АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ СТРУЖКОДРОБЛЕНИЯ

​ANALYSIS OF EXISTING CHIP CRUSHING METHODS

Andrey Fokichev

student, Department of Mechanical Engineering, Saint Petersburg Mining University,

Russia, Saint Petersburg

АННОТАЦИЯ

В данной работе представлен анализ существующих методов, которые направлены на совершенствование процесса механической обработки и обеспечения стабильного дробления стружки.

ABSTRACT

This paper presents an analysis of existing methods that are aimed at improving the machining process and ensuring stable chip crushing.

Ключевые слова: дробление стружки; пластическая деформация; сливная стружка, обработка резанием.

Keywords: chip crushing; plastic deformation; drain chips, cutting processing.

Повышение эксплуатационных свойств деталей машин следует рассматривать как весьма актуальную задачу, которая требует своего развития как для общего, так и для горного машиностроения, при этом в последние годы происходит существенное повышение мощности используемого в карьерах и шахтах горно-добывающего, транспортного и обогатительного оборудования, высокопроизводительных комплексных агрегатов, что сопровождается их эксплуатацией в условиях повышенных вибраций и нагрузок [2, c. 70].

Любой процесс изготовления ответственных изделий в обрабатывающем комплексе связан с возникновением дефектов, которые снижают надежность конструкций [3, c. 915]. В современном машиностроении все чаще сталкиваются с проблемой образованием сливной стружки, что в свою очередь приводит к неэффективному использованию автоматизированного технологического оборудования. Однако, существуют методы, которые дают возможность управлять процессом дробления сливной стружки. Существует множество разнообразных методов, которые будут рассмотрены в данной работе.

Необходимо принять комплексный подход к обеспечению динамической устойчивости технологической системы обработки, основанный на применении новых методов, позволяющих снизить самопроизвольный процесс обработки за счет удаления нароста с режущей кромки инструмента и обеспечить технологический контроль возникновения и уровня вибрации обрабатываемой детали [4. c. 1].

Выделяют методы, основанные на кинематическом (прерывистом) и некинематическом (непрерывном) методах. Некинематический метод основан на непосредственном воздействии на сходящую стружку и не касается кинематических параметров процесса резания.  Кинематический же метод основан на том, что на обычный процесс резания накладываются колебания либо на сам инструмент, либо на заготовку

К одной группе методов относятся методы, связанные с различными видами вибраций. Вибрационное резание по сравнению с обычным имеет следующие преимущества обеспечивает устойчивое дробление стружки на отдельные элементы, снижает сопротивление металла деформированию и эффективную мощность резания. При вибрационном резании не образуются нарост на режущем инструменте и заусенцы на обработанной поверхности, однако в некоторых случаях стойкость инструмента несколько снижается [11, с.274].

Метод осциллирующего точения позволяет получить стружку меньшей длины по сравнению с методом дискретного точения. При этом методе точения на постоянную подачу накладывается дополнительное возвратно-поступательное движение режущего инструмента. Стружкодробление будет осуществляться при отношении числа колебаний инструмента f к частоте вращения шпинделя и, не равном целому числу, т. е. основным условием стружкодробления при осциллирующем точении является периодическое прохождение истинного значения подачи через нуль.

Рисунок 1. Классификация средств управления стружкой

Непосредственное воздействие на сходящую стружку.

Данный метод позволяет отводить стружку из зоны резания, не влияя на ее форму и механические свойства. Данный метод реализуется с помощью правильной компоновки узлов станка. Особенностью таких станков является вертикальная станина, что обеспечивает безопасный сход стружки, которая сразу попадает в стружкоприемник. Однако данный метод применяется редко, ведь для его реализации необходимы специальные бункеры для сбора стружки, что увеличивает площадь рядом со станком.

Существуют устройства, позволяющие дробить, сходящую в процессе резания стружку, и делятся они на 2 вида: механическое воздействие (использование стальных рифленых роликов) и физичемское – электроискровой разряд создает интенсивное тепловое воздействие, пережигая стружку. Процесс стружкодробления стабилен, однако сложность конструкции ограничивает области их применения.

Некинематический метод дробления стружки.

Данный метод осуществляется созданием условий для изменения механических свойств и возникновение дополнительных местных напряжений в сечении стружки при неизменных кинематических параметрах процесса резания, а также оказание механического и физического воздействия на процесс образования стружки.

