Исследование жесткости блочно-модульного инструмента

Аннотация

Агрегатно-модульный принцип компоновки инструмента с относительно ограниченным комплектом модулей, позволяет создать без серьезных дополнительных затрат широкую номенклатуру систем инструмента, наиболее приспособленных к конкретным требованиям производства. Агрегатно-модульный принцип компоновки инструмента наиболее эффективен на тяжелых станках, где в основном применяются инструменты, имеющие большие габариты и массу более 15 кг, что делает трудоемким смену и переналадку на новую операцию.

Магистерская работа содержит 160 страниц, 69 рисунков, 10 таблиц и состоит из введения, 4 раздела основной части, общих выводов, списка использованных источников - 28 наименований и 4 приложений. В графической части дипломного проекта представлены чертежи и плакаты - всего 11 листов форматов А1 и А2.

Целью настоящей работы является разработка системы агрегатно-модульных резцов для тяжелых станков с Dс=1250 мм посредством исследований жесткости сборных резцов с целью прогнозирования состояний систем инструмента.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать принципы создания систем агрегатно-модульного инструмента для тяжелых станков с целью повышения эффективности обработки и надежности, снижения расхода дефицитного твердого сплава, сокращения времени восстановления технологической системы.

2. Провести теоретический анализ напряженно-деформированного состояния модульного инструмента. На базе теоретических и экспериментальных исследований жесткости агрегатно-модульного инструмента разработать принципы конструирования инструмента.

3. Исследовать показатели динамической и прочностной стойкости агрегатно-модульного инструмента с целью прогнозирования состояний систем инструмента.

4. Разработать систему агрегатно-модульного инструмента и режимов их эксплуатации с учетом особенностей тяжелых токарных станков.

Объект исследования - процесс обработки на тяжелых токарных станках с Dс=1250 мм при снятии больших сечений среза.

Предмет исследования - агрегатно-модульный инструмент, конструктивные и геометрические параметры, прочность, жесткость и режимы эксплуатации агрегатно-модульного инструмента.

Методы исследования. Методической и теоретической базой исследований являются основные положения теории резания материалов, надёжности режущего инструмента, основные положения математического моделирования с применением ЭВМ, теории вероятности. Экспериментальные исследования выполнены на специально созданных измерительных и моделирующих установках для измерения статических и динамических характеристик. Математическая обработка результатов исследований выполнялась с использованием существующего прикладного программного обеспечения.

Научная новизна работы. Разработана новая концепция создания системы агрегатно-модульного инструмента для тяжелых токарных станков с Dс=1250 мм на основании аналитических и экспериментальных методов исследований, позволившая повысить эффективность обработки при снятии больших сечений среза, за счет обеспечения необходимой прочности, жесткости, гибкости системы инструмента, уменьшения расхода твердого сплава и сокращения времени восстановления технологической системы.

Практическое значение определяется следующими результатами:

1. На базе проведенных исследований была разработана система агрегатно-модульного инструмента с механическим креплением пластин для чернового и получистового точения.

2. Разработаны рекомендации по эксплуатации агрегатно-модульного инструмента для тяжёлых станков, позволяющие осуществить выбор рациональных режимов резания с обеспечением прочности конструкции и износостойкости инструмента.

3. Разработана система выбора параметров агрегатно-модульного инструмента в сочетании с режимами резания и учетом максимального диаметра обрабатываемой детали, условий инструментального обеспечения, конструкции модуля.

4. Разработанной системой агрегатно-модульного инструмента могут быть оснащены тяжелые станки новой гаммы с пластинчатыми (мод. 1К670Ф3, 1К665Ф3), ламельными и обычными суппортами.

Разработка агрегатно-модульного принципа компоновки инструмента для тяжелых токарных станков с ЧПУ позволила создать единую систему инструментального обеспечения, включающую в себя: проектирование, изготовление, подготовку и транспортировку на рабочее место, эксплуатацию и сервисное обслуживание.

СИСТЕМА, АГРЕГАТИРОВАНИЕ, СБОРНЫЙ ИНСТРУМЕНТ, ТЯЖЕЛЫЕ ТОКАРНЫЕ СТАНКИ, ЖЕСТКОСТЬ, ПРОЧНОСТЬ, ВИБРОУСТОЙЧИВОСТЬ, НАДЕЖНОСТЬ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Содержание

Введение

1. Вводная часть

1.1 Обзор различных конструкций сборных резцов для тяжелых станков

1.2 Анализ существующих систем сборного модульного инструмента

1.3 Способы исследования жесткости сборных резцов

2. Научная часть

2.1 Научные методы создания систем агрегатно-модульного инструмента

2.1.1 Использование принципов системного подхода при создании

сборных инструментов и их систем

2.1.2 Научные принципы проектирования систем агрегатно-модульного инструмента

2.2 Проектирование и анализ на технологичность сборных конструкций проходных, отрезных и прорезных резцов для тяжелых токарных станков

2.3 Методологии исследования жесткости сборных резцов для тяжелых станков

2.3.1 Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния агрегатно-модульных резцов

2.3.2 Методики экспериментального исследования жесткости агрегатно-модульных резцов

3. Исследовательская часть

3.1 Исследования динамических и прочностных характеристик сборных резцов для тяжелых станков

3.1.1 Исследование прочности режущих пластин сборных резцов

в интегрированной среде «Cosmos Works»

3.1.2 Статические исследования прочности сборных прорезных и отрезных резцов в интегрированной среде «Cosmos Works»

3.1.3 Экспериментальные исследования виброустойчивости сборных прорезных резцов для тяжелых токарных станков

4. Заключительная часть

4.1 Разработка системы агрегатно-модульных резцов для тяжелых токарных станков с Dс=1250 мм

4.2 Эффективность внедрения систем агрегатно-модульных инструментов в современное машиностроение

