Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Особенности высокоскоростной обработки с использованием сборных торцовых фрез

Особенности высокоскоростной обработки с использованием сборных торцовых фрез

Высокоскоростная обработка достигается сочетанием технических средств, способных увеличить скорость резания выше общепринятого предела (например, при фрезеровании алюминия высокоскоростная обработка начинается со скорости 1500 м/мин, а для никелевого сплава — 50 м/мин) [1]. К таким средствам относятся изменения в конструкции металлорежущих станков (направляющие, узлы приводов, шпиндельные подшипники, способные работать на скоростях вращения и линейных перемещениях, во много раз превышающих режимы при традиционной обработке), новые типы электрических приводов главного движения и подач (например, линейные приводы подач), системы числового программного управления с более высокой скоростью расчета траектории, новые конструкции режущего и вспомогательного инструментов.

Высокоскоростная обработка имеет ряд технических преимуществ по сравнению с традиционной. Это — увеличение удельного съема материала в единицу времени, а следовательно, повышение производительности и эффективности операции; уменьшение силы резания, нагрева и деформации обрабатываемой детали, что способствует повышению точности обработки нежестких деталей; повышение качества обработанной поверхности (при высокоточной настройке инструмента возможно получение обработанной поверхности высокого качества с Ra < 0,5 мкм); отсутствие проблем стружкодробления и т.д.

При фрезеровании высокоскоростная обработка определяется скоростью резания, которая, в свою очередь, зависит от частоты вращения шпинделя и диаметра инструмента. Чем больше диаметр фрезы, тем меньше частота вращения шпинделя при той же скорости резания и наоборот, т.е. фрезерование можно сделать высокоскоростным на универсальном металлорежущем оборудовании при увеличении в определенном диапазоне диаметра инструмента.

Конструкция торцовой фрезы, предназначенной для высокоскоростного резания, должна иметь:

  • возможно большее число зубьев, а следовательно, и диаметр корпуса с учетом заданных условий обработки;
  • возможность осевого и радиального регулирования положения вершин режущих кромок фрезы;
  • надежность крепления режущих пластин в пазах корпуса или кассеты;
  • минимальное число элементов крепления режущих пластин;
  • минимальное число элементов регулирования положения вершин режущих кромок фрезы.

Для того, чтобы скоростное фрезерование было наиболее эффективным, необходимо соблюдать ряд условий, главными из которых являются:

  • выбор марки твердого сплава в зависимости от условий фрезерования (чистовое, черновое), механических характеристик срезаемого слоя, состояния фрезерного станка;
  • выбор конструкции торцовой фрезы в соответствии с величиной припуска на обработку, жесткостью и мощностью фрезерного станка;
  • выбор геометрии торцовой фрезы (переднегои заднего углов, угла наклона главной режущей кромки, главного угла в плане и др.) в соответствии с механическими свойствами срезаемого слоя и условиями фрезерования;
  • качественное механическое крепление пластин, исключающее образование на пластинах трещин и других дефектов;
  • точная установка и прочное крепление торцовых фрез на станке;
  • применение быстродействующих многоместных гидравлических и пневматических приспособлений, обеспечивающих быстрое и надежное закрепление обрабатываемых деталей;
  • модернизация фрезерных станков с целью увеличения числа оборотов шпинделя, мощности электродвигателя главного привода, увеличения жесткости и виброустойчивости станка;
  • назначение режимов фрезерования (подачи и скорости резания) в соответствии с заданной чистотой обработки поверхности, конструкцией фрезы, геометрией ее режущей части, материалом обрабатываемой детали, мощностью и жесткостью фрезерного станка и т.д.

Для скоростного фрезерования сталей наиболее широкое распространение получили сборные торцовые фрезы с тангенциальным расположением режущих пластин. Эти фрезы имеют жесткий корпус, кассетное крепление режущих пластин, отрицательные передние углы [2].

Процесс фрезерования протекает в условиях ударной и переменной нагрузок. Отрицательный передний угол в сочетании с положительным углом наклона главной режущей кромки делает режущую кромку более прочной и предохраняет ее от скалывания и выкрашивания. Недостатком фрез с отрицательным передним углом является то, что при их работе возникают большие, чем при положительном угле, силы резания, требуются большая мощность и жесткость станка.