Подбор специальных режимов резания, создание специальных марок сталей и сплавов для заготовок, их термическая обработка, все это создает условия для дробления стружки. Этот метод довольно широко распространен, однако он оказывает значительное влияние на стойкость резцов. Также не всегда обеспечивается стружкодробление при обработке высокопрочных, жаропрочных и пластичных сплавов.

Существует 3 способа дробления стружки. Первый способ основан на изменении геометрии резцов. Дробление сливной стружки и завивание ее в винтовую спираль могут осуществляться путем придания передней грани резца криволинейной формы (двойной угол, выкружки, порожки круглые, секторные и продольные лунки, отрицательные фаски на главной и вспомога­тельной режущих кромках), а также устройства на передней грани резца порогов, постоянных или регулируемых. Резцы с криволинейной формой передней грани (канавки различного профиля) и порожки. Принцип дробления и завивания ленточной стружки состоит в следующем: сливная стружка, скользящая по передней поверхности резца, попадая в канавку, как бы повторяет ее форму (обтекает профиль канавки) и, отклоняемая канавкой, завивается в кольцо. Если кольцо не встречает какого-либо препятствия свободному движению, то стружка завивается в непрерывную спираль. При упоре завитка стружки в препятствие (деталь, резец и т. д.) она дробится на отдельные элементы. Однако такие резцы применяются в узком диапазоне режимов резания и обрабатываемых материалов. Существует еще проблема появления микротрещин в резце, что приводит к ослаблению режущей кромки и уменьшению стойкости резца.

Вторая группа состоит из стружкозавивающих и стружколомающих устройств. Они вызывают деформацию сходящей стружки, являясь препятствием на пути стружки. Основной недостаток - нестабильный характер стружки, который зависит от колебаний припуска, твердости материала и затупления резца.

Третья группа основывается на на опережающей пластической деформации обрабатываемой поверхности. На поверхность наносят предварительно риски, которые ослабляют сечение стружки и в данном месте происходит дробление стружки.

Однако общим недостатком некинематических методов является малая область применения.

Вибрационные методы.

Разделяют на 2 типа: резание с высокочастотными вибрациями (осциллирующее) и резание с вибрациями малой частоты и негармонического вида (дискретное). Дробление стружки происходит за счет остановки резца и наложения дополнительного колебательного движения на резец или заготовку

Метод стружкодробления, основанный на периодическом выходе резца из зоны резания.

Метод осуществляется при выходе резца из зоны резания и осуществляется при помощи:

• обработка чашечными резцами, когда дробление стружки происходит благодаря повороту резца под действием сил резания;
• смещение оси вращения заготовки (установка с боем), при этом во время обработки резец снимает неравномерный припуск.

Однако данный способ применим не везде, поэтому широкое распространение получил метод дискретной подачи. Осуществляется с помощью вырезов на кулачках механизма подачи или с помощью прерывателя. Следующим способ является способ наложения дополнительных колебаний движений резца негармонического вида, при котором резцовому суппорту перемещающегося с постоянной основной подачей s₀, сообщается дополнительное перемещение от кулачка с переменно направленной подачей Δs и s_обр.

Использование гармонических колебаний для дробления стружки в процессе резания.

Данный метод является одним из способов кинематического метода дробления стружки для различных материалов и режимов резания. На обычную схему резания накладывают дополнительные вибрации синусоидального характера либо инструмента, либо заготовки, что меняет кинематическую картину и физические параметры процесса резания. Различают 3 вида вибраций: вибрации в направлении вспомогательного движения, т.е. вибрации по оси Х, в направлении подачи - осевые вибрации; вибрации в направлении, перпендикулярном направлению главному и вспомогательному движений, т.е. вибрации по оси Y - радиальные вибрации; вибрации в направлении главного движения, т.е. вибрации по оси Z - тангенциальные вибрации. Наиболее успешные результаты были получены при использовании осевых вибраций, которые также обеспечивают хорошую шероховатость поверхности, точность обработки и стойкость инструмента.

Вибрации создаются при помощи собственных источников колебаний, что позволяет регулировать режимы вибрации, однако эти устройства являются очень сложными.

