Резание на токарных станках в заготовительных цехах и участках машиностроительных предприятий один из способов раскроя металла на мерные заготовки. Помимо токарных станков применяются различные способы: кислородная резка, плазменно-дуговая резка, пресс-ножницы, хладноломы, резка ножовочными, дисковыми и ленточными пилами, а также абразивными кругами и др. Указанные способы требуют приобретения специального оборудования. В данной работе предложен и опробован на практике способ, при котором обработка резанием на токарных станках производится с применением угловых шлифовальных машинок и быстросъемных станочных модулей. Процесс резания на токарных станках ротационно-абразивной способом в условии мелкосерийного производства и небольших цехов с минимальным набором универсального оборудования, позволяет быстро и экономически эффективно решать задачи по раскрою крупногабаритных заготовок тел вращения.
Резание на токарных станках предлагаемым способом заключается в одновременном встречном вращении шлифовального отрезного круга и заготовки, а также в обеспечении подачи отрезного круга. Преимуществом данного способа является простота конструктивной схемы и возможность ее реализации на различных универсальных станках, малая толщина пропила и глубина резания на токарном станке дает возможность разрезки заготовок большого диаметра, изготовленных из любых, в том числе и труднообрабатываемых материалов.
На рис. 1 представлена принципиальная схема ротационно-абразивной отрезки, она реализована используя токарно винторезный станок 1К62, с установленной угловой шлифовальной машинкой (УШМ). В шпинделе 2 токарного станка 1 закрепляется заготовка 3. Угловая шлифовальная машинка 8 крепится в резцедержателе 6 при помощи шестигранной головки 5 и металлического зажимного хомута 7. В угловую шлифовальную машину установлен отрезной шлифовальный круг 4. Кожух 9.
Рис. 1. Принципиальная схема ротационно-абразивной отрезки
Элементы крепления УШМ в держателе на суппорте станка показаны на рис. 2. Здесь штатная рукоятка УШМ заменена аналогичной по габаритам, но выполненной из шестигранного проката, что позволяет надежно фиксировать ее в резцедержателе токарного станка, подобно державкам резцов. Задняя часть УШМ фиксируется с помощью специального хомута, также закрепляемого в резцедержателе.
Рис. 2. Элементы крепления УШМ в резцедержателе на суппорте токарно-винторезного станка
Первичный процесс резания на токарных станках предлагаемым способом был проведен путем разрезки заготовок с наружным диаметром 125 мм из чугуна марки СЧ2 отрезным кругом с наружным диаметром 230 мм и высотой 2,8 мм. Режимы обработки при проведении испытаний: частота вращения шпинделя с заготовкой 31 об/мин; частота вращения отрезного шлифовального круга 6640 об/мин (V=80 м/с); поперечная подача суппорта с УШМ и отрезным кругом 0,17 мм/об. Защита направляющих станины от налипания продуктов шлифования обеспечивалась их интенсивным смазыванием и смачиванием СОЖ перед началом отрезки. В результате проведения эксперимента подтверждена эффективность способа ротационно-абразивной отрезки и возможность выполнять подобное резание на токарных станках. На обработанной поверхности заготовок отсутствуют прижоги и деформации. Достигнута глубина отрезки, существенно превышающая возможности обычных отрезных токарных резцов.
В дальнейшем, для увеличения максимального диаметра разрезаемых заготовок штатный защитный кожух угловой шлифовальной машинки для отрезных кругов с наружным диаметром 230 мм был заменен специально изготовленным кожухом увеличенного размера, обеспечивающий установку отрезных кругов с максимальным диаметром 300 мм. При данном диаметре кругов и частоте вращения шпинделя УШМ (6640 об/мин) их рабочая скорость резания на токарном станке составила порядка 100 м/с. Поэтому для проведения дальнейших испытаний были использованы отрезные круги повышенной прочности Kronenflex 300х4х25,4 A 24 R Supra BF 100 m/s. (14A 80H T1 БУ 100 м/с).
При проведении испытаний основными исследуемыми показателями являлись потребляемая и эффективная мощность резания, режущая способность кругов, коэффициент шлифования и шероховатость обработанных поверхностей. Для контроля указанных параметров использовались лабораторные весы ВЛКТ-500г-М с ценой деления 0,01 г, мультиметр цифровой MY 68, механический секундомер и профилограф-профилометр Tolisurf.