Общие выводы

Перечень ссылок

Приложение А Спецификации к сборочным чертежам

Приложение Б Техническая характеристика станка мод. 1А65

Приложение В Расчет режущей пластины сборного проходного резца

на прочность по эквивалентным напряжениям в интегрированной среде «Cosmos Works»

Приложение Г Таблица данных к разработанной системе резцов

Введение

Актуальность проблемы. На современном этапе развития экономики Украины важное место отводится машиностроению - одному из источников обеспечения орудиями труда. Общие тенденции развития машиностроения связаны с повышением надежности машин, созданием конкурентоспособной продукции и использованием наукоемких технологий. Машиностроение развивается путем повышения гибкости производства и качества продукции. Результаты деятельности многих предприятий в значительной степени зависят от эффективности использования тяжелых токарных станков. Стоимость этих станков в 20-50 раз, а стоимость станкочаса их работы в 3-7 раз больше по сравнению со средними станками. Для инструмента, работающего на этих станках, расходуется до 30% твердого сплава, применяемого в машиностроении.

Эффективность процесса механической обработки деталей на тяжёлых станках в большей степени определяется надёжностью и универсальностью режущего инструмента зависящими от множества случайных факторов. На тяжёлых токарных станках до 70% выполняемых операций связаны со снятием больших сечений среза.

Это объясняется тем, что в тяжелом машиностроении наиболее широко используются заготовки, полученные методом литья, ковки, штамповки, которые характеризуются наличием больших припусков, пор, раковин, трещин, неметаллических включений и других дефектов поверхностного слоя.

После удаления дефектного слоя с поковки, деталь подвергается термообработке, а дальнейшая лезвийная обработка производится на тяжёлых токарных станках. При этом удаляется припуск до 30 мм, с целью лучшего приближения формы заготовки к профилю детали.

В результате перед окончательными (чистовыми) операциями вес детали составляет 60-70% от веса первоначальной заготовки.

Наблюдения за эксплуатацией твердосплавных резцов на тяжелых токарных станках показали, что наряду с износом, значительное место занимает разрушение режущей части, в виде окрашиваний и поломок. Наличие неустранимых отказов резцов (поломок) оказывает большое влияние на эффективность обработки крупных деталей.

Особенности развития машиностроения в последние годы изменили характер производства в тяжёлом машиностроении в связи с освоением новой гаммы тяжёлых токарных станков оснащённых пластинчатыми суппортами и ЧПУ. Это повлияло на условия эксплуатации инструмента на этих станках, а разработка и применение высокопроизводительного модульного инструмента с механическим креплением пластин поставлены в основу рационального использования этого оборудования.

Для решения важной народнохозяйственной задачи обеспечения тяжелых уникальных станков современным инструментом созрела необходимость разработки не отдельных конструкций, а гибких инструментальных систем на основе агрегатно-модульного инструмента.

Эффективность инструмента не может быть существенно повышена за счет только традиционных методов, например увеличения износостойкости. Должен быть решен целый комплекс вопросов, которые связаны с такими важнейшими свойствами этого инструмента, как прочность, жесткость, ремонтопригодность и приспособленность к обслуживанию, гибкость, а также безопасность станочника от травмирования сходящей стружкой, транспортабельность стружки.

При рассмотрении обработки деталей на тяжелых токарных станках потребность комплексного изучения инструмента с учетом многих критериев еще более возрастает при переходе на агрегатно-модульный принцип компоновки станков новой серии с пластинчатыми суппортами повышенной жесткости.

Агрегатно-модульный принцип компоновки инструмента с относительно ограниченным комплектом модулей, позволяет создать без серьезных дополнительных затрат широкую номенклатуру систем инструмента, наиболее приспособленных к конкретным требованиям производства. Агрегатно-модульный принцип компоновки инструмента наиболее эффективен на тяжелых станках, где в основном применяются инструменты, имеющие большие габариты и массу более 15 кг, что делает трудоемким смену и переналадку на новую операцию.

В настоящее время Украина является одним из ведущих производителей в Европе прокатного и металлургического оборудования и комплектующих изделий к нему. Механическая обработка основных изделий производится на тяжелых токарных станках. Поэтому снижение трудоемкости и повышение эффективности обработки на этих станках является актуальной задачей, отвечающей тенденции широкого внедрения высокопроизводительного агрегатно-модульного инструмента.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка системы агрегатно-модульных резцов для тяжелых станков с Dс=1250 мм посредством исследований жесткости сборных резцов с целью прогнозирования состояний систем инструмента.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать принципы создания систем агрегатно-модульного инструмента для тяжелых станков с целью повышения эффективности обработки и надежности, снижения расхода дефицитного твердого сплава, сокращения времени восстановления технологической системы.

2. Провести теоретический анализ напряженно-деформированного состояния модульного инструмента. На базе теоретических и экспериментальных исследований жесткости агрегатно-модульного инструмента разработать принципы конструирования инструмента.

3. Исследовать показатели динамической и прочностной стойкости агрегатно-модульного инструмента с целью прогнозирования состояний систем инструмента.

4. Разработать систему агрегатно-модульного инструмента и режимов их эксплуатации с учетом особенностей тяжелых токарных станков.

Объект исследования - процесс обработки на тяжелых токарных станках с Dс=1250 мм при снятии больших сечений среза.

Предмет исследования - агрегатно-модульный инструмент, конструктивные и геометрические параметры, прочность, жесткость и режимы эксплуатации агрегатно-модульного инструмента.

Методы исследования. Методической и теоретической базой исследований являются основные положения теории резания материалов, надёжности режущего инструмента, основные положения и разделы математического моделирования с применением ЭВМ, теории вероятности. Экспериментальные исследования выполнены на специально созданных измерительных и моделирующих установках для измерения статических и динамических характеристик. Математическая обработка результатов исследований выполнялась с использованием существующего прикладного программного обеспечения.