Однако существует возможность использования автоколебаний, создаваемых в процессе резания. Его можно получить благодаря правильному подбору режимов резания, геометрии режущего инструмента при данной упругой системе станок – деталь – инструмент без установки специальных устройств, обеспечивающих автоколебательный процесс необходимой интенсивности и направления, либо рациональным изменением в упругой системе станок – деталь – инструмент за счет постановки специальных устройств, обеспечивающих возбуждение нужных автоколебаний.

Общий недостаток данных методов – это сами вибрации, которые отрицательно влияют на всю систему обработки и качество, получаемой поверхности.

Изменение структуры поверхностного слоя материала для обеспечения процесса стружкодробления.

Основное отличие данного метода состоит в том, что процесс обработки проходит при обычных режимах резания. Данный метод осуществляется с вибрациями малой частоты и негармонического вида. Характер воздействия носит глобальный либо локальный характер.

Глобальное воздействие заключается в способ растяжения заготовки по концевым сечениям с целью создания в поверхностном слое напряжений, растяжение осуществляется с помощью приложения силы к одному из концевых сечений, либо с помощью сил инерции (под действием прикрепленных к ее концу уравновешенных масс). Однако данный способ имеет некоторые недостатки, связанные с узкой сферой применения и проектированием специальной оснастки.

Локальное воздействие на заготовку осуществляется с помощью нанесения стружкоразделительных канавок, которые наносят до процесса обработки заготовки. Во время процесса резания, резец проходит канавку, толщина которой несколько меньше, из-за разности напряжений и различного угла сдвига стружки происходит ее дробление. Метод нанесения локального воздействия посредствам лезвийного инструмента эффективен, но имеет недостатки: дополнительное время на обработку канавки, снижение производительности труда, при получении канавок резцом в качестве отходов получается сливная стружка; глубина канавки не должна превышать величину снимаемого припуска с обрабатываемой заготовки.

Метод предварительного локального воздействия.

При локальном пластическом воздействии на материал обрабатываемой заготовки происходит изменение механических свойств обрабатываемого материала: предела текучести σ_т, предела прочности условного σ_E, истинного S_к, относительного удлинения δ, коэффициента упрочнения k_n. Это воздействие на технологическую систему обуславливает периодическое изменение ее параметров [6, c. 448].

Локальное воздействие может быть оказано различными способами, одним из них является способ нагрева поверхностного слоя выше температуры фазового перехода. После нагрева структура локальной зоны, подвергшейся воздействию, будет обладать отличными от основного металла физико-механическими свойствами. Создание неоднородной структуры ведет к изменению условий резания, в сравнении с исходным материалом. Реализация данного метода выполняется с помощью плазменной газовой горелки. Однако, данный метод имеет значительные недостатки: низкая точность получения необходимой глубины; невозможность измерения и регулирования температуры в процессе нагрева; возможность обработки только материалов, подверженных закаливанию [7. c.67].

Помимо термического метода существует также метод предварительного пластического деформирования. Сущностью данного метода является появление локальной неоднородности, другими словами пластическая деформация сосредоточивается в отдельных определенных местах очага деформации. Создаются зоны локального поверхностного пластического деформирования, которые в свою очередь создают необходимые параметры наклепа для каждого из видов механической обработки, для последующего съема упрочненного слоя металла в виде стружки. Для осуществления данного метода локального воздействия создано устройство – устройство для создания предварительного локального пластического деформирования, однако недостатком данного инструмента является низкая точность контроля обкатывающей силы и как следствие неравномерность создания деформирующей зоны [8. c. 3].

Существует еще один способ получения локальной метастабильной зоны с помощью индукционного нагрева, однако следует использовать не обычный индуктор с большим количеством витков, а индуктор с малым количеством витков и большим расстоянием между витками, это позволит получить локальное термическое воздействие, а не объемное. Такой подход позволит получить заготовку, закаленную локально, что обеспечит эффективный процесс стружкодробления, с минимальным, по сравнению со сплошной закалкой, износом инструмента.

Такой подход позволит получить заготовку, закаленную локально, что обеспечит эффективный процесс стружкодробления, с минимальным, по сравнению со сплошной заколкой, износом инструмента. Преимуществами индукционного нагрева является: регулируемая глубина закаленного слоя, которая определяется по формуле (1); высокая производительность процесса, высокие скорости охлаждения, нагрев поверхностных слоев, гарантирующий минимальные энергетические затраты, обеспечение поточности производства [5, с. 101].