Поэтому к сборным торцовым фрезам предъявляют следующие требования:

  • минимизация дисбаланса за счет предварительной или в сборе с инструментальной оправкой балансировки инструмента;
  • минимизация массы фрезы за счет применения легких сплавов при изготовлении корпуса;
  • прецизионная установка кассет и режущих пластин и элементов их крепления;
  • высокоточное расположение базирующих поверхностей корпуса относительно оси вращения фрезы (соосность, биение поверхностей);
  • выбор стабильных и эффективных сил закрепления режущих элементов;
  • выполнение требований безопасности работы;
  • обеспечение гарантированного стружкодробления и достаточно свободной зоны для размещения стружки в стружкоотводящих канавках, и условий ее гарантированного удаления из зоны резания;
  • качественная сборка и выверка расположения режущих кромок инструмента относительно базирующих поверхностей и оси вращения.

Для обработки поверхностей блока цилиндров, выполненных из алюминиевых сплавов, высокоскоростным фрезерованием взамен плоского шлифования требовалось разработать конструкцию сборной торцовой фрезы диаметром 400 мм с числом зубьев-пластин, равным 40.

Основными составными элементами сборных торцовых фрез являются режущая пластина, опорная пластина, элементы крепления пластины (винт с конической головкой, прихват, эксцентриковая головка и т.д.), кассета и корпус [1]. В процессе работы фрезы под действием сил резания и крепления составные элементы упруго деформируются, в результате чего меняются их форма и геометрические размеры, происходит сдвиг элементов относительно друг друга, возникают контактные деформации. В элементах конструкции появляются напряжения, способные при определенных условиях привести к их разрушению. Для создания новой конструкции фрезы численным методом конечных элементов исследовалось влияние способа базирования (радиальная установка пластины, тангенциальная установка пластины по торцу и периметру корпуса) и крепления режущего элемента на жесткость инструмента.

Для всех способов базирования моделировалось крепление режущих элементов по схемам С, М, Р, S в соответствии с регламентациями ГОСТ 26476—85. Для всех вариантов конструкций использовались пластины CHSPH толщиной 4,76 мм и диаметром вписанной окружности 12,5 мм. Размер опорных элементов: толщина 4 мм, диаметр вписанной окружности 12 мм. Размеры кассет — 65x23x18 мм.

По результатам численных экспериментов установлено, что величина силы крепления пластины оказывает существенное влияние на формирование деформированного состояния сборной фрезы. Сравнительная оценка вариантов конструкций сборных торцовых фрез производилась для трех сил крепления пластин: 1000 Н (слабая затяжка), 2000 Н (средняя затяжка), 3000 Н (жесткая затяжка). Фиксировались перемещения вершины режущей кромки инструмента в направлении износа по передней поверхности (ось X), износа по задней поверхности (ось Z), нормали к обрабатываемой поверхности (ось Y) в системе координат кассеты (рис. 1).

Рис. 1. Система координат сборной фрезы:
а - с радиальной установкой; б - с тангенциальной по периметру режущей пластины; в - с тангенциальной по торцу установкой режущей пластины

Из результатов расчетов следует, что крепление пластины прихватом обеспечивает наибольшую жесткость фрезы в направлении оси Z. В этой связи крепление прихватом рекомендуется использовать при радиальной установке пластин и не рекомендуется использовать при тангенциальной по торцу, поскольку может привести к раскрытию стыка гнездо кассеты — режущая пластина в процессе резания. С другой стороны, при креплении режущей пластины, расположенной тангенциально по торцу, прихватом элементы крепления могут задевать обработанную поверхность, что может привести к поломке фрезы. При тангенциальной по периметру установке пластин и креплении прихватом также возникает опасность раскрытия стыка гнездо кассеты — режущая пластина в процессе резания за счет смещения режущей пластины. Крепление L-рычагом и винтом обеспечивает наибольшие жесткость стыка в направлении оси Y и суммарную жесткость, поэтому их рекомендуется использовать у фрез с тангенциальным расположением режущих пластин.

Исследования показали, что введение в конструкцию инструмента опорного элемента способствует снижению его жесткости в среднем на 10 % для всех рассмотренных вариантов креплений за счет образования дополнительных стыков опорный элемент — режущий элемент — опорный элемент — корпус инструмента.

С точки зрения обеспечения требуемой точности обработанной поверхности, тангенциальная установка режущих элементов по торцу через центральное коническое отверстие является предпочтительной на чистовых операциях (сила резания Ррез до 3000 Н) и по периметру — при Ррез свыше 3000 Н. Радиальное крепление винтом является предпочтительным при резании с силой до 3000 Н, поскольку перемещения в стыке, составляющие 75 % в суммарном балансе перемещений, происходят на этапе крепления режущего элемента.

