Управління процесом стружкоутворення

Характерні особливості процесу різання складаються:

по-перше, в тому, що леза ріжучого інструменту зрізають припуск шарами, товщина поперечного перерізу яких зазвичай менше 1 мм (лише на важких верстатах товщина шару, що зрізається, доходить до 2 мм і більше);
по-друге, фізико-механічні властивості поверхневих шарів, які піддаються пластичному деформуванню та перетворенню на стружку, відрізняються від властивостей вихідного матеріалу заготівлі;
по-третє, в результаті деформування і руйнування матеріалу шару, що зрізається, відбувається виникнення з монолітної маси двох нових поверхонь - однієї на оброблюваній заготівлі, а інший - на зрізаній стружці.

Як було розглянуто вище, залежно від властивостей оброблюваного матеріалу та умов різання розрізняють такі види стружок (рис.4): зливну, суглобову, сколювання і надлому. Однак, враховуючи те, що процес різання ускладнюється наявністю зливної стружки, для останньої використовують додаткову класифікацію: пряма стрічкова, заплутана; безперервна спіральна, штопороподібна, гвинтова, циліндрична; дроблена плоска (елементи до 3-5мм) та спіральна (елементи до 1-1,5 витків) тощо.

Використання в сучасному машинобудуванні автоматизованих виробництв, верстатів з ЧПК та "безлюдних" технологій зробило актуальною проблему управління процесом стружкоутворення. При цьому необхідно було вирішити такі основні завдання: зменшити негативний вплив стружки на шорсткість обробленої поверхні та довговічність роботи ріжучого інструменту та пристроїв; покращити умови видалення стружки із зони різання та транспортування її від верстата; забезпечити безпечні умови праці робітникам.

Для вирішення цих питань українськими та зарубіжнимидослідниками були розроблені системи автоматизованого управління (САУ) процесом стружкоутворення за різних умов різання. Кінцева мета у цих роботах - надати стружці (подрібненням чи завиванням) таку форму, яка звела б на "ні" її негативні сторони. Оскільки найбільші проблеми виникають при зливній стружці, то на першому етапі створення САУ було запропоновано різні класифікації форм цих стружок за ступенем дроблення та завивання.

Стружкозавивання - процес, який відбувається через нерівномірність деформації по перерізу шару, що зрізається, причому, нерівномірність еe по ширині викликає бічні завивання, нерівномірність по товщині - вертикальне завивання.

Стружкодроблення - поділ стружки на окремі елементи (різних форм і розмірів), яке відбувається, якщо в стружці виникають напруги (s & gt; [s] ізг) більше гранично допустимих для оброблюваного матеріалу. Найбільш відомі такі способи дроблення (завивання) зливної стружки:

управління геометрією ріжучого інструменту,
призначення режимів різання в межах області стійкого стружколоманія,
використання інструментів з лунками, уступами та накладними стружколомами на передній поверхні,
використання схем різання, що дозволяють отримати стружку заданих розмірів,
управління динамікою різання,
керування кінематикою різання.

Управління геометрією різального інструменту. Цей спосіб найбільш ефективний при використанні інструментів з ріжучою частиною, що переточується. Відомо, що найбільше впливають на процес стружкообразования надають: передній кут, головний кут у плані та кут нахилу ріжучої кромки.

Зменшення переднього кута γ до його негативних значень γ =+5. -10 даєможливість збільшити деформації шару, що зрізається і в залежності від межі міцності оброблюваного матеріалу і напруг, що виникають в стружці, створюються умови для завивання або ламання стружки. Зміна переднього кута досягається заточенням або всієї передньої поверхні, фаски під заданим кутом, або установкою на передній поверхні накладних стружколомів (рис.17).

Рис.17. Форми передньої поверхні інструменту:

плоска з накладним стружколомателем та негативним кутом γ;
те саме з позитивним кутом γ;
з порожком;
з негативною фаскою та накладним стружколомателем;
з лункою та негативним кутом γ;
з лункою та позитивним кутом γ;
з подвійною лункою;
з потрійною лункою

Як правило, розміри фаски "f" повинні бути меншими за товщину зрізуваного шару "а". Однак, необхідно врахувати, що із зменшенням переднього кута зростають сили різання та, відповідно, навантаження на деталь та інструмент.

Збільшення головного кута у плані до значень j = 90 також призводить до зростання деформації ε 0 у структурі та сприяє її завиванню. Негативні фактори в цьому випадку - зменшення міцності та погіршення тепловідведення в районі вершини різця.

Зміною величини кута нахилу ріжучої кромки l управляють як формою стружки, а й визначають напрямок її руху. Позитивні кути збільшують деформацію ε0 шару, що зрізається, що веде до завивання або ламання стружки і сприяють руху стружки в напрямку оброблюваної поверхні. Негативні фактори: зростання сил різання та збільшення шорсткості обробленої поверхні деталі.

При негативних кутах l стружка рухається у напрямку оброблюваної поверхні, однак, ймовірність отриманнястружки бажаної форми пов'язана, в основному, з механічними характеристиками матеріалу, що обробляється. Негативні фактори: зменшення міцності та погіршення тепловідведення в районі ріжучої кромки.

Геометричні способи керування стружкоутворенням дають можливість ефективно керувати, в основному, формою стружки.

