УДК 691.91.01

Чистовое фрезерование труднодоступных поверхностей корпусных деталей из труднообрабатываемых материалов

Меньшов Александр Леонидович – кандидат технических наук, доцент Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова

Аннотация: В статье рассматриваются проблемы при чистовом фрезеровании труднодоступных поверхностей корпусных деталей из труднообрабатываемых материалов. Применяемый стандартный инструмент обладает малой жесткостью и низкими диссипативными свойствами, что приводит к возникновению вибраций, часто имеющих автоколебательный характер, которые в свою очередь ухудшают качество обработанной поверхности и снижают стойкость инструмента. В статье приведен пример разработанного специального режущего и вспомогательного инструмента, в котором реализованы два метода борьбы с вибрациями: повышение внутренней виброзащиты и виброизоляция.

Ключевые слова: виброизоляция, повышение внутренней виброзащиты, автоколебания, труднодоступные поверхности, чистовое фрезерование, труднообрабатываемые материалы.

Получение заданных точности и качества при чистовом фрезеровании труднодоступных поверхностей корпусных деталей из труднообрабатываемых материалов связано с рядом трудностей. Такие детали имеют глубокие карманы, узкие пазы, высокие стенки с сопряжениями под различными углами и всевозможные выборки для облегчения конструкции. Для обработки труднодоступных поверхностей таких деталей обычно применяют специальные удлиненные концевые фрезы, которые из-за своей малой жесткости и низких диссипативных свойств, определяемых в основном внутренним трением в материале фрезы, не обеспечивают высоких режимов резания.

Реальные методы повышения производительности фрезерования деталей такого типа следует искать в направлении совершенствования виброзащиты инструментальных систем [1, 2].

Основным источником вибраций при фрезеровании является зона резания. Физико- механические процессы, происходящие в ней и обусловленные взаимодействием резцов с деталью, приводят к вибрациям всех звеньев технологической системы.

При чистовом фрезеровании концевыми фрезами, как правило, резание основную часть времени не происходит, а в оставшееся время в работе находится только один резец. Это приводит к увеличению динамичности процесса, возникает опасность подхватывания фрезы из-за низкой жесткости инструмента.

Динамичность концевого фрезерования при чистовой обработке можно уменьшить, если применять инструмент с повышенным числом резцов.

Другим путем повышения виброустойчивости инструментальной системы с концевой фрезой является реализация метода виброизоляции. Виброизоляция предусматривает уменьшение импульса ударного воздействия, возникающего при входе резца в зону резания. Виброизолирующий элемент должен ослаблять связь между источником вибраций (зоной резания) и объектом (инструментальной системой).

Еще одним эффективным путем повышения производительности чистового фрезерования труднодоступных поверхностей корпусных деталей из труднообрабатываемых материалов является повышение внутренней виброзащиты. Повышение внутренней виброзащиты инструментальных систем реализуется путем применения сборных конструкций инструмента, использованием для изготовления компонентов инструментальной системы материалов с высоким коэффициентом внутреннего трения, встраиванием демпферов трения.

На рис. 6 представлена инструментальная система, в которой реализованы указанные выше методы. Она позволяет в режиме концевого фрезерования производить обработку стенок или ребер высотой до 400 мм. Диаметр фрезы ограничивается обрабатываемыми радиусами сопряжения. Фреза 5, выполненная с внутренним конусом 1:12, наворачивается на конец тяги 1. При вращении винт 2 воздействует через клин 3 на клин 4, который упираясь в упругое кольцо 7, упруго деформируясь, накапливает потенциальную энергию. Вибрации при фрезеровании приводят к уменьшению эффективных коэффициентов трения на площадках контакта деталей конструкции. Их первоначальное статическое равновесие нарушается и кольцо 7, воздействуя на клинья 3 и 4, обеспечивает за счет дополнительного перемещения тяги 1 вверх вторичное самозакрепление фрезы на конусе.

Рисунок 1. Инструментальная оснастка для фрезерования глубоких пазов.

Выполнение фрезы в форме стакана с внутренним коническим отверстием значительно облегчило смену инструмента. Перенос конического и сборная конструкция вспомогательного инструмента позволили увеличить виброзащитные свойства инструментальной системы.

Рисунок 2. Анизотропная фреза.

На рисунке 2 представлена концевая фреза для чистовой обработки.  Фреза состоит из корпуса 1, режущих стыка к зоне резания пластинок 2 и связующего материала 3. В зависимости от типа и назначения фрезы пластики прямые или винтовые. Смежная с пластинками поверхность корпуса выполнена в виде поверхности вращения. Связующим материалом является высокопрочный тугоплавкий припой. По сравнению с материалом корпуса и пластинок связующий материал обладает высоким внутренним трением и меньшей жесткостью, а по сравнению со талью в 5 раз большим коэффициентом теплопроводности. Интенсивный отвод тепла из зоны резания в корпус фрезы препятствует перегреву режущих пластинок, что особенно важно при фрезеровании труднообрабатываемых материалов. Соединение пластин друг с другом связующим материалом позволяет разместить на корпусе фрезы в 1,5-2 раза большее число пластин, чем в аналогичных известных фрезах того же диаметра.

Разработанные фрезы по сравнению с обычно применяемыми твердосплавными фрезами и фрезами из быстрорежущей стали обладают неоднородной анизотропной структурой (твердый сплав, связующий материал, объем которого того же порядка, что и объем твердого сплава, материал корпуса фрезы). Каждый из этих компонентов имеет различные физико-механические свойства. Поэтому такие фрезы названы анизотропными.

Анизотропные фрезы технологичны в изготовлении, так как полностью отпадает необходимость в трудоемких фрезерных работах. Корпус фрезы, представляющий собой тело вращения изготавливают точением. На корпус надевают керамическую оболочку с внутренними выступами, имеющими в поперечном сечении форму будущих стружечных канавок. В оболочку устанавливают режущие пластины, оставшиеся зазоры между корпусом фрезы и пластинами и свободное пространство между смежными поверхностями пластин после предварительного нагрева в индукторе ТВЧ заполняют расплавленным припоем. После охлаждения оболочку снимают, а фрезу затачивают. При такой технологии корпус можно использовать много раз, так как при заточке абразивный круг не касается корпуса.

В данной конструкции фрезы реализован метод виброизоляции. Связующий материал, расположенный между соседними пластинами, пластинами и корпусом фрезы можно представить в виде комплекса безинерционных упругодемпфирующих виброизоляторов. Особенности работы упругодемпфирующих виброизоляторов позволяют успешно применять анизотропные фрезы при обработке труднодоступных поверхностей корпусных деталей. Виброизолирующий эффект позволяет существенно снизить уровень вибраций при повышении скорости резания и стойкости режущего инструмента.           

Список литературы

1. Петров В.И. Виброзащита фрезерных инструментальных систем многооперационных станков // Инструмент для станков с числовым программным управлением и гибких производственных систем: Сборник научных трудов. ЛДНТ. Ленинград. 1985. С. 69-78
2. Голикова В.В., Меньшов А.Л. Физико- математическая модель фрезерной технологической системы пониженной виброустойчивости для исследования динамических явлений и явлений увода, отжатия и подрезания // Системный анализ и аналитика. №1/12. С. 67-75.