Научная новизна работы. Разработана новая концепция создания системы агрегатно-модульного инструмента для тяжелых токарных станков с Dс=1250 мм на основании аналитических и экспериментальных методов исследований, позволившая повысить эффективность обработки при снятии больших сечений среза, за счет обеспечения необходимой прочности, жесткости, гибкости системы инструмента, уменьшения расхода твердого сплава и сокращения времени восстановления технологической системы.

Практическое значение полученных результатов.

Практическое значение работы определяется следующими результатами:

1. На базе проведенных исследований была разработана система агрегатно-модульного инструмента с механическим креплением пластин для чернового и получистового точения.

2. Разработаны рекомендации по эксплуатации агрегатно-модульного инструмента для тяжёлых станков, позволяющие осуществить выбор рациональных режимов резания с обеспечением прочности конструкции и износостойкости инструмента.

3. Разработана система выбора параметров агрегатно-модульного инструмента в сочетании с режимами резания и учетом максимального диаметра обрабатываемой детали, условий инструментального обеспечения, конструкции модуля.

4. Разработанной системой агрегатно-модульного инструмента могут быть оснащены тяжелые станки новой гаммы с пластинчатыми, ламельными и обычными суппортами.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах научно-технического центра «Инструмент», кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» ДГМА, всеукраинских студенческих конференциях и олимпиадах, где показали высокую заинтересованность участников в решении данной проблемы.

Публикации. Основные положения и результаты работы опубликованы в 3 научно-технических статьях в специализированных изданиях.

Структура и объем работы. Магистерская работа состоит из 210 страниц, 56 рисунков, 12 таблиц, введения, 4 разделов основной части, общих выводов, списка использованных источников (260 наименований) и 4 приложений.

Основное содержание работы.

В ведении обоснована актуальность темы магистерской работы, сформулирована цель и задачи, определена научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первом разделе выполнен детальный анализ существующих конструкций сборных резцов для тяжелых станков и систем сборного модульного инструмента, описаны способы исследований жесткости инструмента.

Проведенный анализ существующих систем сборного модульного инструмента позволяет сделать вывод, что еще не разработаны системы агрегатно-модульного инструмента для тяжелых станков с Dс=1250 мм, способных выдерживать нагрузки до 100 000 Н и обладающих повышенной жесткостью и прочностью.

Изучение прочностной и динамической жесткости агрегатно-модульного инструмента важно тем, что позволяет с одной стороны дать конкретные рекомендации конструктору, а с другой - получить модели для последующей оптимизации параметров инструмента, его типоразмерных рядов, а также режимов эксплуатации.

Во втором разделе рассмотрены вопросы научного (системного) подхода к формулировке методологий создания и исследования агрегатно-модульных резцов и систем инструмента; общие условия, оборудование и приборы, использованные в экспериментальных исследованиях; представлены используемые методики, рассмотрены результаты разработки оригинальных методик. Проведен синтез и анализ на технологичность спроектированных сборных модульных резцов.

В третьем разделе рассмотрены вопросы экспериментальных и теоретических исследований динамических и прочностных характеристик агрегатно-модульного инструмента. Для определения амплитудно-частотных характеристик агрегатно-модульных резцов применялся измерительный комплекс на базе станка модели 1А65, позволяющий регистрировать частоту колебаний модуля относительно пластинчатого суппорта станка.

Исследования прочности сборных резцов производились по методу конечных элементов в интегрированной среде «Cosmos Works». Результатом определения напряженно-деформированного состояния инструмента стали полученные эквивалентные напряжения.

В четвертом разделе произведен детальный анализ статических и динамических характеристик агрегатно-модульного инструмента, полученных с помощью разработанных методов аналитических и экспериментальных исследований, с целью компоновки оптимального типоразмера, режимов эксплуатации и разработки системы агрегатно-модульного инструмента. Проведена разработка системы агрегатно-модульного инструмента и оптимизации рабочего процесса. Создание систем агрегатно-модульного инструмента является эффективным средством удовлетворения требований потребителей к комплексному оснащению тяжелых токарных станков с ЧПУ, позволившим уменьшить число индивидуальных заказов на инструмент. Агрегатно-модульный принцип компоновки инструмента, с относительно ограниченным комплектом модулей, позволяет создать без серьезных дополнительных затрат широкую номенклатуру систем инструмента, наиболее приспособленных к конкретным требованиям производства.

Анализ разработанной системы инструмента для оснащения тяжелых токарных станков с Dс=1250 мм показывает высокую их эффективность при работе на конкретных производственных операциях, возможность быстрого и удовлетворительного инструментального обеспечения уникальных станков, станков с ЧПУ, тяжелых станков. Создание систем агрегатно-модульного инструмента является эффективным средством удовлетворения требований потребителей к комплексному оснащению тяжелых токарных станков с ЧПУ.

В отличии от существующих ранее инструментов, разработана новая система агрегатно-модульного инструмента. Она предусматривает: унификацию вставок и модулей как для тяжелых станков с пластинчатыми суппортами, так и для станков с обычными резцедержателями и обеспечением удовлетворительного дробления стружки в широком диапазоне режимов резания, быстроту и удобство съёма и замены модулей, сменных вставок, режущих пластин и элементов их крепления.

Системой агрегатно-модульного инструмента оснащаются тяжелые токарные станки новой гаммы с пластинчатыми суппортами мод 1К660Ф3, 1К670ФЗ, 1К665ФЗ выпускаемые ОАО «Краматорский завод тяжелого станкостроения».

Разработка агрегатно-модульного принципа компоновки инструмента для тяжелых токарных станков с ЧПУ позволила создать единую систему инструментального обеспечения, включающую в себя: проектирование, изготовление, подготовку и транспортировку на рабочее место, эксплуатацию и сервисное обслуживание.