Призначення режимів різання в межах області стійкого стружколоманія. Цей спосіб найбільш ефективний при використанні інструментів зі змінними (поворотними) багатогранними пластинками (СМП), що мають різну кількість граней (різальних кромок) та форми передньої поверхні. Враховуючи високу собівартість інструментів на базі ШМД, сучасні інструментальні фірми прагнуть встановити для кожного типу ШМД ефективні галузі застосування, в першу чергу, з урахуванням можливостей стійкого стружкодроблення. Відомо, що найбільший вплив на процес стружкоутворення з режимів різання мають величини подачі та глибини різання. Тому, як правило, зони стійкого дроблення стружки визначають шляхом випробування ШМД різних форм у координатах: глибина різання t і величина подачі S (при постійних: швидкості різання V, геометрії інструменту, формі ШМД та інших факторах). У цьому випадку для кожного типу ШМД створюється спеціальна карта (діаграма), за якою легко встановити діапазони режимів різання зі стійким стружкодроблення. Після проведення кожного експерименту форма стружки фіксується з позицій травмонебезпечності, можливостей транспортування та впливу на умови роботи технологічної системи та класифікується за цими ознаками для кожного поєднання подача-глибина різання проведеного експерименту. Діаграми з зонами стійкого стружкодроблення, побудовані для змінних багатогранних, що випускаються інструментальною промисловістю.пластин (рис.18 і 19) дозволяють вирішити питання про управління процесом стружкообразования на стадії підготовки програм для верстатів з ЧПУ.

Рис.18. Типова багатогранна змінна пластина

Рис.19. Діаграми стружкодроблення для різця з типовою СМП і кутами в плані: φ=45 (а), φ=60 (b), φ=75 (c), φ=90 (d),

Основними перевагами таких діаграм є наочність та простота використання.

Використання інструментів з лунками, уступами та накладними стружколомами на передній поверхні. Ці зміни конструкції інструменту дають можливість встановлювати при різанні зручні форму, розміри та напрямок руху стружки, за рахунок різкого збільшення деформацій по її ширині та товщині. Лунки і уступи формуються як на інструментах, що заточуються, так і на змінних багатогранних пластинках.

На інструментах, що заточуються, діючими стандартами передбачаються або одинарні (для малих подач), або подвійні канавки (для великих подач). Кількість уступів на змінних багатогранних пластинках визначається їхньою формою, розмірами та призначенням інструменту. Конструктивні особливості передньої поверхні нестандартних ШМД становлять, як правило, "ноу-хау" фірми виробника, так як визначають умови стружкоутворення при різанні.

Використання схем різання дозволяють отримати стружку заданих розмірів. Управління процесом стружкоутворення шляхом вибору схем різання застосовується при великих величинах товщини або ширини шару, що зрізається. У цьому випадку вплив на процес стружкоутворення здійснюється виготовленням стружкоподільних канавок на ріжучих кромках інструменту або шляхом попереднього нарізування кільцевих (гвинтових) канавок на поверхні, що обробляється деталі. Кількість, форми та розміристружкоподільних канавок на ріжучій кромці визначаються типом різального інструменту, властивостями оброблюваного матеріалу та припуском на механічну обробку. Для деяких інструментів, наприклад, протяжок, форма, розміри та кількість канавок встановлюються державними або заводськими стандартами.

Управління динамікою різання. Зміна динамічних параметрів у системі інструмент-деталь-верстат дозволяє істотно вплинути на форму стружки і знос інструменту. Найбільш ефективним у цьому плані виявилося накладення на ріжучий інструмент у процесі його роботи ультразвукових або низькочастотних коливань. Причому дослідження показали, що ультразвукові коливання ефективні при роботі токарних різців і алмазних свердлів, а низькочастотні - при глибокому свердлінні.

Основні недоліки цього способу - необхідність встановлення додаткового обладнання та його висока собівартість.

Управління кінематикою різання. Широке застосування в машинобудуванні верстатів з ЧПУ та інструментів зі змінними багатогранними пластинками (СМП) дозволило використовувати для управління процесом стружкоутворення різні види переривчастої (дискретної) подачі. Цей спосіб дає можливість отримувати бажану за формою та розмірами стружку незалежно від режимів різання та геометрії різального інструменту шляхом періодичного зупинення або відведення інструменту від поверхні різання.

Найчастіше використовуються схеми обробки з наступними видами дискретної подачі інструменту (рис.20): з короткочасним зупиненням; рекомендується при обробці малопластичних матеріалів на чорнових і напівчистових операціях і з відведенням під кутом - рекомендується при обробці в'язких матеріалів. Крім цих варіантів, знаходить застосування дискретна подача з відведенням векторного трикутника- рекомендується при обробці складно-профільних (фасонних) поверхонь; з відведенням по колу – для чистових операцій.

a) з короткочасним зупиненням

b) з відведенням під кутом Рис.20. Способи кінематичного дроблення стружки

Дискретна подача з короткочасним періодичним зупиненням характеризується тим, що через певну відстань l, як правило, більша за величину подачі S, проводиться короткочасна зупинка інструменту протягом заданого проміжку часу t. На верстатах з ЧПУ програмування обраного виду дискретної подачі здійснюється на етапі розробки програми, що управляє. Основні недоліки цього способу пов'язані зі збільшенням шорсткості Rа обробленої поверхні та часу на обробку деталі.