Эффективная мощность резания (W эф), характеризует уровень энергозатрат при работе шлифовального круга и определялась через разницу мощностей рабочего (W) и холостого ходов (W хх):
W эф = W - W хх (1)
Коэффициент шлифования (Kш ), является относительным показателем износа шлифовального инструмента и вычислялся как отношение массы снятого материала заготовки (Δ Mз) к израсходованной массе круга (Δ Mк):
Kш = Δ Mз / Δ Mк (2)
Режущая способность (Q m ), называемая также производительностью шлифования, определялась как отношение массы снятого материала заготовки (Δ Mз) ко времени обработки (t):
Qm = Δ Mз / t (3)
Резание на токарных станках заготовок (Ø125 мм СЧ2) осуществлялся на протяжении нескольких минут, в течение которых потребляемая мощность резания УШМ колебалась в широких пределах в связи с периодическим переходом отрезного шлифовального круга от режима самозатачивания к режиму затупления, а также в связи с постепенным уменьшением диаметра разрезаемой заготовки. Поэтому параметр потребляемой мощности резания контролировался и записывался через каждые 60 с, что позволяло оценить данный параметр и эффективную мощность резания в динамике, а также рассчитать средние величины потребляемой и эффективной мощностей резания при осуществлении каждого реза. Для оценки коэффициента шлифования отрезных кругов перед началом испытаний и после каждого реза измерялись массы круга, заготовки и отрезаемых от нее частей.
В ходе испытаний, изучался процесс резания на токарных станках и определялись рациональные режимы резания ротационно-абразивной отрезки для разрезаемой заготовки и используемого круга по комплексу эксплуатационных показателей. Для их определения были проведены эксперименты при частотах вращения шпинделя токарно-винторезного станка с закрепленной заготовкой: n=25 об/мин, n=31,5 об/мин и n=40 об/мин. Величины подач отрезного круга на каждой из указанных частот вращения шпинделя варьировались в диапазоне: S=0,07, S=0,074, S=0,084, S=0,097. Получаемые результаты заносились в таблицы формата Excel, на основе которых строились линейные, логарифмические, степенные и экспоненциальные зависимости и среди них выбирались наиболее достоверные по наибольшему коэффициенту корреляции.
Обработка резанием на токарных станках ротационно-абразивным способом оценивалась, главным параметром являлась потребляемая мощность резания на шпинделе УШМ. Результаты оценки потребляемой мощности резания УШМ при различных режимах резания представлены на рис. 3., а эффективной мощности резания на рис. 4.
Рис. 3. Зависимости потребляемой мощности при резании (W) от величины поперечной подачи отрезного круга (S) при различных частотах вращения шпинделя с заготовкой (n)
Рис. 4. Зависимости эффективной мощности при резании (W эф) от величины поперечной подачи отрезного круга (S) при различных частотах вращения шпинделя с заготовкой (n)
Установленные зависимости потребляемой мощности резания (рис. 3) от величины поперечной подачи отрезного круга при различных частотах вращения шпинделя с заготовкой наиболее достоверно выражаются экспоненциальными математическими моделями:
n=25 об/ мин: W=736,15*e(5,172*S) R 2 = 0,95 (4)
n=31,5 об/мин: W=735,52*e(7,9479*S) R 2 = 0,97 (5)
n=40 об/мин: W=465,22*e(15,134*S) R 2 = 0,98 (6)
Зависимости эффективной мощности резания от величины поперечной подачи отрезного круга при различных частотах вращения шпинделя с заготовкой (рис. 4) наиболее достоверно выражаются экспоненциальными математическими моделями вида:
n=25 об/ мин: W эф = 24,887*e(25,550*S) R 2 = 0,97 (7)
n=31,5 об/мин: W эф = 85,948*e(21,493*S) R 2 = 0,99 (8)
n=40 об/мин: W эф = 41,181*e(34,229*S) R 2 = 0,99 (9)
Полученные результаты наглядно показывают, что с увеличением частоты вращения шпинделя с заготовкой и подачи шлифовального круга происходит существенный рост потребляемой и эффективной мощностей резания. При этом установлено, что при n=40 об/мин потребляемая мощность резания близка к предельным возможностям двигателя УШМ (2,2 квт), что вызывало его перегрев, а при пиковых колебаниях срабатывание предохранителя. Также установлено, что при частоте вращения шпинделя с заготовкой n=25 об/мин скорость резания на токарном станке чрезвычайно низка. Продолжительность одного реза здесь достигала нескольких десятков минут. Поэтому для дальнейших исследований была принята рациональная частота вращения шпинделя с заготовкой n=31,5 об/мин.
Изменение потребляемой мощности резания в динамике при данной частоте вращения шпинделя токарно-винторезного станка и различных подачах круга можно видеть на графиках (рис. 5).
Полученные результаты (рис. 5), свидетельствуют о том, что потребляемая мощность резания на шпинделе УШМ резко возрастает в первые две минуты обработки, после чего в течение последующего периода времени держится примерно на одном уровне с некоторыми колебаниями, обусловленными переходами отрезного круга из режима самозатачивания в режим затупления и обратно. Незадолго до окончания обработки потребляемая мощность резко снижается в связи с уменьшением диаметра заготовки.