В общих выводах проведен детальный анализ проведенной работы по исследованию жесткости сборных резцов и разработки системы агрегатно-модульного инструмента для тяжелых токарных станков с Dс=1250 мм. Проводится обобщение полученных результатов математических и экспериментальных исследований сборных проходных, отрезных и прорезных резцов на прочность и виброустойчивость, благодаря чему сформулирована общая формула обеспечения их жесткости при работе на тяжелых токарных станках с обычным, пластинчатым и ламельным суппортом. Эти данные были использованы для получения оптимальной модели агрегатно-модульной системы инструментов с улучшенными геометрическими, технологическими и эксплуатационными показателями. Таким образом была разработана оптимальная система сборных агрегатно-модульных резцов для тяжелых токарных станков с Dс=1250 мм, которая обеспечит высокую производительность и эффективность при их внедрение в современное машиностроение.

В приложении представлены спецификации к сборочным чертежам резцов, технические характеристики к станку модели 1А65, данные расчетов в среде «Cosmos Works» и таблица комплектующих элементов разработанной системы резцов.

1. Вводная часть

1.1 Обзор различных конструкций сборных резцов для тяжелых станков

Анализ литературных источников показывает, что в связи с развитием машиностроения изменяются требования к режущему инструменту. На этой основе изменяются и развиваются конструкции режущего инструмента. Основными требованиями, предъявляемыми к режущему инструменту, являются следующие:

- резцы должны иметь форму режущего лезвия, гарантирующего качественное выполнение конкретных или разнообразных технологических операций;

- размеры рабочей части резца должны обеспечивать его достаточную прочность, возможность быстрой его установки на станке и нормальную работу при заданных усилиях резания;

- режущий инструмент должен обеспечивать наиболее высокую производительность станка, т.е. иметь необходимую стойкость при оптимальном режиме резания, быстро и точно устанавливаться на станке, обладать надежностью и удобством обслуживания;

- форма режущей части резца должна быть более простой и обеспечивать быстрое и качественное восстановление затупившегося лезвия;

- режущая способность инструмента должна быть высокой и стабильной для всей массы используемого инструмента;

- удельный расход режущего инструмента на единицу выпускаемой продукции должен быть наименьшим.

Применение совершенных конструкций резцов с механическим креплением в державке блока-вставки, оснащенной режущей твердосплавной пластиной или сменной пластины непосредственно в державке в значительной мере позволило бы устранить недостатки цельных напайных резцов. При всем многообразии разработанных конструкций сборных резцов применение их при работе на тяжелых и уникальных токарных и карусельных станках носит ограничительный характер.

Рассмотрим существующие конструкции сборных резцов, предназначенных для тяжелого резания.

Конструкция сборного крупногабаритного резца ВНИИ (рис. 1.1) предназначенная для точения с большим сечением среза, создана в результате обобщения опыта эксплуатации сборных резцов при обдирочном точении на заводах тяжелого и транспортного машиностроения. Резец состоит из державки 1, на которую с помощью винта 2 крепится сменная вставка 3 с напайной твердосплавной пластиной. Данная конструкция по сравнению с цельными напайными резцами имеет ряд преимуществ: достаточная долговечность державки, удобство напайки и заточки пластины, удовлетворительная технологичность конструкции.

Рисунок 1.1 - Резец конструкции ВНИИ

На рисунке 1.2 представлена та же конструкция резца, но усовершенствованная за счет введения опорного эксцентрика, допускающего при его повороте выдвигать режущую сменную вставку после переточки. Благодаря этому возможно более полно использовать сменные вставки. Недостатком последней конструкции является то, что крепящий винт находится близко от зоны резания. В результате термические напряжения, возникающие в резьбовом соединении, затрудняют его отвинчивание для замены резцовой вставки.

Рисунок 1.2 - Резец конструкции ВНИИ с эксцентриком

На рисунок 1.3 представлена конструкция сборного резца Кувшинского завода прокатных валков (КЗПВ), где крепление режущей вставки 1 осуществляется при заклинивании ее в угловом пазу державки 2 (угол меньше 90 град.). Головка специального Г-образного винта 3 входит в паз, выполненный в верхней части режущей вставки 1, предохраняет последнюю от сдвига под действием осевой составляющей силы резания. Существенными недостатками конструкции является свисание новой режущей вставки под державкой, равное величине стачивания, и недостаточная надежность крепления, обусловленная низкой жесткостью прижима.

На УЗТМ для черновой обработки на крупных токарных станках разработан сборный резец с клиновым креплением резцового блока в державке (рис. 1.4). В этих резцах резцовый блок крепится в клиновом пазу, имеющем форму типа «ласточкин хвост». Разъем блока и державки выполнен перпендикулярно опорной поверхности резца. В одну державку можно установить блоки различного технологического назначения, но только или правые или левые.



Рисунок 1.3 - Резец конструкции КЗПВ

С целью повышения универсальности и надежности крепления блока на этом же заводе была усовершенствована конструкция блочного резца (рис. 1.5). Повышение надежности крепления было достигнуто расположением поверхности разъема блока и державки наклонной перпендикулярно к проекции результирующей силы резания. В новом исполнении резца на одну державку уже можно навешивать резцовые блоки как правого так и левого исполнения. Исполнение сборного резца в блочном варианте облегчает заточку таких резцов. Вместо резца весом 10-15 кг затачивается только резцовый блок весом 0,6-0,8 кг. Для заточки резцовых блоков применяются облегченные державки.

Конструкция сборного резца, разработанного в КИИ (ДГМА) [27], также имеет державку и резцовые блоки, которые крепятся посредством соединения типа «ласточкин хвост», выполненного под углом к опорной поверхности державки, но, в отличии от резцов конструкции УТЗМ, соединение типа «ласточкин хвост» выполнено в продольной плоскости. Такое расположение соединения блока с державкой не позволяет на одну державку крепить правые и левые резцовые блоки (рис. 1.6). Кроме того ведущими учеными НТЦ «Инструмент» разработаны несколько вариантов механического крепления перетачиваемых пластин при помощи прихвата. Для регулирования перемещения режущей пластины после переточек между прихватом и корпусом установлены регулировочные прокладки шариковые или с рифлениями.