При тангенциальной установке режущих элементов наибольшие перемещения узлов режущего элемента наблюдаются по осям Z и X элемента, определяющим износ, соответственно, по передней и задней поверхностям элементов. При креплении прихватом без опорной пластины при чистовой обработке с силой до 1000 Н 90 % перемещений вдоль оси X происходит за счет смещений в стыке. При дальнейшем увеличении силы резания до 7000 Н происходит уменьшение доли смещений в стыке до 55 % в результате окончательной выборки зазора между опорными поверхностями гнезда и режущего элемента и увеличение упругих перемещений режущего элемента до 45 % в суммарном балансе перемещений. По абсолютной величине суммарных перемещений по оси наблюдается следующая тенденция. С увеличением силы резания от 550 до 2700 Н происходит равномерное увеличение суммарных перемещений из-за увеличения смещений в стыке и упругих перемещений режущего элемента и опорной поверхности гнезда корпуса. В диапазоне Ррез = 400...600 Н происходит скачкообразное уменьшение суммарных перемещений по оси X. Дальнейшее увеличение силы резания до 700 Н приводит к скачкообразному увеличению перемещений в результате смещений в стыке и упругих перемещений элементов режущей пластины и гнезда корпуса.

Установленное скачкообразное уменьшение перемещений по оси Сможет служить следствием перераспределения перемещений по осям Y, Z в сторону их увеличения в результате поворота пластины в гнезде корпуса инструмента.

Перемещения узлов режущего элемента вдоль оси X способствуют возникновению крутящего момента, действующего на режущую кромку инструмента и влияющего на возникновение растягивающих напряжений вдоль главной задней поверхности режущего элемента, а также оказывающего влияние на прочность боковых поверхностей гнезда корпуса инструмента.

В исследованном диапазоне сил резания перемещения вдоль оси Y, определяющие точность обработки, возникают вследствие упругой деформации элементов режущего инструмента и способствуют увеличению глубины срезаемого слоя. Величина смещений в стыке с увеличением силы резания не изменяется. Положительные смещения по направлению перемещения узлов элементов способствуют отжатию инструмента от обрабатываемой поверхности, и таким образом на чистовых операциях (Ррез < 2000 Н) компенсируют упругие перемещения режущего элемента.

Увеличение силы резания в исследуемом диапазоне приводит к равномерному увеличению перемещений по оси Z инструмента, влияющих на износ по передней грани режущей пластины и прочность поверхностей гнезда корпуса.

Доля смещений в стыке в суммарном балансе перемещений по оси Z в исследуемом диапазоне сил резания составляет в среднем 60 %. Характер направленности перемещений однородный и способствует гарантированной выборке зазора между опорными и установочными поверхностями гнезда и пластины.

На этапе врезания инструмента в заготовку в исследуемом диапазоне сил резания суммарные перемещения возрастают в среднем на 10 %. Перемещения вдоль оси Z возрастают в среднем на 5 %. Перемещения вдоль оси Y, влияющие на точность обработки в диапазоне Ррез = 500...2000 Н, возрастают в 10 раз, при Ррез - 2500...5000 Н - в 15 раз, при Ррез свыше 5500 Н — в 20 раз.

Тангенциальное крепление прихватом по торцу предпочтительней радиального по критерию обеспечения минимальных перемещений по осям X и Z. С точки зрения обеспечения требуемой точности обработки тангенциальное крепление прихватом по торцу неприемлемо, поскольку на этапе врезания инструмента в заготовку при Ррез свыше 150 кг происходит отрыв опорной поверхности режущего элемента от опорной поверхности гнезда корпуса инструмента на расстоянии примерно 1/3 длины пластины.

В диапазоне изменения силы резания 550... 2700 Н тангенциальное крепление по торцу винтом обеспечивает точность обработки в 2 раза выше по сравнению с радиальным и тангенциальным креплениями по периметру. Радиальное и тангенциальное крепления винтом по периметру в диапазоне Ррез — 550...2700 Н, с точки зрения обеспечения точности обработки, равнозначны. При Ррез = 3000...7100 Н предпочтительным является тангенциальное крепление винтом по периметру.

Тангенциальное крепление винтом по периметру увеличивает износостойкость по передней поверхности по сравнению с радиальным на 30 % во всем исследуемом диапазоне сил резания, тангенциальным по торцу в диапазоне Ррез = 550... 1000 Н — в 2 раза, при Ррез = 1100...7100 Н - на 30 %.

