ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ТОКАРНОЙ И АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ ВАЛОВ, ОБЛИЦОВАННЫХ МЯГКОЙ РЕЗИНОЙ

АННОТАЦИЯ

Исследование особенностей стружкообразования, сил резания и износа инструмента при токарной обработке и шлифовании обрезиненных валов. Выбор конструкции резца, абразивного ленточного круга, позволяющих повысить производительность процесса обработки при сохранении качества обработанной поверхности.

Ключевые слова: обрезиненные валы; токарная обработка; режущий инструмент; мягкая резина; ленточное шлифование.

Валы с резиновым покрытием сочетают механические свойства металлического основания с виброустойчивостью, износостойкостью и другими свойствами, обеспечиваемыми резиновым покрытием.

Рисунок 1. Конструкция обрезиненных валов, применяемых в бумагоделательных машинах. 1 - обрезиненная поверхность; 2 - патрон; 3 - цапфа; 4 – карман

Повышение требований к качеству выпускаемых обрезиненных валов бумагоделательных машин и снижение себестоимости их изготовления вызывает необходимость совершенствования технологии механической обработки таких деталей.

Точение находит наиболее широкое применение при обработке по наружному диаметру обрезиненных валов в виде черновой и реже чистовой операции. Предъявляемые требования к точности токарной операции - 9-11 квалитеты, к параметрам шероховатости поверхности Rz=20-80 мкм.

Процессу резания сопутствуют те же явления, что и при резании металлов, т.е. наблюдается стружкообразование, силовые и тепловые явления, интенсивное изнашивание режущего инструмента. Причем при обработке мягкой резины происходит изнашивание инструмента более интенсивно, чем при обработке металла.

Наибольшее влияние на стойкость оказывает скорость резания, что можно объяснить возрастанием скорости трения, а, следовательно, и истирающего воздействия наполнителя на режущую кромку.

Обработка резины [1] сопровождается таким разрушением материала, которое требует незначительных энергетических затрат. При этом образуется стружка, неспособная оказывать существенное давление на переднюю поверхность инструмента. Однако, несмотря на то, что силы резания при обработке указанных материалов в среднем на порядок меньше, чем при резании металлов, сосредоточенная в поверхностном слое обрабатываемого материала температура резания, в совокупности с динамическими нагрузками, служит причиной возникновения брака: расслоений, задиров, изменения физико-механических свойств поверхностного слоя обрабатываемой детали.

Вследствие низкой теплопроводности и особенностей характера деформации и разрушения при резании резины практически все тепло из зоны обработки отводится в инструмент, вызывая повышенный нагрев режущих кромок.

Понижение температуры резания при обработке резины можно обеспечить путем уменьшения работы трения, а также снижением температуры режущего лезвия инструмента. Применение СОЖ в большинстве случаев невозможно вследствие повышенной водопоглощающей способности обрабатываемых материалов.

В многочисленных отечественных и зарубежных исследованиях [9, 10], направленных на изучение проблем повышения прочности и стойкости режущего инструмента, значительное внимание уделяется изучению тепловых явлений при резании, в том числе при ротационных видах точения. Общепризнанным является тот факт, что эффективным средством управления процессом теплообмена при лезвийной обработке является переход от схем непрерывного резания к прерывистому, кратковременному и периодическому резанию. Применение кинематических схем с прерывистым резанием позволяет снизить температуру в зоне резания, что благоприятно сказывается на повышении стойкости инструмента и производительности процесса обработки в целом.

При обработке инструментом с перемещающейся относительно своей оси режущей кромкой - ротационном резании - происходит непрерывная смена рабочих участков лезвия, находящихся в зоне резания, уменьшаются скорости трения на контактных поверхностях резца.

Дополнительному повышению стойкости ротационных инструментов способствует еще и тот факт, что при вращении резца каждый участок лезвия находится в контакте с обрабатываемой деталью лишь мгновение, и поэтому не успевает нагреться до высокой температуры, что присуще призматическим резцам.

Конструктивно наиболее успешно задача непрерывного обновления лезвия решается при использовании в качестве инструмента – чашечного резца, имеющего замкнутое режущее лезвие в виде окружности.