Рисунок 1.4 - Резец конструкции УЗТМ

Рисунок 1.5 - Усовершенствованная конструкция резца УЗТМ



а б

Рисунок 1.6 - Резец конструкции КИИ: а - узел крепления, б - способы закрепления неперетачиваемых твердосплавных пластин

Перечисленные выше конструкции блочных резцов для тяжелых токарных станков имеют хорошие эксплуатационные показатели: обладают достаточной статической и динамической прочностью, виброустойчивостью. Но наряду с этим они обладают общими недостатками: под действием больших сил резания, при высокой температуре под воздействием пыли и грязи клиновая головка может застопориваться в пазу корпуса резца. Съем головки этих резцов возможен тогда только при помощи молотка. Такое выбивание режущей вставки иногда приводит к образованию трещин на твердосплавной пластине. К неудобствам эксплуатации указанных блочных резцов добавляется и то, что данное соединение блока и державки не обеспечивает постоянной ориентации вершины резца относительно базовых поверхностей инструмента, т. к. во время обработки с неравномерным припуском и при прерывистом резании происходит смещение блока вдоль соединения типа «ласточкин хвост», что и приводит к его заклиниванию.

Ведущими зарубежными инструментальными фирмами, определяющими пути совершенствования токарного инструмента, являются «Sandvik Coromant» (Швеция), «Heinlein», «Hertel» (Германия), «Impero» (Италия).

В последнее время в мировой практике определилась общая тенденция в конструировании резцов - создание сборных резцов с механическим креплением твердосплавных пластин, предпочтительно специальной формы для тяжелого резания.

Фирма «Heinlein» предлагает короткозажимной инструмент, который разработан для токарных станков средней мощности и может оснащаться режущими пластинами как специальной формы, так и сменными многогранными пластинами. Сборный резец состоит из державки, на которую навешиваются сменные унифицированные модули различного технологического назначения, как правого, так и левого исполнения. Такая же система разработана и для тяжелых токарных станков фирмы «Хеш», и обладает высокой устойчивостью и точностью позиционирования.

Фирма «Impero» предлагает конструкцию сборного резца, состоящий из державки и двухрезцовой поворотной вставки. Положительной стороной конструкции является то, что, поворачивая резцовую вставку, можно получить необходимый угол в плане, благодаря чему резко уменьшается номенклатура резцов, повышается их универсальность. Но для тяжелого резания такая конструкция не приемлема, так как не обладает достаточной жесткостью. Предложена система резцов на основе другой конструкции, где резцовая вставка, имеющая конус, крепится к державке штревелем (рис. 1.7). Такая конструкция обладает большой жесткостью и надежностью в работе, чем поворотная вставка.

Много времени для выбора и наладки инструментов сберегается, если имеется одна система резцедержателей, на которую можно монтировать всевозможные пластины со стружколомами для обработки различных материалов в широком диапазоне режимов резания.



Рисунок 1.7 - Резец конструкции фирмы «Impero»

Однако не только сами пластины должны быть легко взаимозаменяемыми. Значительную долю ручного труда можно сократить, если использовать взаимозаменяемые инструментальные единицы, которые содержат как режущую пластину, так и элементы закрепления.

Фирма «Sandvik Coromant» предлагает специальную систему тяжелонагруженных инструментов (рис. 1.8). Блок инструментов устанавливается на рифленую наклонную поверхность и закрепляется в корпусе инструмента. Благодаря рифлениям и наклонной поверхности суппорта усилие резания способствует закреплению во время резания блока в соответствующей позиции. Блоки построены по системе модулей, что облегчает использование блоков разной ширины на одном и том же держателе.

В конструкции резцового блока сечением 40х50 мм для прорезки канавок использована конструкция фирмы «Sandvik Coromant» (рис. 1.9). Закрепление режущей пластины 1 осуществляется прихватом 2. В державке блока выполнен V_образный паз, в который устанавливается специальная твердосплавная режущая пластина с V_образной опорной поверхностью.



Рисунок 1.8 - Резец конструкции фирмы «Sandvik Coromant»

Рисунок 1.9 - Резцовый блок конструкции фирмы «Sandvik Coromant»

Фирмы «Plansee» и «Hertel» предлагают схожие между собой конструкции черновых блоков сечением 40х50 мм, оснащенными твердосплавными пластинами специальной формы (рис. 1.10). В корпусе блока фирмы «Hertel» располагается подпружиненный рычаг, взаимодействующий с нажимным винтом. При закреплении режущая пластина опирается на сменную подкладку, фиксируемую в корпусе блока штифтом. При откреплении пластины пружина возвращает рычаг в первоначальное положение.

Более усовершенствована конструкция фирмы «Plansee». В корпусе резцового блока со стороны передней поверхности ввинчивается ступенчатый винт, имеющий резьбу М12 и М6, причем винт своей резьбой М6 проходит через соответствующее отверстие в рычаге. При закреплении винт взаимодействует с рычагом, который, качаясь на кольцевом сферическом выступе в отверстии блока, своей головкой фиксирует режущую пластину на подкладке. Последняя, в свою очередь, крепится винтом в уступе корпуса блока. При откреплении пластины участок М6 на винте работает по принципу невыпадающего винта и тем самым приподнимает рычаг, приводя его в исходное положение.

Необходимость возврата рычага в исходное положение вызвана тем, что при обслуживании резцового блока, пластина для удобства должна принудительно выдаваться из гнезда блока.

Рисунок 1.10 - Резцовые блоки фирм «Plansee» и «Hertel»

Анализируя описанные выше конструкции сборных резцов, можно выделить следующие необходимые качества, которыми должна обладать конструкция инструмента:

- сборность резца с использованием сменных многогранных пластин;

- надежность крепления режущих пластин для тяжелого резания;

- конструкция резца должна быть блочной с возможностью построения системы, т. к. можно сократить большую часть ручной работы, если использовать взаимозаменяемые блоки, которые содержат как режущую пластину, так и элементы ее закрепления;

- расширение технологических возможностей сборных резцов за счет применения одной державки и взаимозаменяемых резцовых блоков различного технологического назначения;

- сборные резцы должны быть высокопроизводительными и надежными в эксплуатации.

