Экспериментальное определение уравнения для расчета оптимальных скоростей обработки точением тонкостенных алюминиевых деталей

В статье [1] рассмотрена проблема подбора технологических условий для обработки тонкостенных деталей из алюминиевых сплавов. Показано, что возникающие остаточные напряжения при получении заготовок и их дальнейшей механической обработке приводят к нежелательным и недопустимым изменениям размеров и формы деталей. Поэтому целесообразно использовать оптимальные режимы резания, на которых значение сил резания минимально, а значит и минимальны остаточные напряжения и деформации деталей.

Для изготовления деталей, подвергающихся короблению, часто используется дюралюминиевый сплав Д16Т. С использованием графоаналитического метода профессора Силина С. С. [2], можно получить уравнение обрабатываемости для расчета оптимальной скорости резания при точении для сочетания материалов инструмента и заготовки ВК8-Д16Т следующего вида:

,                                                                                                  (1)

где а₁– толщина среза, м; t, S – соответственно глубина резания и подача, м; а – температуропроводность обрабатываемого материала, м²/с; сρ – удельная объемная теплоемкость обрабатываемого материала, Дж/(м³ · с · град.).

Использование зависимости (1) для расчета оптимальных режимов обработки не совсем корректно, т. к. на практике обработка детали выполняется инструментами зарубежных фирм Iscar, Sandvik Coromant и др., поэтому данную зависимость необходимо преобразовать с учетом особенностей современных режущих инструментов. Современные режущие инструменты отличаются от использованных ранее в 70-х, 80-х годах прошлого века наличием стружколомающих поверхностей, износостойких покрытий с низкими коэффициентами трения, новой геометрией режущего клина, маркой твердого сплава и др. Для учета особенностей современной твердосплавной пластины, например IC907 SNMG120408-TF, необходимо получить уточненное уравнение для расчета минимальной стабилизированной силы резания при оптимальной температуре в зоне резания в следующем виде:

Pz_min = k_п ·682·S^0,71 ·t^0,94                                                                                                              (2)

Для определения коэффициента k_п в уравнении (2) необходимо выполнить ряд экспериментальных работ. Произведена токарная обработка тонкостенной алюминиевой заготовки, показанной на рисунке 1.

Рисунок 1. Обрабатываемая кольцевая заготовка

Обработка заготовки производилась на универсальном токарно-винторезном станке NH 22. Составляющие силы резания Pz, Ру и Рх регистрировались универсальным динамометром УДМ–600, подключенным посредством 10-разрядного аналого-цифрового преобразователя к ПЭВМ. Это позволило существенно снизить погрешности измерения и упростить дальнейшую статистическую обработку результатов. Для определения температуры резания измерялась термо-ЭДС естественной термопары заготовка-резец, образующейся в процессе резания. На рисунке 2 представлена установка для проведения экспериментов с приспособлением для закрепления кольцевых заготовок.

Экспериментальные исследования проводились в два этапа. На первом этапе выполнялась токарная обработка кольцевых заготовок на заводских режимах резания инструментами из твердого сплава ВК8, IC907 и IC20 (без покрытия). Цель эксперимента – получить значение поправочного коэффициента k_п для уравнения (2). Режимные параметры обработки и результаты экспериментов приведены в таблице 1.

Рисунок 2. Экспериментальная установка на базе токарного станка NH 22

На втором этапе исследования по уравнению (1), в котором учтено влияние твердосплавного инструмента из сплава IC907 по сравнению с инструментом из сплава ВК8 была определена оптимальная скорость для инструмента из сплава IC907.

Таблица 1.

Результаты экспериментов

Затем одна заготовка из алюминиевого сплава была обработана инструментом из твердого сплава IC907 на скорости v = 4,4 м/с, применяемой в заводском технологическом процессе, а другая заготовка из алюминиевого сплава была обработана на оптимальной скорости v_О = 5,6 м/с, рассчитанной по уравнению обрабатываемости (1).

Результаты экспериментов по обработке заготовок резанием показали следующее:

1) Тангенциальная составляющая силы резания Pz при обработке материала инструментом из сплава IC907 снижается на 26% по сравнению с инструментальным сплавом ВК8 при прочих равных условиях, что дает возможность использовать поправочный коэффициент k_п = 0,74  в полученном уравнении обрабатываемости. Уравнение обрабатываемости для сочетания Д16Т– IC907 имеет следующий вид:

                                                                                                   (3)

2) составляющие силы резания при обработке материала инструментом из сплава IC907 ниже сил резания на 30-50% по сравнению с обработкой сплавом IC20 (без покрытия) при прочих равных условиях.

Выводы

1. Тангенциальная составляющая силы резания Pz при обработке заготовки инструментом из сплава IC907 снижается на 26% по сравнению с инструментальным сплавом ВК8 при прочих равных условиях, составляющие силы резания при обработке заготовки инструментом из сплава IC907 ниже сил резания на 30-50% по сравнению с обработкой сплавом IC20 (без покрытия) при прочих равных условиях.

2. Оптимальная скорость резания, определенная расчетным путем по полученному уравнению обрабатываемости выше скорости резания, назначенной в заводском технологическом процессе, что обеспечивает повышение производительности обработки при одновременном повышении стойкости режущего инструмента.