РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ФРЕЗЕРНОГО РОТОРА С ПОВЫШЕННОЙ ДЕМПФИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ

DEVELOPMENT OF MILLING ROTOR CONSTRUCTION WITH HIGH DAMPING CAPACITY

Eduard Bulatasov

postgraduate Student of Orenburg State University,

Russia, Orenburg

Valery Popov

candidate of Science, Head of Food Biotechnology department, assistant professor of Orenburg State University,

Russia, Orenburg

Viktor Khanin

candidate of Science, assistant professor of Machines and Devices of Chemical and Food Production department, assistant professor of Orenburg State University,

Russia, Orenburg

АННОТАЦИЯ

Целью данной работы являлось разработка конструкции фрезерного ротора для измельчения твердых полимеров (древесины, резины и др.) с повышенной демпфирующей способностью. В результате спроектирована и изготовлена конструкция фрезерного ротора, имеющая составной корпус и демпфирующие элементы в конструкции этого корпуса, что позволяет высокоэффективно снижать действие ударных нагрузок на режущий инструмент за счет реализуемого конструкционного демпфирования и возможности регулирования жесткости фрезы путем подбора соответствующих условиям демпфирующих элементов.

ABSTRACT

The aim of this work was to develop the design of a milling rotor for grinding solid polymers (wood, rubber, etc.) with increased damping capacity. As a result, the design of the milling rotor having a composite housing and damping elements in the construction of this housing has been designed and manufactured, which makes it possible to effectively reduce the effect of impact loads on the cutting tool due to the realized constructional damping and the possibility of adjusting the rigidity of the milling cutter by matching suitable damping elements.

Ключевые слова: фрезерование, фреза, ротор, демпфирующая способность, ударные нагрузки.

Keywords: milling, milling cutter, rotor, damping capacity, shock load.

Высокоскоростная обработка материалов приводит к ударным нагрузкам различной величины [1].

При скорости деформации 10^-1 – 10⁰ с^-1 начинается ударная нагрузка, а выше 10² с^-1 происходит распространение упругопластической волны деформации. При этом процесс деформации постепенно приближается к адиабатическому процессу, за счет того, что нагрев образца, происходящий при его деформировании, перестает компенсироваться передачей тепла другим телам или окружающей среде. При скорости деформации превышающей 10⁴ с^-1 создаются условия для образования ударных волн, при этом плоское напряженное состояние, образующееся при низких скоростях деформации, переходит в плоское деформированное состояние [1].

В таблице 1 представлены значения различных скоростей деформации в зависимости от времени деформирования.

При фрезеровании материалов происходит прерывистое резание [2]. Прерывистое резание представляет собой процесс, при котором через определенные промежутки времени, составляющих секунды или доли секунды, рабочий ход инструмента (срезание стружки) чередуется с холостым. Циклические нагрузки и разгрузки контактных поверхностей при прерывистом резании влияют на стойкость режущего инструмента [2].

Таблица 1.

Деление методов испытаний в зависимости от скорости деформации [1]

Причем цикличность механических нагрузок является основной причиной снижения стойкости режущего инструмента вследствие ударных явлений, происходящих в начальный момент взаимодействия с заготовкой и являющихся основным источником возбуждения колебаний (вибраций) [3,4]. Указанное обстоятельство существенно определяет работоспособность режущего инструмента и в особенности изготовленного из твердых сплавов и минералокерамики [3].

Снижение ударных нагрузок и вибраций путем снижения скорости резания приводит к существенным потерям производительности и делает применение режущего инструмента из твердых сплавов нецелесообразным [3].

Более эффективные способы снижения ударных нагрузок и вибраций основаны на поглощении энергии колебаний за счет применения высокодемпфирующих материалов и конструкций, обеспечивающих демпфирование ударных нагрузок [3].

Применение упругих демпфирующих элементов в конструкции режущего инструмента позволяет путем уменьшения сил резания снизить ударное воздействие при врезании зуба, и тем самым уменьшить амплитуду автоколебаний, за счет того, что упругий демпфирующий элемент, обладая малой жесткостью, способен поглощать энергию удара [5-12].

Энергия волн деформации при ударном нагружении режущего инструмента может интенсивно поглощаться диссипативными границами, например, конструктивно обеспечив условия трения на поверхностях контакта элементов конструкции режущего инструмента можно достичь эффективного демпфирования ударных нагрузок [13, 14].

Но в большинстве случаев поверхности контакта в соединениях конструкций режущего инструмента неподвижны и их демпфирующее действие незначительно [6].

Специфика нагружения режущих кромок инструмента при прерывистом резании ограничивает применение наиболее твердых и износостойких, но хрупких инструментальных материалов. Особенности затупления и износа режущих кромок инструмента характеризуют односторонним действием высоких динамических нагрузок при контакте и выходе из заготовки, а также термическими напряжениями вследствие быстрого нагрева и охлаждения режущих кромок инструмента [15].

В связи с изложенным возникает необходимость создания и применения в конструкции измельчителей фрезерного типа фрезерного ротора, конструкция которого позволяет высокоэффективно демпфировать ударные нагрузки.

