Токарная обработка металла многонаправленным методом на станках с ЧПУ, представляет из себя процесс точения, при котором разворот главной режущей кромки резца относительно настроечной точки на фиксированный угол при каждой смене направления его перемещения осуществляется автоматически силами резания. Описана конструкция режущего инструмента. Представлены схемы обработки полузакрытых и закрытых поверхностей. Приведены некоторые результаты экспериментальных исследований.
Относительная доля оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ) в станочном парке предприятий машиностроения постоянно возрастает и в этой связи все более актуальными становятся вопросы их эффективной эксплуатации. Одним из путей решения этой задачи при изготовлении деталей сложной формы на токарных станках с ЧПУ является многонаправленная обработка. Ее использование позволяет ограничить число инструментов в инструментальной наладке при токарной обработке металла, уменьшить вспомогательное время на поиск и смену инструмента, а в отдельных случаях исключить время на переустановку заготовки.
Сущность многонаправленной токарной обработки (МТО) заключается в том, что вместо нескольких стандартных или специальных резцов различного назначения используют один канавочный (прорезной) резец, режущая пластина которого имеет возможность разворачиваться так, что между ее главной режущей кромкой и направлением продольной подачи образуется вспомогательный угол в плане φ2. При этом резец может работать либо как канавочный (с подачей в поперечном направлении и вспомогательными углами в плане φ1), либо как правый или левый проходной (с подачей в осевом направлении и вспомогательным углом в плане φ2). Фактически одним резцом обеспечивается формообразование открытых, полуоткрытых и закрытых поверхностей деталей, а также различных дополнительных поверхностей (канавок, проточек, желобов).
Образование угла φ2 может быть обеспечено путем использования дополнительной управляемой координаты и специального резцедержателя для разворота резца или за счет изгибных деформаций державки инструмента осевыми (продольными) силами резания возникающими в момент когда происходит токарная обработка металла. Каждый из обозначенных вариантов решения задачи имеет свои недостатки. Первый вариант связан с усложнением конструкции револьверной головки и как следствие с дополнительными затратами на изготовление станка. Недостатком второго варианта является изменение фактической длины инструмента вследствие изгибных деформаций при обработке с продольной подачей, что влияет на получаемый в результате обработки диаметральный размер. Фактически имеет место дополнительная составляющая погрешности обработки, обусловленная переменным характером изгибных деформаций державки резца. При нестационарном резании (колебания припуска и твердости обрабатываемого материала, непостоянство режимов резания и т.д.) ее прогнозирование является достаточно сложным. Указанные недостатки можно устранить, если обработку вести резцом, конструктивная схема которого представлена на рис. 1.
Рис. 1. Конструктивная схема резца
В державке 1 резца (рис. 1) между двумя щеками, образованными сквозным V-образным пазом, закреплена пластина 2, изготовленная из стали с высокими упругими свойствами, например, стали 65Г (45-50 HRC). На другом конце пластины 2 закреплена режущая пластина 3, разворот которой при наличии осевой составляющей силы резания Px ограничен винтами 4. Для увеличения жесткости резца в направлении действия тангенциальной составляющей Pz силы резания предусмотрена дополнительная опора в виде пальца 5. Пластина 2 работает как плоская пружина с заделкой в точке K .
Когда происходит токарная обработка металла, под действием составляющей силы резания Px пластина деформируется (изгибается) в направлении действия этой силы (перпендикулярно к боковой поверхности проточки). Величина изгиба fи при этом определяется по зависимости (формула 1). Схема обработки закрытой поверхности представлена на рис. 2.
Рис. 2. Схема обработки закрытой поверхности
Согласно этой схемы резцу с длиной главной режущей кромки B, настроечными точками C и D (их исходное положение C1 и D1) и вспомогательными углами в плане φ1 сообщают перемещение (врезание) на глубину t с подачей S1; при этом настроечные точки занимают положение C2 и D2. Далее режущая кромка резца разворачивается относительно точки C2 так, что между ней и направлением, перпендикулярным к правой боковой поверхности проточки, образуется угол φ2 (всегда φ2 ≤ φ1). После разворота резцу сообщают продольную подачу S2 в направлении левой боковой поверхности проточки; при этом он работает как проходной с главным углом в плане φ = 90° + φ1 − φ2 и вспомогательным φ2. Когда настроечная точка C будет находиться в крайнем левом положении (см. точка C3), режущую кромку разворачивают относительно этой точки в исходное положение (φ2 = 0) и производят последующее врезание на глубину t . Затем режущую кромку разворачивают с образованием угла φ2 относительно настроечной точки D , которая находится в положении D5, и сообщают резцу продольную подачу в направлении правой боковой поверхности проточки. После завершения этого перемещения режущую кромку возвращают в исходное положение для очередного врезания. Такие движения повторяются до полного формообразования проточки по глубине. Разворот главной режущей кромки резца относительно настроечных точек резца осуществляется за счет изгибных деформаций упругой пластины под действием осевой составляющей силы резания и перемещения точки K, принадлежащей державке резца, по дуге окружности радиуса ρ (рис. 3).