Рис. 5. Изменение потребляемой мощности при резании (W) в процессе отрезки при частоте вращения шпинделя с заготовкой n=31,5 об/мин и различных подачах круга.
Взаимосвязь режущей способности отрезных кругов при частоте вращения шпинделя с заготовкой n=31,5 об/мин с величиной подачи круга отражена в виде графика (рис. 6).
Полученные результаты по оценке режущей способности отрезных кругов при различных режимах резания (рис. 6) показывают, что при переходе от величины подачи круга S=0,07 к S=0,097 данный показатель возрастает с Qm =15,2 г/мин до Qm =21 г/мин, т.е. на 38% и отражается линейной математической зависимостью:
Qm = -3*10(-13) + 216,64*S R 2 =,99 (10)
Рис. 6. Зависимость режущей способности отрезных кругов (Qm) при частоте вращения шпинделя с заготовкой n=31,5 об/мин от величины поперечной подачи (S).
Резание на токарных станках способом ротационно абразивной отрезки линейными зависимостями также отражается изменение режущей способности отрезных кругов в процессе резания. Происходит еѐ снижение пропорционально уменьшению диаметра разрезаемой заготовки (рис. 7).
Обусловлено это тем, что при данной схеме обработки обеспечивается постоянная величина подачи отрезного круга, в отличие от большинства других случаев отрезки шлифовальными кругами, когда обеспечивается постоянное усилие прижатия заготовки и инструмента. В связи с этим, максимальные значения режущей способности кругов здесь наблюдаются в процессе резания на наибольшем диаметре заготовки (рис. 7), вдвое превышающие величины режущей способности по результатам отрезки (рис. 6). По мере приближения отрезного круга к оси вращения его режущая способность стремится к нулю. Процесс резания на токарных станках данным способом предполагает, чем больше величина подачи кругов, тем интенсивнее снижается их режущая способность в процессе отрезки.
Рис. 7. Изменения режущей способности отрезных кругов в процессе ротационно-абразивной отрезки при частоте вращения шпинделя с заготовкой n=31,5 об/мин и различных величинах подач круга (S)
Зависимость коэффициента шлифования отрезных шлифовальных кругов при частоте вращения шпинделя с заготовкой n=31,5 об/мин от величины подачи круга S отражена в виде графика на рис. 8.
Его зависимость от величины подачи круга при частоте вращения шпинделя с заготовкой n=31,5 об/мин (рис. 8) выражается степенной зависимостью вида:
K ш = 24,542*S(-0,8181) R 2 = 0,98 (11)
Из графика (рис. 8) следует, что если выполняется обработка резанием на токарных станках ротационно-абразивным способом, то коэффициент шлифования отрезными кругами достигает весьма значительных величин. В рассматриваемом случае коэффициент шлифования находится в диапазоне Кш =167,5 / 220, в то время как при обычных видах абразивной отрезки он колеблется в пределах Кш = 3 / 20, т.е. его величина на порядок ниже. Объясняется это тем, что контакт отрезного круга и заготовки при ротационно-абразивной отрезке происходит на весьма небольшом участке, микрорезание зернами носит прерывистый и скоротечный характер. Нагрузка на единичные зерна здесь существенно меньше, чем при обычной абразивной отрезке, когда заготовка неподвижна и контакт с отрезным кругом происходит по линии, близкой к размеру поперечного сечения заготовки. Помимо этого, теплонапряженность процесса резания при ротационно-абразивной отрезке существенно ниже по сравнению с обычной.
Рис. 8. Зависимость коэффициента шлифования отрезных кругов (Kш) от величины подачи круга (S) при частоте вращения шпинделя с заготовкой n=31,5 об/мин
Непрерывное вращение заготовки увеличивает скорость резания на токарном станке вышеуказанным способом и приводит к равномерному распределению теплового потока по всему периметру окружности прорезаемой канавки, а также к интенсивному отводу тепла от зоны резания. Выражается это в отсутствии цветов побежалости на обрабатываемых поверхностях заготовки.
Это служит подтверждением того, что средняя температура на поверхностях заготовки в процессе отрезки не превышает уровня 200 / 220 градусов и, следовательно, не происходит изменений кристаллической микроструктуры обрабатываемого материала и существенных деформаций разрезаемой заготовки. Так, отрезаемые от заготовки части (диски толщиной 3 мм) не имели изгиба по торцу, в отличие от дисков с близкими размерами, отрезанными токарными резцами.