Таким образом, для достижения высоких эксплуатационных свойств тяжелых станков необходимо рассматривать вопросы создания систем сборных инструментов отраслевого применения, которое, в свою очередь, зависит от показателей надежности (жесткости, прочности, виброустойчивости и т.д.) каждой инструментальной единицы системы.

1.2 Анализ существующих систем сборного модульного инструмента

В целях повышения универсальности инструмента и одновременного упрощения конструкции разработаны сборно-модульные системы инструмента для станков разных типов, которые обеспечивают большой эффект благодаря технологии группового изготовления инструмента.

Системы инструмента, как и любые материальные системы, представляют множество элементов, находящихся в связях друг с другом, образующих определенное единство. С точки зрения внешних условий необходимыми элементами систем являются присоединительные поверхности, предназначенные для установки и закрепления крепёжной части режущего инструмента в технологическом оборудовании.

Системой инструментов называют совокупность типоразмерных рядов систем базирования и закрепления режущего инструмента и систем базирования и закрепления компоновок инструментов на станках, обеспечивающей выполнение технических и экономических требований эффективного использования в автоматизированном производстве.

Все применяемые ранее системы инструмента строились по схеме, основанной на известном принципе универсально-наладочных приспособлений. Инструмент, разработанный по этому принципу, получил название модульного.

С точки зрения выбора системы инструмента важно выявление влияния вспомогательного инструмента на производительность труда и стоимость обработки.

Вспомогательный инструмент - элемент системы инструмента, с помощью которого режущий инструмент базируется и закрепляется на станках с учётом ряда условий макро- и микрогеометрии. С его помощью реализуется связь между рабочим органом станка (шпиндель, суппорт) и режущим инструментом.

Инструмент, собираемый из унифицированных узлов и агрегатов, переналаживают применительно к изменению обрабатываемых деталей простой компоновкой унифицированных взаимозаменяемых узлов. Традиционный инструмент заменяется комплектами, составленными из унифицированных агрегатов и узлов, с их частичной или полной разборкой для последующей сборки в другом сочетании. Такая конструкция позволяет заказать не просто инструмент определенного типа, а систему инструмента с необходимыми сменными устройствами.

Система агрегатно-модульного инструмента является эффективным средством удовлетворения требований потребителей к комплексному оснащению станков с ЧПУ, позволяющим уменьшить число индивидуальных заказов.

Для составления инструмента различных типов используют определенное число деталей (модулей), которые образуют взаимосвязанный механизм, обладающий достаточными результирующими жесткостью и точностью. Такой инструмент позволяет создавать комбинированные инструменты, изменять длины и диаметры в соответствии с каждой конкретной задачей обработки.

Составной инструмент обладает меньшей жесткостью по сравнению со сплошным инструментом, однако в ряде случаев имеет большую способность к гашению вибраций.

Основным и наиболее важным узлом модульного инструмента является соединительный элемент, который обеспечивает не только взаимное соединение отдельных частей инструмента, но также жесткость, точность и повторяемость сборки агрегатных инструментов. В рассмотренной системе в качестве соединительного элемента служит цилиндрический стержень с резьбой на конце, стыкуемый с цилиндрическим отверстием с резьбой. Базирование также осуществляется по тщательно обработанным торцовым поверхностям.

Агрегатирование - это метод компоновки систем инструмента из ряда самостоятельных модулей различных типоразмеров, которые имеют размерную и функциональную взаимосвязь. Агрегатно-модульный принцип компоновки инструмента, с относительно ограниченным комплектом модулей, позволяет создать без серьезных дополнительных затрат широкую номенклатуру систем инструмента, наиболее приспособленных к конкретным требованиям производства. Исходя из особенностей агрегатно-модульного принципа компоновки инструмента, можно выделить основные положения проектирования и реализации систем инструмента:

– модуль - это конструктивно и функционально завершенная единица, являющаяся составной частью общей системы инструмента;

– модули характеризуются наименьшим возможным числом связей для присоединения к ним других новых модулей;

– ограниченная номенклатура модулей должна обеспечивать большое количество разных сочетаний путем разнообразных компоновок и положений модулей;

– агрегатно-модульный принцип проектирования систем инструмента наиболее полно отвечает требованиям решения конкретной технологической задачи (создание на модульном принципе систем инструмента не имеет излишних функций, и поэтому оно должно быть экономичнее обычных инструментов с универсальными возможностями);

– сокращение времени и трудоемкости проектирования систем инструмента, поскольку модульный принцип позволяет более полно использовать выполненные ранее разработки;

– увеличить надежность работы инструмента за счет применения модулей, наиболее предназначенных для выполнения конкретных операций;

– уменьшение разнообразия конструктивных вариантов модулей и составных их элементов улучшают условия эксплуатации и ремонтопригодности системы инструмента;

– агрегатно-модульное проектирование позволяет создавать новые высокопроизводительные конструкции инструмента для конкретных операций механической обработки, а не подгонять процесс под имеющийся инструмент;

– агрегатно-модульный принцип дает реальную возможность заменить устаревшие формы и методы создания новых конструкций инструмента и их систем.

Следует отметить, что принцип агрегатирования в определенной мере применен в системах вспомогательного инструмента для станков с ЧПУ с устройствами автоматической смены инструмента. На практике такие системы могут быть тщательно отработаны для различного оборудования.

Одной из самых совершенных систем для токарных станков с ЧПУ является в частности система сборно-модульного инструмента концерна «Сандвик» (Sandvik, Швеция) (рис. 1.11).

Все резцовые модули системы имеют базовые поверхности с цилиндрическим отверстием и пазом в середине хвостовика (рис. 1.11, а). При установке модуля 1 в гнездо оправки 3 (сверху вниз) блок поверхностями выступа А базируется в прямоугольном гнезде оправки. При этом в цилиндрическое отверстие и паз модуля входит фигурный выступ тяги 2 (рис. 1.11, б). При смещении тяги 2 под действием силы Q происходит крепление модуля в гнезде оправки 3 (рис. 1.11, в).