Крепления L-образным рычагом радиальное и тангенциальное по торцу в диапазоне Ррез до 1000Н, с точки зрения обеспечения точности обработки, равноценны. При Ррез свыше 1000 Н радиальное крепление является предпочтительным. С точки зрения износостойкости, по передней поверхности радиальное крепление L-образным рычагом при Ррез — 550... 1100 Н также является предпочтительным. При Ррез свыше 1000 Н радиальное и тангенциальное крепления режущих элементов равноценны.

Крепление клин-прихватом тангенциальное по торцу при Ррез = 550...2700 Н обеспечивает точность в 2 раза выше, чем при радиальном, а при Ррез = 2700...7100 Н – на 30 % выше. С точки зрения износостойкости, по передней поверхности крепление клин-прихватом тангенциальное по торцу предпочтительно во всем исследованном диапазоне сил резания по сравнению с радиальным.

На основании проведенных исследований была спроектирована конструкция сборной торцовой фрезы диаметром 400 мм с числом зубьев-пластин, равным 40 для высокоскоростной обработки поверхностей блока цилиндров, выполненных из алюминиевых сплавов (рис. 2). Режущие пластины 3, имеющие вставки из поликристаллического алмаза или с алмазным напылением, тангенциально установлены и жестко закреплены в кассетах-вставках 2 винтом через центральное отверстие. Кассеты 2 устанавливаются в пазах корпуса инструмента 1, настраиваются на размер по индикатору при помощи эксцентрика и закрепляются винтами.

Для перемещения кассеты в радиальном направлении предусмотрен клин 7. Угол клина - 10°. Величина перемещения клина в осевом направлении — 1,5 мм, при этом перемещение кассеты в радиальном направлении — 0,2 мм. Для перемещения клина 7 в осевом направлении имеется эксцентрик 8. Величина эксцентриситета — 0,75 мм. Перемещение кассеты в радиальном направлении возможно только при ослаблении крепежных винтов кассеты, при этом пружинные шайбы поджимают кассеты к корпусу фрезы. Для перемещения кассеты в радиальном направлении необходимо повернуть эксцентрик 8 с помощью шестигранного ключа.

Рис. 2. Сборная регулируемая торцовая фреза с тангенциальным располодением режущих Элементов:
1 - корпус; 2 - кассета; 3 - режущая пластина; 4 - сухарь; 5 - винт регулировочный; 6 - шайба ограничительная; 7 - клин;
8 - эксцентрик

Для перемещения кассеты в осевом направлении в конструкции фрезы предусмотрен сухарь 4, находящийся внутри наклонного прямоугольного паза кассеты 2. Углы наклона паза и, соответственно, верхней и нижней поверхностей сухаря 4,..9°. Одновременно сухарь находится внутри канавки, выполненной на корпусе фрезы 1, при этом верхняя и нижняя поверхности канавки, выполненной на корпусе фрезы 7, перпендикулярны оси инструмента. Величина перемещения сухаря 4 в радиальном направлении — 3...4 мм. При этом величина перемещения кассеты в осевом направлении составляет 0,5 мм. Перемещение сухаря 4 в радиальном направлении по канавке на корпусе фрезы осуществляется с помощью регулировочного винта 5. Для предотвращения выпадения регулировочного винта из кассеты предусмотрена ограничительная шайба 6.

Перемещение кассеты в осевом направлении производится вращением регулировочного винта 5 посредством шестигранного ключа. Перемещение кассеты в осевом направлении и, соответственно, первоначальная регулировка положения пластины в осевом направлении возможны при ослаблении крепежных винтов кассеты, при этом пружинные шайбы поджимают кассеты к корпусу фрезы. Окончательная регулировка положения пластины возможна при зажатых крепежных винтах кассеты.

К преимуществам данной конструкции относится ее универсальность, обусловленная взаимозаменяемостью кассет, на которые радиально или тангенциально могут быть установлены режущие пластины с различной геометрией, возможность регулировки положения пластин в осевом и радиальном направлениях, что позволяет обеспечить требуемую точность обработки и расширить технологические возможности инструмента.

Литература

  1. Высокоскоростная обработка //Оборудование: рынок,предложение, цены. Приложение к журналу "Эксперт". М.: ИТЦ "Технополис 2100". 1998. Выпуск 1. 28 с.
  2. Андреев В.Н. Совершенствование режущего инструмента. М: Машиностроение, 1993. 240 с.

    С.В.Лукина, Ю.Б.Гуляев
    Справочник. Инженерный журнал №8, 2005, стр. 27-31

Статьи партнеров