Кроме того, установлено, что обработка резанием на токарных станках при ротационно-абразивной отрезке с увеличением подачи отрезных кругов, коэффициент шлифования снижается, т.е. увеличивается износ кругов. Это обусловлено увеличением толщин срезаемых стружек и, соответственно, ростом нагрузок на единичные шлифовальные зерна. Так, при переходе от S=0,07 об/мин к S=0,097 об/мин коэффициент шлифования отрезных кругов снижается на 24%.
Исследования шероховатости поверхностей, получаемых при ротационно-абразивной отрезке, показали, что, как и ожидалось, с увеличением подачи отрезного круга происходит рост шероховатости (рис. 9).
Рис. 9. Зависимости шероховатости (Ra) на торце заготовки, остающейся в патроне и на торце отрезаемой части заготовки, от подачи круга (S) при n=31,5 об/мин
Кроме того, установлено, что на различных поверхностях заготовки (торец заготовки в патроне и торец отрезаемой части) шероховатость отличается весьма существенно.
В связи с этим исследованы зависимости шероховатости поверхностей от величины подачи круга на обеих указанных поверхностях.
Зависимости шероховатости (Ra), полученные при ротационно-абразивной отрезке, от подачи отрезного круга наиболее достоверно можно отразить логарифмическими моделями:
Торец заготовки в патроне:
R a =10,88 + 3,8062*Ln(S) R 2 =0,95 (12)
Торец отрезаемой части:
R a =21,99 + 6,9898*Ln(S) R 2 =0,91 (13)
Исследование шероховатости торцов выполняя резание на токарных станках показывает (рис. 7), что большей чистотой поверхности характеризуются части заготовок, остающиеся после отрезки в патроне.
Шероховатость на данных поверхностях при переходе от подачи S=0,07 до S=0,097 колеблется в пределах R a = 0,58 / 1,88 мкм, т. е. увеличивается более, чем в 3 раза. Шероховатость торцов отрезаемых частей заготовок растет с Ra =2,66 мкм до Ra = 5,12 мкм при увеличении подачи от S=0,07 до S=0,097, т.е. возрастает примерно в 2 раза. При этом, шероховатость отрезаемых частей в среднем в 3,5 раза выше шероховатости торцов, остающихся в патроне.
Объясняется это малой толщиной отрезаемых дисков (3 мм) и их вибрацией в процессе отрезки, передающейся от шлифовального круга. Вибрации, в свою очередь, вызываются торцевым биением кругов, что подтверждается тем, что толщина прорезаемых на заготовке канавок на 0,2 / 0,3 мм больше высоты отрезных кругов. Кроме того, вибрации шлифовальных кругов обусловлены недостаточной жесткостью крепления угловой шлифовальной машинки в резцедержателе станка.
Снизить вибрации отрезных кругов можно путем создания специального быстросъемного станочного модуля с возможностью жесткого закрепления на суппорте станка. Полученные результаты по шероховатости соответствуют чистовому точению, что более чем достаточно для операции отрезки, которая классифицируется как черновая. Среди недостатков такого способа, как обработка резанием на токарных станках ротационно абразивным способом, выявлена повышенная шумность при работе и появление запыленности при осуществлении нескольких резов, что обусловливает применения мощного вытяжного оборудования и гибких фартуков, прикрывающих рабочие части направляющих станины токарного станка.
Таким образом, результаты испытаний показывают, что предлагаемый способ ротационно-абразивной отрезки, реализуемый на универсальных токарных станках с установленной на суппорте угловой шлифовальной машинкой, позволяет высокой производительно, с коэффициентом шлифования в десятки раз большим, чем при обычной абразивной отрезке, а также с высокой точностью и качеством обработки осуществлять разрезку заготовок большого диаметра в условиях мелкосерийного и единичного производства без применения специализированного разрезного оборудования.
Глубина резания на токарном станке данным способом позволяет раскраивать заготовки с максимальными диаметрами, вдвое большими, по сравнению с обычной схемой отрезки абразивными кругами. При этом износ отрезных кругов здесь во много раз меньше. На обрабатываемых поверхностях отсутствуют термические прижоги и деформации. Режимы резания при ротационно-абразивной отрезке по параметру частоты вращения заготовки и подаче отрезного круга ограничиваются максимальной мощностью электродвигателя привода отрезного круга. Рациональная частота вращения шпинделя с заготовкой в рассматриваемом случае составила n=31,5 об/мин, а величина подачи отрезного круга находилась в диапазоне S=0,07 / 0,097 мм/об.
Для того, что бы резание на токарных станках производилось с максимальной производительностью, целесообразно выбирать максимально возможную подачу круга (т.е. в данном случае S=0,097), а для достижения минимального износа инструмента и минимальной шероховатости обработанных поверхностей принимать минимальную подачу (S=0,07 мм/об).