Поверхностный эффект является основой метода индукционного нагрева, в особенности при поверхностной закалке. Он выражается в неравномерном распределении тока по сечению проводника, при котором наибольшая плотность тока наблюдается у одной из поверхностей проводника [10. c. 7].

К недостаткам стоит отнести: высокую стоимость индуктора и малую применимость в условиях единичного производства, коробление при закалке.

                                                                          (1)

 — глубина закаленного слоя;

 — угловая частота;

,  — частота тока;

 — магнитная проницаемость Гн/м;

 — удельная электропроводность материала, Ом^-1.

При обработке траектория инструмента (Рис. 2) будет пересекаться с зонами локального термического воздействия, в результате произойдет сегментация стружки в данной точке, а инструмент продолжит свое движение пересекаясь с линией термического воздействия, что будет приводить к сегментации раз за разом, а это в свою очередь не позволит образовываться сливной стружке.

Рисунок 2. Схема термического воздействия и обработки заготовки

Таким образом, с помощью индуктора электромагнитная энергия, а, следовательно, и выделение теплоты концентрируются в заданной области. Индуктированный ток сосредоточивается в полосе, ширина которой близка к ширине индуктора. Соответственно этому и ширина нагретой полосы также мало отличается от ширины индуктора [9 c. 4].

Заключение.

В данной статье были рассмотрены основные методы дробления и сегментации стружки, используемые в современном машиностроении. Все вышеперечисленные способы позволяют дробить стружку, однако многие из них имеют узкую область применения, что накладывает определенные ограничения по использованию данных методов. Однако, был выделен один из новых и перспективных методов локального термического воздействия с помощью индуктора. Данный метод является новым и требует дополнительного изучения, создания виртуальной модели и проведения экспериментов, которые смогут продемонстрировать эффективность данного метода, его применяемость в условиях производства, а также выявление преимуществ и недостатков по сравнению с другими методами локального воздействия.

Список литературы:

1. Maksarov V. V., Makhov V. E. Reduction of defects in the process of formation of precision surfaces of titanium alloy products / Journal of Physics: Conference Series, № 1661, Т 1, 2020. С 1 - 7.
2. Olt J. J., Maksarov V. V. , Krasnyy V. A. Study of bearing units wear resistance of engines career dump trucks, working in fretting corrosion conditions / Journal of Mining Institute, № 235, 2019. pp. 70 - 77.
3. Olt J. J., Maksarov V. V. , Makhov V. E. Intelligence Systems for Quality Assessment of Threaded Surfaces and Flaw Monitoring Based on Digital Light Field Recording / Russian Journal of Nondestructive Testing, № 11, Т 56, 2020. pp. 915 - 926.
4. Vasilkov D. Dynamic System Stability when Machining with Cutter / D. Vasilkov, A. Nikitin, V. Cherdakova // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2018, V 194, pp. 022045 – 022045.
5. Гордиенко А.И., Гурченко П.С., Михлюк А.И., Вегера И.И. Обработка изделий машиностроения с применением индукционного нагрева. – Минск: Белар. навука. – 2013. – 287 с.
6. Максаров В.В. Динамическая стабилизация процесса резания на основе локальной метастабильности в управляемых робототехнических комплексах на станках с ЧПУ / В.В.Максаров, Ю.Ольт // Записки Горного института. 2017. Т. 226. С. 446-451.
7. Максаров В.В. Повышение эффективности технологического процесса изготовления гидроцилиндров горного оборудования с применением предварительного локального термического воздействия / В.В. Максаров, Д.Ю. Тимофеев, А.Е. Ефимов // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2016, № 9. С. 65-73.
8. Патент РФ № 177001, 06.02.2018 Максаров В. В., Кошелева Е. В., Важенин А. Ю., Голиков Т. С. Устройство для создания предварительного локального пластического деформирования. Бюл. № 4.
9. Слухоцкий А. Е., Рыскин С. Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л., «Энергия», 1974. 264 с. с ил.
10. Слухоцкий А. Е. Индукторы/Под ред. А. Н. Шамова - 5-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. 69 с.: ил.- (Б-чка высокочастотника-термиста; Вып. 12).
11. Технология конструкционных материалов. Учебник для машиностроительных специальностей вузов/А. М. Дальский, И. А. Арутюнова, Т. М. Барсукова и др.; Под общ. peд А. М. Дальского, – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1985. – 448 с., ил.