Рис. 3. Расчетная схема для определения угла разворота режущей кромки резца
После врезания резца на глубину t необходимо обеспечить разворот его главной режущей кромки на угол φ2 при неподвижном положении настроечной точки C (рис. 3). Для этого точка K , принадлежащая державке резца, должна переместиться по дуге окружности радиуса ρ в направлении по часовой стрелке и занять новое положение Kи, которое относительно K определяется координатами XKKИZKKИ (величина ZKKИ соответствует деформации f изгиба пластины под действием Px). Точка F, принадлежащая середине главной режущей кромки резца, при этом займет новое положение F1.
После завершения разворота главной режущей кромки резца выполняется рабочий ход в направлении, перпендикулярном боковой поверхности проточки. Далее, для того чтобы указанная режущая кромка под действием сил упругости пластины 2 (см. рис. 1) заняла исходное положение для последующего врезания (φ2 = 0), точка K , принадлежащая державке, должна сместиться по дуге радиуса ρ против часовой стрелки. При этом координаты XKKИZKKИ отрабатываются устройством ЧПУ с противоположным знаком.
Для разворота главной режущей кромки резца на угол φ2 при неподвижном положении настроечной точки D точка K должна перемещаться по дуге окружности радиуса ρ также против часовой стрелки. Возврат режущей кромки в исходное положение под действием сил упругости происходит, если точка K перемещается в противоположном направлении (по часовой стрелке).
Параметры ρ, XKKИ, ZKKИ, используемые при программировании перемещения по дуге KKи в цикле обработки проточки (канавки), можно определить по следующим зависимостям (формулы 2, 3, 4). Формулы (2) – (4) получены из геометрических соотношений (см. рис. 3).
Значение силы Px, достаточное для разворота режущей кромки на угол φ2, при известных значениях B, lп, bп, hп, E определяется соотношением (формула 5)
Формула (5) получена из (1) путем замены fи на значение ZKKИ из (3) и преобразований.
На силу резания, при токарной обработке металла, влияет множество факторов, учесть которые на стадии подготовки управляющей программы (УП) достаточно сложно. Как следствие, расчетное значение Px не всегда соответствует действительному Px′. В связи с этим для обеспечения заданного значения φ2 необходимо подачу S2 и глубину резания t выбирать так, чтобы выполнялось условие Px ≥ Px′. Величина зазора f между винтом 3 и пластиной 2 при этом должна выбираться из соотношения (формула 6).
где l0 – расстояние от точки K до оси винта 4, м (рис. 1). Поскольку fи = ZKKИ, то, заменив и f в формуле (6) значением ZKKИ из выражения (3), получим (формула 7).
Формула (7) может быть использована при определении зазора f в зависимости от заданного угла φ2 и конструктивных параметров резца B,lп и l0.
Цикл обработки проточки (канавки или желоба) состоит из последовательности элементарных перемещений, сообщаемых резцу. При этом точка K , принадлежащая державке резца, будет перемещаться по траектории, которая описывается подпрограммой, состоящей из восьми кадров (рис. 4).
Рис. 4. Траектория точки K резца при обработке закрытой поверхности
Кадр 1. Перемещение из точки K1 в точку K2. Осуществляется врезание режущей пластины на глубину t с подачей S1, при этом происходит формообразование правой боковой поверхности проточки (рис. 2).