Таким образом, была разработана обширная система инструментов для тяжелых токарных станков, построенная на блочном принципе «Book Tool System» (BTS) (рис. 1.12). Разработаны хвостовики специальной формы, на которые навешиваются сменные блоки, что позволило уменьшить массу самого инструмента и уменьшить общую длину инструмента за счет сокращения длины закрепления резца в приспособлении. Установка блока осуществляется сверху вниз, а базирование в вертикальном направлении по трем опорным точкам, расположенным в горизонтальной плоскости. Наиболее эффективно использование данной инструментальной системы на автоматических линиях, обрабатывающих центрах и станках с ЧПУ, где замена инструментальных блоков в сборе, вместо замены многогранных неперетачиваемых пластин, обеспечивает повышение точности обработки и сокращения времени смены инструмента.

В связи с появлением станков с ЧПУ, объединением их в ГПС, возникла потребность в системах модульного инструмента. В 80_х годах ведущими зарубежными фирмами разработано новое поколение блочного инструмента с целью повышения коэффициента использования токарных станков с ЧПУ и обрабатывающих центров в гибких технологических комплексах [1, 2].

Фирмой «Hertel» [6] разработана оригинальная инструментальная система «Hertel-FT», состоящая из инструментальных модулей и державочной части (рис. 1.14). Модуль соединяется с державкой путем зацепления двух плоских зубчатых колес 3, получаемых способом холодного выдавливания. В осевом направлении модуль затягивается цангой 4, которая лепестками сложного профиля захватывает модуль 1. Посредством тяги 5 цанга 4 перемещается внутрь державочной части 2, увлекая за собой модуль 1. Переход на эту систему увеличит стоимость режущего инструмента на 40-60%, так как модули сложнее и точнее стандартных резцов.

а
Рисунок 1.11 - Резцовый модуль (а) и схема его крепления на базовой оправке (б)



Рисунок 1.12 - Система инструментов «Book Tool System» фирмы «Сандвик»

В системе «Multiflex» фирмы «Widia-Krupp» (ФРГ) сменные модули [85] имеют цилиндрические и торцовые базовые поверхности (рис. 1.13) На конце державки выполнена цилиндрическая цапфа 2, входящая в отверстие корпуса сменного модуля 1. В отверстии цапфы размещена центральная тяга 3, контактирующая с четырьмя штифтами 4, расположенными наклонно к оси тяги. При перемещении тяги штифты взаимодействуют с кольцевой выточкой 5 в отверстии модуля и закрепляют ее на цапфе державки, подтягивая модуль в осевом направлении до упора в торец.

Рисунок 1.13 - Конструкция системы модульных резцов фирмы «Multiflex»



1 - модуль, 2 - державка, 3 - плоское зубчатое колесо, 4 - цанга, 5 - тяга

Рисунок 1.14 - Конструкция системы модульных резцов фирмы «Hertel»

В настоящее время широко используется система унифицированного инструмента с цилиндрическим хвостовиком [1] для токарных станков с ЧПУ мод. 16К20Т1Ф3, 1П756МФ3 и др. (рис. 1.15). В рассматриваемой системе все резцедержатели базируются по цилиндру хвостовика (с рифлениями по лыске), обеспечивающему точную угловую установку инструмента, и штифтом. Такой инструмент крепится в револьверной головке при помощи клина также имеющего рифления, но смещенные относительно рифлений хвостовика. Резцедержатели предназначены для крепления резцов с сечением 16 х 16 до 40 х 40 мм.



Рисунок 1.15 - Система инструмента с цилиндрическим хвостовиком

Для станков с ЧПУ моделей 1А734Ф3, 16К30Ф3 разработана системы инструмента с базирующей призмой (рис. 1.16). Принципы закрепления инструмента приняты такими же, как для резцедержателей с цилиндрическим хвостовиком. Отличительной особенностью резцедержателей с базирующей призмой является то, что в них можно устанавливать как правые, так и левые резцы. Резцедержатели обеспечивают крепление резцов с сечением державки 16 х 16 до 40 х 40 мм.

ЭНИМС (г. Москва) разработана система инструмента для многоцелевых станков [1]. К каждой системе предлагается набор основных оправок с соответствующим хвостовиком: или с конусностью 7:24 или с размерами (по ИСО) 30, 40, 45, 50, 60 (рис. 1.17). Инструменты с коническим хвостовиком можно устанавливать непосредственно в оправке или через переходные втулки. Переходные оправки, закрепленные в базовой, позволяют регулировать вылет инструмента.



Рисунок 1.16 - Система инструмента с базирующей призмой

Рисунок 1.17 - Система инструмента с коническим хвостовиком

Эта система предназначена для станков сверлильно-фрезерно-расточной группы.

Выше перечисленные системы крепления инструментов к корпусу державки предназначены для эксплуатации на средних и тяжелых токарных станках с ЧПУ для получистовой и черновой обработки.

Используются также короткозажимные резцедержатели [5]. Резцедержатель снабжен цилиндрическим вкладышем с отверстиями, установленными с возможностью поворота в отверстии, выполненном в основании, а цилиндрические гайки в отверстии вкладыша передают на него противоположные моменты сил (рис. 1.18). Короткозажимные резцедержатели предназначены только для станков с ЧПУ и обладают низкой универсальностью и не могут применяться на станках с ручным управлением.