Высокая стойкость инструмента с круглыми вращающимися резцами обуславливается в основном следующим [2]:

а) увеличением длины активного участка режущего лезвия в среднем в 20 - 60 раз;

б) непрерывным обновлением рабочего участка режущего лезвия и периодическим охлаждением каждого участка, что улучшает условия теплоотвода в резец;

в) уменьшением сил трения на рабочих поверхностях инструмента.

На основе существующего патента [11] создан и промоделирован следующий инструмент. Ротационный чашечный резец (рис. 2) состоит из задней поверхности, выполненной на конической поверхности чашки резца. Передняя коническая поверхность является внутренней поверхностью чашки резца. На передней поверхности чашки резца сделаны специальные выемки для лучшего снятия обрабатываемого материала.

Повышение качества обработки поверхности достигается своевременным отделением стружки от поверхности детали путем ее надлома с помощью выемок, что в свою очередь снижает температуру в зоне резания и устраняет такие дефекты обработки как задиры и вырывы резины.

Рисунок 2. 3D-модель чашечного резца

Использование предложенного инструмента позволяет снизить температуру обработки в зоне резания, увеличить глубину срезаемого слоя за проход, получить необходимое качество обработанной поверхности при оптимальных режимах резания.

Для получения необходимых размеров обрезиненных валов с более жесткими допусками и меньшей шероховатостью поверхности, устранения дефектов обработки лезвийным инструментом необходима отделочная операция, в качестве которой применяется шлифование.

Основным источником тепла является работа трения, которая зависит от длины линии контакта круга с деталью. Из-за низкой теплопроводности резины тепло локализуется в зоне резания, что способствует нагреву поверхностных слоев материала и разрушению его поверхностного слоя.

Качество поверхности при шлифовании оценивается также по наличию прижогов, сколов, отслоений, микротрещин [4]. Появление прижогов ‒ первичный фактор ухудшения качества поверхности. Оно обусловлено потерей режущей способности абразивного круга, что связано в большинстве случаев с «засаливанием» его рабочей поверхности.

Результаты работы [8] и исследования, проведенные на кафедре «АМО» ИжГТУ им. М.Т. Калашникова, показывают, что производительность процесса растет пропорционально глубине t до определенного предела, за которым резко увеличиваются силы резания, тепловыделение, ухудшается шероховатость. Установлено [7], что при сохранении качества обработанной поверхности производительность шлифования можно увеличить путем удлинения дуги контакта абразивного зерна с обрабатываемой поверхностью, что достигается уменьшением жесткости опоры зерна. Эту задачу можно решить путем использования ленточного шлифования.

В абразивных лентах зерна закреплены на тканевой основе лишь в основании, что увеличивает расстояние между зернами, улучшает отвод продуктов шлифования из зоны резания, а связка не участвует в работе трения. Вершина зерна не подвержена «срезанию» в процессе правки и остается острой, что уменьшает ее трение о материал. Эффективность шлифования обуславливается и низкой трудоемкостью замены изношенной ленты и низкой себестоимостью ее изготовления при массовом производстве.

При жестком закреплении зерна его взаимодействие с обрабатываемой поверхностью носит ударный характер. Закрепление абразивного зерна на поверхности, обладающей упругими характеристиками, позволяет [6] амортизировать удар зерна о материал, уменьшить напряженность теплового потока и разновысотность режущих профилей (больше зерен работает одновременно), увеличить зону контакта абразивных зерен с обрабатываемой поверхностью, распределить нагрузку между зернами, то есть создать более благоприятный тепловой режим [5]. Подвижность зерен изменяет условия размещения и удаления стружки, способствует самоочистке круга, снижает скорость «засаливания» его рабочей поверхности.

Метод ленточного шлифования обеспечивает постоянство скорости резания, безопасность работы, отсутствие балансировки и правки.

Согласно результатам исследований, проведенных В.В. Пузановым, Г.Н. Коноваловым [3], в качестве однослойного шлифовального круга может работать диск в сочетании с абразивной лентой, что расширяет технологические возможности ленточного шлифования.

