Курсы валют ЦБ РФ

 Механика ротационного резания
 

М.Н. Гатитулин,

Известные способы повышения стойкости режущих инструментов в настоящее время практически исчерпаны, т.к. они не исключают основную причину износа инструментов - наличие трения скольжения в зоне резания, а только уменьшают вредные последствия  трения. Взаимодействие режущего инструмента с заготовкой характеризуется опережающим обновлением обрабатываемой поверхности по отношению к рабочим поверхностям инструмента, что и приводит к их интенсивному износу. В работах [1–3] и др. исследованы процессы ротационной обработки резанием, которые обеспечивают обновление также контактных поверхностей инструмента. Эти исследования определили условия, при которых осуществляется частичная замена трения скольжения на трение качения, что и обеспечивает повышение стойкости инструмента.

Ротационное резание также сопровождается увеличением длины режущего лезвия, участки которого периодически участвуют в съеме припуска с заготовки, охлаждаются  вне зоны резания, что также способствует  повышению стойкости  ротационного инструмента.

В работе [4] проведен анализ механики ротационного фрезерования и представлены результаты экспериментальных исследований влияния сил трения на процесс резания углеродных материалов. Предложена гипотеза механизма снижения износа ротационного инструмента и показано, что повышение их стойкости может достигать 102…104 раз.

В работе [5] рассмотрена механика планетарного шлифования торцовым инструментом и представлены результаты экспериментов, показавших снижение сил резания и повышение износостойкости связки алмазных абразивных инструментов.

Торцовые инструменты по [4,5] имеют практически одинаковое конструктивное исполнение. Они состоят из корпусов 1 (рис.1а, б) с подшип­ни­ко­выми узлами 2, на шпинделях 3 закреплены рабочие чашки 4 и шестерни 5, корпуса 1 установлены на шпинделях 6 станков, на непод­вижной части 7 установлены зубчатые колеса 8, образующие с шестернями 5 внутреннее (рис.1а) или внешнее (рис.1б) зацепление.

При вращении шпинделей 6 с корпусами 1 шестерни 5 обкатываются по колесам 8, вращая чашки 4. Вращательные движения чашек 4 совместно с корпусами 1 являются  переносным угловым движением wе, а в подшипниковых узлах 2 — относительным угловым движением wr. Угловые скорости w абсолютного вращательного движения чашек 4 равны геометрической сумме скоростей

(1)

По теории о сложении линейных скоростей

(2)

т.е.,  по осям  Ω (делительный конус) чашки 4 катятся без проскальзывания.

Вариант схемы инструмента по рис.1а исследован в работе [5], по рис.1б — в работе [6]. 

Рис.1. Схема скоростей рабочих элементов ротационной фрезы

Ротационная фреза работоспособна также в режиме самовращения режущих чашек 4, а абразивные чашки 4 в режиме самовращения не способны осуществлять операцию шлифования.

При анализе механики самовращения круглой режущей чашки применим гипотезу ведущего звена, которую используют при расчетах шарикоподшипников. Для ротационного резания ведущим звеном будем считать обрабатываемое тело, приводящее во вращение чашку в подшипниковом узле путем воздействия на нее тангенциальной составляющей Fτ силы трения F, возникающей при перемещении одного тела относительного другого (рис. 2б).

Схема взаимодействия режущей чашки 4 с обрабатываемой заготовкой 9 приведена на рис.2а, где точка В — точка приложения равнодействующей сил резания на дуге БГ лезвия; Sz — величина подачи на зуб; точка О″ — мгновенный центр скоростей (МЦС).

Рис.2. Схема взаимодействия режущей чашки с заготовкой

Процесс резания характеризуется отсутствием вращения чашки 4 в подшипниковом узле в зоне холостого пробега фрезы, ударом ее при врезании в обрабатываемое тело, перемещением в нем без самовращения на длине пути до 3 мм с последующим угловым ускорением [1].

Абсолютная угловая скорость w чашки 4 равна

w = wе – wr ,  (3)

т.к. векторы wе  и wr  направлены в противоположные стороны.

Окружная скорость v в абсолютном вращательном движении равна

 v = ve + vr.  (4)

Для точек  Б и А абсолютные скорости равны

vБ = we (R3 + r4) – wr . r4,  (5)

vА = weR4.  (6)

Так как МЦС — точка О″, лежит на оси Х за пределами окружности радиусом (R3 + r4), то скорость v относительно точки О″ равна v = w.R′. Поэтому из (3–6)

 R′ = we [(R3 + r4) – we.r4] / (we – wr). (7)

Для нахождения радиуса R′ необходимо знать угловые скорости we и wr.  Отношение vr/ve играет роль передаточного отношения фрикционной передачи: обрабатываемая деталь 9 — режущая чашка 4. С учетом переменности угловой скорости wr  при  постоянстве угловой скорости we задача по определению радиуса R′, скорости veB точки В режущего лезвия и сил резания, действующих на чашку 4 в этой точке является задачей статически неопределимой.

Режим  самовращения режущих чашек имеет два предельных состояния:

— при wr = 0 имеем режим работы фрезы с неподвижным режущим элементом;

— при vr = ve имеем режим с идеальным фрикционным зацеплением, при котором МЦС (точка О″) будет располагаться в точке Б режущего лезвия. На практике этот режим резания осуществим  с применением принудительного вращения режущей чашки 4 в соответствии с рис.1а.

Расположение МЦС внутри окружности радиусом (R3 + r4) для самовращающейся ротационной фрезы невозможно, для этого необходимо принудительное вращение чашки 4 осуществлять в противоположном направлении в соответствии со схемой рис.1б.

С учетом анализа работы планетарных торцовых инструментов  по работам [4,5] можно классифицировать технологические возможности торцовых инструментов  как комбинацию следующих составляющих (рис.3):

— с жестким креплением рабочих элементов на корпусах;

— с креплением рабочих элементов в подшипниковых узлах, установленных на корпусах.

Для обеспечения высокой производительности при обработке резанием различных деталей можно использовать разнообразные комбинации инструментов, аналогично представленным на рис.3.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коновалов Е.Г., Сидоренко В.А., Соусь А.В. Прогрессивные схемы ротационного резания металлов. — Минск: Наука и техника, 1972. — 272 с.

2. Бобров В.Ф., Иерусалимский Д.Е. Резание металлов самовращающимися резцами. — М.: Машиностроение, 1972. — 112 с.

3. Ротационное резание материалов / П.И. Ящерицын, А.В. Борисенко, И.Г. Дривотин, В.Я. Лебедев. — Минск:: Наука и техника, 1987. — 229 с.

4. Меньшаков В.М., Портнягин В.И., Гатитулин М.Н. Обработка углеродных материалов ротационными инструментами//Прогрессивная технология чистовой и отделочной обработки. — Челябинск: ЧПИ, 1988. — С.16–18.

5. Гатитулин М.Н., Конышев В.Н., Гусев В.Н. Влияние планетарного вра­ще­ния абразивных элементов торцовых инструментов на процесс шлифования угольного материала // Технологические процессы и обору­д­о­вание электродного производства: Сб. науч. тр. — М.: НИИграфит, ГосНИИЭП, 1988. — С.86–95.

Рис. 3. Схема технологического применения комбинированных