Такая конструкция разрабатывалась с учетом определенных в результате анализа особенностей конструкций фрезерных роторов и особенностей процесса измельчения твердых материалов данным типом режущего инструмента с характерными ударными нагрузками. В результате спроектирована и изготовлена конструкция фрезерного ротора, имеющая составной корпус и демпфирующие элементы в конструкции этого корпуса (рисунок 1, 2).

Рисунок 1. Чертеж конструкции фрезерного ротора с составным корпусом и демпфирующими элементами в конструкции корпуса

1 – корпус ротора; 2 – резцедержатель; 3 – резец; 4 – винт; 5 – клин; 6 – пружина стальная; 7 – диск

Фрезерный ротор, состоит из корпуса 1, резцедержателя 2, резцов 3, установленных с помощью крепёжных элементов 4 и 5, стальных пружин 6 и диска 7.

В качестве крепёжных элементов 4 могут быть применены винты с цилиндрической головкой, крепёжных элементов 5 – стальные клинья со сквозными резьбовыми отверстиями.

Фрезерный ротор работает следующим образом.

При вращении корпуса 1 фрезерного ротора с высокой скоростью и высоким крутящим моментом в момент встречи резца 3 с обрабатываемым материалом происходит удар, часть энергии которого передаётся через резцедержатель 2 стальным пружинам 6. При этом резцедержатель 2 смещается по цилиндрическому основанию корпуса 1 в направлении обратном вращению фрезы на некоторую величину. Далее резец 3 срезает стружку и в этот момент пружины 6 разгружаются, преобразуя свою потенциальную энергию сжатия в кинетическую энергию подвижного резцедержателя с резцами.

Рисунок 2. Фотография фрезерного ротора с составным корпусом и демпфирующими элементами в конструкции корпуса

Применяя в конструкции фрезерного ротора демпфирующие элементы различной жесткости можно изменять демпфирующую способность конструкции этого ротора, что позволяет создать лучшие условия работы для режущего инструмента и машины в целом в зависимости от физико-механических свойств перерабатываемого материала.

За счет того, что конструкция фрезерного ротора обеспечивает демпфирование ударных нагрузок в процессе высокоскоростного фрезерования материалов различной твердости, увеличивается износостойкость резцов более чем в 2 раза [15], что приводит к повышению ресурса работы режущего инструмента в целом и к уменьшению количества простоев машины при переточках резцов.

Таким образом, разработанная конструкция фрезерного ротора позволяет повысить способность конструкции воспринимать ударную нагрузку, а также увеличить износостойкость резцов и может быть использована в конструкции роторных ножниц и измельчителей фрезерного типа.

Список литературы:

1. Испытание материалов. Справочник. Под ред. Х. Блюменауэра. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1979 г. – 448 с.
2.  Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975. – 344 с.
3.  Жирков А.А. Повышение стойкости резцов управляемым импульсным воздействием при прерывистом резании. Дисс. … канд. техн. наук, Орел, 2005. – 153 с.
4.  Кремлева Л.В. Разработка динамической модели процесса резания для проектирования режущего инструмента и параметров обработки при торцовом фрезеровании. Дисс. … канд. техн. наук, М., 1998. – 132 с.
5.  Аршинов, В.А., Алексеев Г.А. Резание металлов и режущий инструмент. Изд. 3-е, перераб. и доп. Учебник для машиностроительных техникумов.  М., «Машиностроение», 1975 - 440 с.
6.  Жарков, И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом.            Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1986. – 184 с.
7.  Бреев С.В. Повышение качества обработанной поверхности при цилиндрическом фрезеровании на основе исследования напряженно-деформированного состояния зоны стружкообразования.  Дис. … канд.     техн. наук. Комсомольск-на-Амуре, 2011. – 151 с.
8.  Кривоухов, В.А., Воронов A.A. Высокочастотные вибрации резца при точении. М.: Оборонгиз, 1956. – 77 с.
9. Кумабэ, Д. Вибрационное резание. М.: Машиностроение, 1985. – 424 с.
10.  Лоладзе, Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента.    М.: Машиностроение, 1982. – 320 с.
11.  Андреев Г.С. Удар при прерывистом резании металлов. // Вестник машиностроения, № 3. 1971 – с. 65-67
12.  Андреев Г.С. Повышение работоспособности режущего инструмента при периодическом резании // Станки и инструмент, № 11. 1979. – с.31-33
13.  Я.Г. Пановко Основы прикладной теории колебаний и удара.                 Л.: Политехника, 1990. – 272 с.
14.  Конструкционное демпфирование в неподвижных соединениях / Акад. наук Латв. ССР. Ин-т автоматики и механики; Н.Г. Калинин, Ю.А. Лебедев, В.И. Лебедева и др.; под ред. чл.-кор. АН Латв. ССР проф. д-ра техн. наук Я.Г. Пановко. Рига: Изд-во Акад. наук Латв. ССР, 1960. – 170с.
15.  Коротких М.Т. Конструкционное демпфирование режущих инструментов при прерывистой обработке резанием. Современное машиностроение: наука и образование. 4-ая Международная научно-практическая конференция. / Под ред. М.М. Радкевича и А.Н. Евграфова. - СПб.: Изд-во политехн. ун-та, 2014. - С. 1140-1148