Лента, закрепленная на металлическом диске натяжным устройством, не имеет перегибов, проскальзывания и может работать с любой скоростью, что позволяет эффективно использовать преимущества скоростного шлифования. По мере износа ленты скорость резания сохраняется постоянной, тогда как износ круга приводит к уменьшению его диаметра и снижает скорость и эффективность обработки.

Использование ленты, натянутой на диск, позволяет осуществлять ленточное шлифование на обычных плоско- и круглошлифовальных станках. Отсутствует необходимость правок инструмента, что повышает производительности труда и снижает расход абразивного материала.

Интенсивность «засаливания» лент зернистостью 16...40 в несколько десятков раз меньше, чем потеря режущей способности в связи с этим явлением у абразивных кругов такой же зернистости.

Использование абразивной ленты ведет к необходимости натяжного устройства, поскольку в процессе обработки лента вытягивается, и перед контактной зоной образуется «бегущая волна». В результате этого происходит обратное изгибание ленты и снижение ее стойкость вследствие интенсивного выпадения абразивных зерен.

На основе существующего абразивного круга создан и промоделирован следующий инструмент. Сборный прерывистый ленточный шлифовальный круг (рис. 5) состоит из металлического диска, на котором выполнено посадочное отверстие и выемки, в которых на пружинах установлены натяжные элементы. На диск также установлены планки, которые имеют по две оси, выступающие неподвижными «роликами» для непрерывной ленты.

Рисунок 3. 3D-модель ленточного шлифовального круга

Применение метода ленточного шлифования обеспечивает благоприятный тепловой режим при обработке и снижает скорость «засаливания» инструмента, повышение технологических возможностей инструмента и производительности процесса шлифования вследствие простоты замены изношенной ленты. Растягивание ленты в процессе обработки устраняется натяжными элементами, которые под действием центробежной силы и силы упругости пружин радиально перемещаются от центра диска, создавая автоматическое натяжение ленты и его регулирование.

Список литературы:

1. Ковтун В.Н., Налев И.А. Токарная обработка резиновых изделий. ‒ М.: Химия. 1986. ‒ 40 с.
2. Коновалов Е.Г. и др. Прогрессивные схемы ротационного резания металлов / Е.Г. Коновалов, В.А. Сидоренко, А.В. Соусь. - Минск: Наука и техника, 1972. ‒ 272 с.
3. Коновалов Г.Н., Музафаров P.C. Пути повышения производительства и качества абразивной обработки высокопрочных сталей // Совершенствование процессов обработки металлов резанием. - Ижевск: Удмуртия, 1978. ‒ С. 40 - 43.
4. Маслов E.H. Теория шлифования металлов. ‒ М.: Машиностроение, 1974. ‒ 320 с.
5. Музафаров P.C. и др. Экспериментальные исследования тепловых явлений при шлифовании валов, облицованных мягкой резиной / Музафаров P.C., Пузанов В.В., Коновалов Г.Н. // Тез. докл. VI Всесоюзной конференции «Теплофизика технологических процессов» (Ташкент, 1984 г.). ‒ Ч. 1. ‒ С.38.
6. Пузанов В.В., Каракулова М.Л. Геометрия абразивного зерна в круге и некоторые вопросы формообразования обработанной поверхности при глубинном шлифовании // Совершенствование процессов резания и повышение точности металлорежущих станков. ‒ Ижевск.: Удмуртия, 1972. ‒ С. 3 -17.
7. Пузанов В.В., Коновалов Т.Н. Исследование жесткости опоры абразивного зерна в ленте, натянутой на металлический круг // Совершенствование процессов обработки металлов резанием. ‒ Ижевск.: Удмуртия, 1975. ‒ С. 3 - 12.
8. Пузанов В.В., Коновалов Г.Н. Шлифование абразивной лентой, натянутой на диск // Станки и инструменты, 1976. ‒ № 9. ‒ С. 22 - 23.
9. Резников А.Н., Резников JI.A. Тепловые процессы в технологических системах. М.: Машиностроение. 1990. ‒ 288 с.
10. Sasahara H. et al. High-speed rotary cutting of difficult-to-cut materials on multitasking lathe //International journal of machine tools and manufacture. ‒ 2008. ‒ Т. 48. ‒ №. 7. ‒ С. 841-850.
11. Патент РФ № 2010105018/22, 2010.02.12