Кадр 2. Перемещение из точки K2 в точку K3 по дуге окружности радиусом ρ . Режущая пластина при этом находится в проточке глубиной t и шириной B. Ее перемещение в осевом направлении, если выполняется условие Px > Pпр , ограничено боковыми поверхностями проточки, образованной при отработке предыдущего (первого) кадра подпрограммы. Движение точки K державки по дуге окружности и отсутствие при этом возможности режущей пластине перемещаться в осевом направлении приводит к изгибу упругой пластины и, как следствие, к развороту закрепленной на ней режущей пластины относительно неподвижной точки C в направлении по часовой стрелке на угол φ2, образованный главной режущей кромкой и направлением продольной подачи.
Кадр 3. Перемещение из точки K3 в точку K4. Режущая пластина с развернутой главной режущей кромкой на угол φ2 при отработке предыдущего (второго) кадра подпрограммы, перемещается в направлении левой боковой поверхности проточки со скоростью подачи S2. При этом осуществляется процесс продольного точения с глубиной резания t (резец работает как проходной с вспомогательным углом в плане φ2).
Кадр 4. Перемещение из точки K4 в точку K5 по дуге окружности радиусом ρ . Главная режущая кромка, развернутая на угол φ2 еще при отработке второго кадра подпрограммы, занимает исходное положение для очередного врезания резца вдоль левой боковой поверхности проточки (разворачивается в направлении против часовой стрелки до тех пор, пока угол φ2 не станет равным нулю). Это обусловлено тем, что упругая пластина, на которой крепится режущая пластина, упруго восстанавливается по мере перемещения точки K державки по дуге окружности.
Кадр 5. Перемещение из точки K5 в точку K6. Осуществляется врезание режущей пластины на глубину t с подачей S1, при этом происходит формообразование левой боковой поверхности проточки.
Кадр 6. Перемещение из точки K6 в точку K7 по дуге окружности радиусом ρ. Режущая пластина находится в проточке глубиной t и шириной B. Ее перемещение в осевом направлении, если выполняется условие Px > Pпр , ограничено боковыми поверхностями проточки, образованной при отработке предыдущего (пятого) кадра подпрограммы. Движение точки K державки по дуге окружности и отсутствие при этом возможности режущей пластине перемещаться в осевом направлении приводит к изгибу упругой пластины и, как следствие, к развороту закрепленной на ней режущей пластины относительно неподвижной точки D в направлении против часовой стрелки на угол φ2 (угол между направлением продольной подачи и главной режущей кромкой).
Кадр 7. Перемещение из точки K7 в точку K8. Режущая пластина, развернутая при отработке предыдущего (шестого) кадра подпрограммы, перемещается в направлении правой боковой поверхности проточки со скоростью подачи S2. При этом осуществляется процесс продольного точения с глубиной резания t (резец работает как проходной с вспомогательным углом в плане φ2).
Кадр 8. Перемещение из точки K8 в точку K9 по дуге окружности радиусом ρ . Режущая пластина, развернутая относительно неподвижной точки D еще в шестом кадре подпрограммы, занимает исходное положение для последующего врезания (разворачивается в направлении по часовой стрелке до тех пор, пока угол φ2 не станет равным нулю). Как и ранее (кадр 4 подпрограммы) это достигается за счет упругого восстановления упругой пластины по мере перемещения точки K державки по дуге окружности.
Схемы обработки полузакрытых поверхностей заготовки представлены на рис. 5-6.
Рис. 5. Схема обработки полузакрытой поверхности, ограниченной слева (а), и траектория точки K резца (б)
Рис. 6. Схема обработки полузакрытой поверхности, ограниченной справа (а), и траектория точки K резца (б)
Точка K , принадлежащая державке резца, при обработке полузакрытой поверхности будет перемещаться по траектории (рис. 5), которая описывается подпрограммой, состоящей из шести кадров. Причем перемещение из точки K6 в точку K7 программируется, если припуск на обработку поверхности снимается за два и более рабочих ходов. Когда припуск снимается за один рабочий ход, то из точки K6 перемещение будет осуществляться в точку, из которой следует начинать перемещение для обработки другой поверхности заготовки, или в исходную точку.
Обработка открытой поверхности будет описываться подпрограммой, состоящей из трех кадров: перемещение из точки K1 в точку K2 (врезание); перемещение из точки K2 в точку K3 (разворот главной режущей кромки по дуге окружности радиусом ρ на угол φ2); перемещение из точки K3 в точку K4 (рабочий ход).
