УДК 621.9.02

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ РОТОРНЫХ РЕЖУЩИХ ГОЛОВОК

,

Приводятся направления проектирования конструкций роторных режущих головок, сравнительный анализ достоинств и недостатков разработанных экспериментальных конструкций, расчет эксплуатационных характеристик и результаты испытаний изготовленных конструкций.

резание, роторные головки, анализ, проектирование, расчет, исследование

Несмотря на большое разнообразие описанных в литературе и патентных документах конструкций роторных инструментов, до сих пор остается практически нерешенной важнейшая задача создания для разных видов обработки (точения, фрезерования, растачивания и т. п.) универсальных конструкций роторных режущих головок – достаточно простых, надежных в работе и пригодных к широкому промышленному освоению.

Выбор направления проектирования конструкций роторных режущих головок проводился на основе анализа достоинств и недостатков существующих принципиальных схем ротационного резания [1]. Наибольшее внимание при проектировании было уделено созданию достаточно мощных и жестких опорных подшипниковых узлов как основной базы обеспечения устойчивой работы инструмента. Проработаны варианты опор с использованием подшипников скольжения, качения и комбинированных (подшипники скольжения – подшипники качения). При конструировании опор качения использованы в основном роликовые и игольчатые подшипники, а также их комбинации. Шариковые подшипники из-за их недостаточной вибростойкости предусмотрены только в некоторых осевых опорах головок. При конструировании подшипниковых узлов скольжения предусмотрена возможность использования как традиционных антифрикционных материалов, так и современных, самосмазывающихся – на базе пластиков и металлокерамики. Принципиальная пригодность таких материалов для упрощения конструкций и эксплуатации роторных инструментов требует серьезной экспериментальной проверки. Для проведения соответствующих испытаний были разработаны специальные конструкции роторных головок.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Сравнительный анализ достоинств и недостатков разработанных экспериментальных конструкций роторных головок приведен в табл. 1.

Таблица 1. Анализ достоинств и недостатков экспериментальных конструкций роторных головок

№ п/п

Конструкция головки

Достоинства

Недостатки

1

2

3

4

1

Радиальный игольчатый, радиально-упорный конический и упорный шариковый подшипники

Высокая жесткость, компактность по диаметру, простота заточки и переточек режущего элемента

Нетехнологичность изготовления корпуса головки, увеличенный габарит по длине

2

Два радиально-упорных конических подшипника, обращенных друг к другу внутренними кольцами

Простота изготовления, компактность по длине

Нерациональная по требованиям жесткости схема расположения подшипников, сложность заточки и переточек режущего элемента

3

Два радиально-упорных конических подшипника, обращенных друг к другу внешними кольцами

Высокая жесткость, компактность по длине

Нетехнологичность изготовления

4

Два радиально-упорных конических подшипника с упорным буртом на внешней обойме, обращенных друг к другу внешними кольцами

Высокая жесткость, компактность по длине, достаточная технологичность изготовления

Использование дефицитных подшипников с буртами на наружной обойме

5

Радиальный игольчатый подшипник без внутреннего кольца и два упорных шариковых подшипника

Высокая жесткость, компактность по диаметру, максимальная простота заточки и переточек режущего элемента

Нетехнологичность конструкций корпуса и шпинделя головки, увеличенные габариты по длине.

6

Два радиально-упорных конических подшипника разного диаметра, обращенных друг к другу внешними кольцами

Высокая жесткость, компактность по длине, достаточная технологичность изготовления

Сложность конструкции, сложность заточки и переточек режущего элемента

Продолжение табл. 1

1

2

3

4

7

Радиально-упорный бронзовый подшипник скольжения и упорный шариковый

Компактность по диаметру, простота заточки и переточек режущего элемента

Сложность эксплуатации из-за необходимости подачи смазки в подшипники, сложность конструкции

8

Два радиально-упорных подшипника скольжения в виде втулки упорным буртом, материал подшипника - Флувис ДМ–7,5

Максимальная простота изготовления, минимальные габариты, простота заточки и переточек режущего элемента

Недостаточно исследованы возможности по требованиям жесткости и долговечности материала втулок подшипников

9

Два радиально-упорных подшипника скольжения в виде втулки упорным буртом, материал подшипника - металлофторопласт, фенопласт

Максимальная простота изготовления, минимальные габариты, простота заточки и переточек режущего элемента

Недостаточно исследованы возможности по требованиям жесткости и долговечности материала втулок подшипников

10

Два радиально-упорных подшипника скольжения в виде втулки упорным буртом, материал подшипника - металлокерамика

Максимальная простота изготовления, минимальные габариты, простота заточки и переточек режущего элемента

Недостаточно исследованы возможности по требованиям жесткости и долговечности материала втулок подшипников

Выбор рациональных конструкций головок для изготовления производился методом экспертной оценки по следующим критериям:

- максимальная жесткость при минимальных габаритных размерах;

- минимальный вылет режущего элемента при установке на станке;

- технологичность изготовления и сборки;

- простота заточки и переточки режущих элементов.

На базе анализа табл. 1 по критериям экспертной оценки были выбраны для изготовления наиболее рациональные конструкции головок № 1 – 4,8,9,10 с различными опорными подшипниковыми узлами.

Для отобранных конструкций был проведен расчет эксплуатационных характеристик подшипникового узла. Результаты расчета опорных узлов на подшипниках качения представлены в табл. 2, а на подшипниках скольжения – в табл. 3.

