и выполнена отраслевая аттестация фрез.

Практические результаты работы позволили:

1. Создать ряд конструкций инструмента, обеспечивающего интенсификацию режимов обработки и отработать методики их проектирования

2.Разработать сборник отраслевых стандартов ОСИ.52858-89...ОСТ!.52861-89 и выполнить отраслевую аттестацию фрез, вошедших в стандарты.

3. Внедрить разработанные конструкции на предприятиях отрасли.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Балла О.М. Новые конструкции концевых фрез для обработки высокопрочных сталей на станках с ПУ// Сборник материалов конференции « Научно-техническая молодежь производству », Иркутск: Вост-Сиб филиал .СО АН СССР, 1977 - С.39...40.' " -

2. Балла О.М.' Прогрессивные конструкции фрез// Сборник докладов конференции « О передовом опыте и перспективах развития инструментального хозяйства на предприятиях области», Иркутск: ЦНТИ, 1978 - с. 13...15.

3. Балла О.М. Новые конструкции сборного режущего инструмента// Сборник материалов школы передового опыта « Прогрессивные конструкции инструмента и технология его изготовления », Москва: НИАТ,П 978,-с. 11. .12.

4. Балла О.М. Концевые фрезы с периодическим профилем режущих кромок // Сборник материалов школы передового опыта « Прогрессивные конструкции инструмента и технология его изготовления », Москва: НИАТ, 1978 - с.7...8.

5. Балла О.М. Методика ускоренных исследований обрабатываемости новых материалов// Сборник тезисов докладов « Пути совершенствования инструментального хозяйства на предприятиях отрасли », Иркутск: 1983 - с. 11...12.

6. Балла О.М. Исайчикова Г А. Расчет прогрессивных фрез на ЭВМ//Сборник тезисов докладов « Пути совершенствования инструментального хозяйства на предприятиях отрасли », Иркутск: 1983.- с.27...28.

7. Балла О.М. Перспективы применения сборных конструкций режущего инструмента на предприятиях отрасли// Сборник тезисов докладов « Пути совершенствования инструментального хозяйства на предприятиях отрасли », Иркутск: 1983,- с. 14...15.

8. Балла О.М. Основные направления создания конструкций фрез, обеспечивающих интенсификацию режимов обработки деталей из высокопрочных мате-риалов//Сборник. тезисов докладов « Пути совершенствования инструментального хозяйства на предприятиях отрасли », Иркутск: 1983 - с. 28...29.

9. Балла О.М. Высокопроизводительные фрезы для станков с программным управлением// Авиационная промышленность, - №5. - 1984 - с.46.

10. A.c. 1050176 МКИ В23с 5/06. Фреза /Балла О.М. Заявлено 15.08.80; Опубл.22.06.83.

11. Балла О.M. Перспективы совершенствования режущего инструмента для обработки деталей из титановых, жаропрочных сплавов и специальных сталей// Сборник материалов отраслевой научно- технической конференции « Точные заготовки и прогрессивные процессы обработки сплавов », Казань: 1985 - с.117...118.

12. Брюхов В.В., Весновский O.K., Балла О.М., Сиратзинов Ш.А. Исследование режущих свойств инструментов, упрочненных методом ионной импланта-ции.//Межвузовский научно-технический сборник « Исследование процесса резания и режущих инструментов », Томск: 1984 - с. 166... 168.

13. Балла О.М. Инженерная оценка качества режущего инструмента// Авиационная промышленность, - 1989 - № 4 - с. 48...49.

14...17. Балла О.М., Певцова JI.H. ОСТ1.52858-89,„ОСТ1.52861-89.Фрезы торцовые оснащенные-прецизионными пластинками твердого сплава//Сборник отраслевых стандартов, - Москва: 1989 - 89с.

18. Балла О.М. Повышение эффективности фрезерования деталей из титановых сплавов//Авиационная промышленность, - 1989 - № 11 - с.44.,.46.

19. Балла 0:М. Проектирование концевых фрез// Сборник Вопросы авиационной науки и техники: Серия « Авиационная технология ». вып.1. ( 10), 1989 -с. 65...75.

20. Балла О.М. Выбор конструкций инструмента для технологических систем// Сборник тезисов докладов региональной конференции « Инструментальное обеспечение автоматизированных систем механообработки », Иркутск: 1990 -С.55...56.

21. Балла О.М. Обеспечение интенсификации режимов обработки высокопрочных материалов на стадии проектирования инструмента'/Сборник тезисов докладов региональной конференции « Инструментальное обеспечение автоматизированных систем механообработки », Иркутск: 1990 - С.56...57.

22.Балла О.М., Деревянко Т.И., Кулагин В.Д. Методы и средства интенсификации режимов фрезерования деталей из титановых сплавов// Сборник тезисов докладов региональной конференции « Инструментальное обеспечение автоматизированных систем механообработки », Иркутск: 1990 - с.58.,.59.

23. Балла О.М. Улучшение использования вольфрамосодержащих материалов в режущем инструменте// Вестник машиностроения,.№ 1. 1992,- с.44.,.46.

24. Пат. 2041025 России, МКИ B22F 3/24. Способ обработки пластин режущего инструмента из твердых сплавов..Вепрев A.A., Попов О.В., Власенков C.B., Станкой А.Г., Балла О.М, - №50681 14/02; заявлено 27.0792; 0публ.09.08.95 Бюл.№22.