В Донбасской государственной машиностроительной академии (ДГМА) разработана система резцов для тяжелых токарных станков с участием автора [5, 6, 7], основой которой является блок (рис. 1.19). Выбор блочной конструкции обусловлен необходимостью обеспечения быстрой смены рабочей части (заменять весь резец трудно в связи с его большой массой). Недостатком разработанной системы является самозаклинивающее соединение (ласточкин хвост), расположенное горизонтально. Для смены блока необходимо большое усилие для выбивания его из корпуса резца, что приводит к деформации корпуса и поломкам крепежных элементов твердосплавной пластины. Вторым недостатком системы является низкая универсальность, так как на одной державке можно крепить только блоки левого или правого исполнения. Это ограничивает область применения этой системы на тяжелых станках.

Проведенный анализ существующих систем сборного модульного инструмента позволяет сделать вывод, что не разработаны универсальные системы агрегатно-модульного инструмента для тяжелых станков с ЧПУ, способные выдерживать нагрузки до 100 000 Н и обладающие повышенной жесткостью и прочностью.

1 - резцедержатель, 2 - корпус салазки, 3 - крепежный механизм

Рисунок 1.18 - Конструкция короткозажимного резцедержателя

1 - блок, 2 - державка

Рисунок 1.19 - Система инструмента для тяжелых токарных станков

1.3 Способы исследования жесткости сборных резцов

Описанные ранее конструкции сборных резцов для работы на тяжелых токарных станках подвергались всесторонним испытаниям при их разработке и внедрении в производство. Исследовалась общая работоспособность резцов, их стойкость, прочность, виброустойчивость, надежность, удобство и безопасность в работе. В процессе испытаний исследовались также надежность отдельных элементов сборных резцов. В частности, определялась прочность и износостойкость режущей пластины, надежность ее крепления в блоке, надежность подкладки под пластину, рычага, винта, а также надежность крепления блока в державке.

Исследование статических характеристик сборных резцов проводилась относительно податливости, определяемая величиной перемещения блока относительно корпуса резца в направлении ХУ под действием силы под углом 30 град в главной секущей плоскости. Величина перемещения зависит от конструктивных особенностей сборного резца и качества изготовления сопрягаемых деталей. Для сравнительных исследований были взяты резцы конструкций УЗТМ, ВНИИ, КИИ и НИИПТМАШ (см. рис. 1.1, 1.2, 1.4, 1.5). Испытания проводились на стенде; нагружения осуществляли ступенчато через 20 кН. Максимальное усилие 100 кН. Перемещение измеряли индикаторами по координатным осям ХУ.

Результаты исследований, приведенные на рисунке 1.20, показали, что конструкции резцов с клиновым креплением блока обладают гистерезисом, достигающим 0,1 мм.

Резцы НТЦ (ОНИЛ КИИ) с горизонтальным расположением узла типа «ласточкин хвост» имеют большую податливость по оси У по сравнению со всеми остальными конструкциями и лучшую характеристику по оси Х. Обратное наблюдается у резцов УЗТМ с вертикальным расположением разъема типа «ласточкин хвост», но блок при наличии гистерезиса занимает неопределенное положение в каждой новой серии нагружения.

Р, кН

Д, мм

УЗТМ ВНИИ КИИ НИИПТМАШ

Рисунок 1.20 - Зависимость перемещений блока от усилия нагружения

Конструкция сборного резца ВНИИ (г. Москва) отличается меньшей податливостью по оси х. Увеличение перемещений по оси у вызвано плохим качеством изготовления контактных поверхностей блока и гнезда на корпусе. Резец конструкции НИИПТМАШ, имеющий наклонную плоскость разъема типа «ласточкин хвост», наименее податлив по оси х. Неправильно выбранный угол наклона приводит к выдавливанию блока и его значительному перемещению по оси у. Сборный резец с наклонной рифленой плоскостью разъема имеет перемещения по оси У на уровне резцов УЗТМ, а по оси Х - несколько больше, чем другие резцы. Вместе с тем перемещение блока стабильны и не зависят от усилия затяжки штревеля.

Ресурсные испытания. Исследования сборных инструментов с целью определения наработки на отказ и вида отказа проведены с помощью стенда (рис. 1.21), который состоит из станины 1, гидравлического нагружателя 2, испытуемого инструмента 3.

1 5 4 13

Рисунок 1.21 - Стенд для ресурсных испытаний сборных резцов

Корпус 4 нагружателя имеет сферическую опорную пяту, опирающуюся через шарики 5 на сферическую опорную поверхность станины 1. Центр сферических поверхностей станины и нагружателя совпадает с центром шарового индентора 6, который имеет выемку для опоры на режущий клин инструмента 3. Нагрузка на инструмент осуществляется с помощью гидроцилиндра 7, в котором создается предварительное давление плунжером 8, а переменное в соответствии с программой (годографом) - при помощи плунжера 9, на который воздействует кулачок 10. Перемещение нагружателя в пространстве согласно имитируемому годографу осуществляется при помощи кривошипно-рычажной системы, описывающей вытянутый эллипс. Привод кривошипа 11, рычага 12, связанного с кулисой 13, выполнен в виде редуктора 14 и электромотора 15. Вращение приводного кривошипа 11 совмещено с вращением кулачка 10, благодаря чему запрограммировано в каждой точке эллипса заданное усилие.

В стенд устанавливался блочный резец для тяжелых токарных станков с наклонной плоскостью разъема типа ласточкина хвоста. Изучалось состояние контактных поверхностей корпуса блока и державки. Для этого определяли примерное количество циклов нагружения по формуле:

N = T _ n _ P (1.1)

где Т - стойкость одной режущей кромки, мин;

Р - число режущих кромок, которое выдерживает блок;

n - среднее число оборотов шпинделя станка при обработке крупных деталей, об/мин.

При стойкости резцов 60 мин, скорости резания 30-40 м/мин и 120 режущих кромках на один блок число циклов нагружения составит 72 тыс. или 200 ч работы стенда. Нагрузка при этом колебалась от 20 кН до 85 кН; частота нагружения - 30 раз/мин. Проведение ресурсных испытаний показало, что резец данной конструкции (см. рис. 1.6) является работоспособным, наблюдается только износ и смятие в нижней части блока из-за имеющих место микроперемещений блока относительно державки.