При экспериментальном исследовании используя токарный станок 1А751Ф3, обрабатывали проточки (канавки) прямоугольной формы шириной 52 и глубиной 15 мм на наружной поверхности заготовки из стали 40Х (диаметр 220, длина 115 мм). Заготовка, закрепленная в патроне, вращалась с частотой 125 об/мин, что обеспечивало максимальное значение скорости резания 86,35 м/мин. В качестве СОЖ применяли эмульсию.
Заготовки были разделены на две группы. Токарная обработка металла первой группы происходила по схеме, предложенной в настоящей работе, с использованием специального резца (см. рис. 1) со следующими параметрами: B = 12 мм; lп = 60 мм; l0 = 40 мм; bп = 4 мм; hп = 24 мм; геометрические параметры: α = 8° ; γ = 8° ; φ1 = 2°; r = 0,3мм. Поперечная подача S1 = 0,12 мм/об; рабочие перемещения в продольном направлении выполняли с t = 3 мм; S2 = 0,25 мм/об. Разворот главной режущей кромки после каждого врезания производили на угол φ2 = 1º40´.
Вторую группу заготовок обрабатывали по схеме «спуск» стандартным канавочным резцом (материал режущей части и геометрические параметры те же, что и при обработке заготовок первой группы). Выполняли пять рабочих ходов в направлении, перпендикулярном к главной режущей кромке, с подачей 0,12 мм/об и чистовой рабочий ход.
Токарную обработку металла (цикл) задавали в виде подпрограммы, составленной с использованием формальных параметров под адресом R . Вызов подпрограммы и число ее повторов задавали в кадре УП под адресом L. В этом же кадре указывали требуемые значения формальных параметров. В качестве критериев при оценке схем обработки проточки были приняты размерная стойкость инструмента, шероховатость обработанной поверхности и производительность обработки.
Размерную стойкость оценивали по числу обработанных проточек. С этой целью после обработки каждой проточки измеряли длину главной режущей кромки резца с помощью вертикального оптиметра ОВО-1. Установлено, что размерная стойкость резца при точении проточек по предложенной схеме в 1,8 – 2 раза выше, чем при точении обычным методом, т.е. только с подачей в направлении, перпендикулярном к главной режущей кромке. Одновременно наблюдается некоторое уменьшение износа по передней и задней поверхностям. Объясняется это тем, что при предложенной схеме правая и левая вспомогательные режущие кромки резца участия в резании поочередно не принимают. Кроме того, улучшается отвод стружки и доступ СОЖ в зону резания.
Шероховатость боковых поверхностей проточек измеряли на профилометре-профилографе модель 201 и оценивали по параметру Rа. Установлено, что значение Rа при точении проточек по схеме «спуск» более чем в 1,5 раза выше, чем при предложенной схеме. Данный факт можно объяснить следующим образом. В соответствии с циклом формообразования проточки резец с развернутой на угол φ2 главной режущей кромкой перемещается в направлении боковой поверхности проточки со скоростью подачи S2. При этом кинематический угол φ1 режущего лезвия меньше статического на величину φ2. Затем, как было указано выше, главная режущая кромка возвращается в исходное положение (φ2 = 0) для очередного врезания на глубину t . Поскольку время разворота кромки соизмеримо с временем оборота заготовки, то резец частично срезает вспомогательной режущей кромкой вершины образованных ранее микронеровностей, величина которых ввиду пластической и упругой деформации в зоне резания всегда больше величины, определяемой только подачей и геометрией режущего клина. Время разворота кромки зависит от скорости подачи и конструктивных параметров резца. С уменьшением разности значений φ1 и φ2 эффект уменьшения высоты микронеровностей становится более заметным.
Затраты времени на выполнение циклов определяли путем хронометража. При этом было установлено, что предложенная схема способствует уменьшению суммарного времени на выполнение рабочих и вспомогательных ходов. Продолжительность цикла обработки проточки с предварительным разворотом главной режущей кромки резца на угол φ2 составила 2, 6 мин, а цикла обработки по схеме «спуск» - 3,12 мин (размеры проточки и режим резания указаны выше).
Таким образом, включение в циклы многонаправленной токарной обработки металла рабочего движения с продольной подачей и предварительным разворотом главной режущей кромки прорезного резца относительно настроечных точек на угол φ2 приводит к увеличению производительности обработки и исключает влияние изгибных деформаций державки на точность выполняемых размеров. Размерная стойкость резцов при этом возрастает, а шероховатость обработанных поверхностей уменьшается.