Таблица 2. Эксплуатационные характеристики опорных узлов на подшипниках качения

Номер конструкции головки

Обозначение подшипников

Выполнение условия Р≤0,5×С

Расчетный ресурс, ч.

макс. нагруз.

ном. нагруз.

1

2

3

4

5

1

1. 244905

2. 7202

3. 8102

Выполняется

115

1840

2

1. 2007104А

2. 2007104А

Выполняется

15

302

3

1. 2007105А

2. 2007105А

Выполняется

579

11672

4

1. 67204А

2. 67204А

Выполняется

982

19796

Таблица 3. Эксплуатационные характеристики опорных узлов на подшипниках скольжения

Номер конструкции головки

Материал подшипника

p×v, МПа×м/с

макс. нагруз.

ном. нагруз.

8

ФЛУВИС ДМ – 7, 5

90,3

22,6

9

Фторопласт

Фенопласт

75,3

18,8

10

Металлокерамика

70,1

17,5

Был проведен ряд испытаний изготовленных роторных головок с целью определения их принципиальной работоспособности и сравнения их возможностей обеспечения высокого качества обработанных поверхностей.

Испытания производились на токарно-винторезном станке мод. 16К25. В качестве образцов для испытаний использовались заготовки из стали 45 диаметром D = 100 мм и длиной L = 480мм, которые устанавливались в патроне и поддерживались центром задней бабки станка. На образцах протачивались шейки длиной l = 30–40мм. Обработка шеек производилась разными роторными головками на следующих режимах: частота вращения шпинделя nшп = 630 –1600 об/мин; подача S = 0,3 – 1,2мм/об; глубина резания t = 0,15 – 0,50мм. Анализировали следующие характеристики процесса: устойчивость вращения режущих элементов головок (определялась с помощью тахометра мод. ИО – 30); наличие вибраций технологической системы, повышающих уровень волнистости обработанных поверхностей образцов (определялось визуально); полученную шероховатость обработанных поверхностей образцов (измерялась на профилометре мод. 296).

Установлено, что все изготовленные и испытанные конструкции роторных головок, выполненные как на подшипниках качения, так и на подшипниках скольжения, обеспечивают устойчивое равномерное вращение режущих элементов от взаимодействия с обрабатываемой заготовкой.

Существенных вибраций технологической системы, повышающих уровень волнистости обработанных поверхностей образцов, в процессе испытания различных роторных головок не наблюдалось.

Все отобранные и изготовленные конструкции роторных головок обеспечивают шероховатость поверхностей, обработанных на указанных выше режимах, в пределах Ra ≤ 1.25 мкм, что существенно ниже, чем при обработке традиционными лезвийными инструментами.

Кроме того, было проведено экспериментальное исследование жесткости изготовленных образцов, существенно влияющей на точность и качество обработки.

Жесткость головок определялась путем замера величины радиального смещения режущей кромки лезвия при приложении радиальной нагрузки силой Р=250 Н, Р=500 Н, Р=750 Н, Р=1000 Н.

Для проведения исследования режущая головка вместе с соответствующей державкой устанавливалась и зажималась в патроне токарно-винторезного станка мод. 16Б25ПСп.

Радиальные смещения кромки определялись с помощью магнитной индикаторной стойки, снабженной индикаторной головкой часового типа ИЧ-10. Стойка устанавливалась на станине станка. Для устранения погрешностей, вносимых другими элементами используемой технологической системы, в каждом эксперименте нагрузка прилагалась последовательно к режущей кромке головки и державке. Величина радиального смещения определялась как разность показаний индикатора при нагружении головки и державки. Каждый из экспериментов повторялся 3 раза, после чего определялось среднее значение отклонения.

В качестве контрольного образца исследовалась жесткость головки № 11 с внутренними опорами качения, спроектированная ранее на конических радиально-упорных подшипниках.

Графики зависимостей, характеризующих жесткость различных конструкций роторных головок, приведены на рисунке.

По результатам проведенного исследования установлено следующее:

- жесткость головок с опорами качения, выполненными на радиально-упорных конических подшипниках, существенно выше, чем у головок с опорами скольжения, а также чем у головок с радиальными игольчатыми подшипниками;

- наивысшую жесткость из всех исследованных конструкций имеет головка, оснащенная радиально-упорными коническими роликоподшипниками с буртами на их наружных обоймах;

- среди головок на опорах скольжения несколько большая жесткость наблюдается у подшипников, выполненных из металлокерамики;

- жесткость контрольного образца головки с внутренними опорами качения сопоставима с конструкциями, выполненными на наружных опорах скольжения, и существенно уступает разработанным конструкциям головок на наружных опорах качения.

Рис. Графики зависимости радиального смещения r от приложенной нагрузки Р

список литературы

1. Гик и проектирование роторных инструментов/ , // Известия КГТУ.- 2006. - №9.- С. 103-107.

2. Гик резание металлов / . – Калининград: Кн. изд-во, 1990.-254 с.

3. Machining of materials efficiency increasing method by alteration of traditional high-speed contact interaction principle of the Tool / , В. Осташевичус // Metal cutting and high speed machining. Metz, France. 2001.

4. Surface properties of a workpiece after rotary turning / , // Metal cutting and high speed machining. Darmstadt. Germany. 2003.

THE DEVELOPMENT OF THE ROTARY CUTTING HEADS CONSTRUKTIONS

L. Guik, D. Shurygin

In the article the lines of rotary cutting heads design, comparative analysis of experimental constructions merits and demerits, performance specifications calculation and experimental results are given.