Брянск, Брянская область, Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Рассмотрены вопросы повышения требова-ний к режущим инструментам, вызванные появлением новых конструкционных материалов и ужесточением требований к точности и качеству поверхностей обрабатываемых деталей. В этой связи отмечены особенности концевого режущего инструмента, а также влияние качества его заточки на эксплуатационные свойства. Рассмотрены технологические возможности шлифовально-заточного оборудования с ЧПУ при изготовлении и заточке концевого режущего инструмента, существующие ограничения и пути их устранения.
концевой режущий инструмент, функциональные требования, фрезерно-шлифовальный станок с ЧПУ
Развитие инструментальной промышленности в современных условиях обусловлено усилением конкуренции на мировых рынках. Основной задачей предприятий в таких условиях становится выпуск высококачественной продукции при жесткой экономии материальных ресурсов. Очевидно, что повышение качества выпускаемой продукции невозможно без совершенствования методов обработки и конструкций режущего инструмента [2]. По подсчетам АО «Станкопром» [3], объем годового потребления инструмента российской промышленностью в денежном эквиваленте составляет 60 млрд руб. и только, к сожалению, 1-2 млрд руб. из этой суммы приходится на отечественную продукцию. Таким образом, все современные машиностроительные производства, осуществляющие технологическую модернизацию, оказываются почти полностью зависимыми от импортного инструмента [4].
В то же время многолетний накопленный опыт отечественной промышленности показывает, что декларируемые высокие характеристики дорогостоящего импортного инструмента могут быть обеспечены только в специально созданных условиях, достаточно далеких от сложившихся реалий. Объективно рассматривая экономические и организационно-технические аспекты применения зарубежной продукции, необходимо оценивать возможность ее высокопрофессиональной эксплуатации и многократного восстановления, затратность и окупаемость. При этом следует учитывать, что зарубежные конкуренты не заинтересованы в поставках специальных прецизионных инструментов малыми партиями (5–15 штук). Кроме того, многие из условий эффективности зачастую вполне выполнимы при использовании отечественного инструмента – с учетом рациональной логистики, оптимизации маркетинга и проведения технологического аудита на предприятии [1].
Таким образом, одной из наиболее острых проблем российского машиностроительного комплекса является освоение производства широкой номенклатуры металлорежущего инструмента (в том числе из наноструктурных материалов, твердых сплавов и др.) при обеспечении отечественных инструментальных производств (различных по форме и масштабам) необходимыми технологиями и оборудованием для изготовления и сопровождения всего жизненного цикла этого инструмента.
Так как в большинстве случаев именно режущий инструмент придает заготовке нужную форму и размеры, то его работоспособность и надежность оказывают непосредственное и существенное влияние на экономическую эффективность машиностроительного производства. Основные требования, предъявляемые к режущим инструментам, определяются исключительно их служебным назначением - способностью выполнять заданные функциональные действия с минимальными затратами за весь период эксплуатации. При этом сами требования носят комплексный характер и предусматривают:
- принципиальную возможность осуществления процесса резания обрабатываемой заготовки (обеспечивается физико-механическими свойствами материала режущей части инструмента, а также правильным выбором ее геометрических параметров);
- получение требуемой формы, размеров и качества обработанной поверхности детали (обеспечивается конструкцией инструмента, а также особенностями его заточки, крепления, базирования и регулирования на размер);
- экономическую эффективность режущего инструмента, которая определяется производительностью обработки и ее себестоимостью (в свою очередь, производительность неразрывно связана с режимами обработки (величиной скорости резания, подачей и глубиной резания), а себестоимость обработки детали зависит как от конструктивных особенностей инструмента, так и от трудоемкости его изготовления и от возможности восстановления режущих свойств в ходе эксплуатации).
Требования, предъявляемые к режущему инструменту, постоянно повышаются, что связано с появлением новых конструкционных материалов и существенным ужесточением требований к качеству и точности функциональных поверхностей обрабатываемых деталей. В итоге это создает объективную необходимость улучшения механических, физических и режущих свойств инструментальных материалов (таблица), а также совершенствования технологий изготовления режущих инструментов.
Из всего многообразия режущего инструмента самое пристальное внимание, как со стороны потребителей, так и со стороны предприятий-производителей, традиционно уделяется концевому инструменту (концевые фрезы, сверла, развертки, зенкеры и др.). Это связано с разнообразием функционального назначения и специфическими особенностями концевого инструмента, которые заключаются в следующем:
- наличие в конструкции нескольких одновременно работающих режущих кромок, что предполагает высокие требования к геометрическим параметрам режущей части при изготовлении и заточке;
- наличие сложных винтовых поверхностей с высокими требованиями к качеству (точности и шероховатости), обеспечивающих беспрепятственное удаление стружки из зоны резания;
- в случае сборной конструкции инструмента – наличие соединения рабочей части с хвостовиком, что повышает сложность изготовления инструмента и устанавливает к нему дополнительные требования по надежности, точности и эффективности;
- особые требования к жесткости, что обусловлено удалением (часто значительным) точки приложения результирующей силы резания от места закрепления инструмента;
- повышенные требования к общим геометрическим размерам инструмента, обеспечивающим возможность его высокоточной установки и оперативной настройки на выполняемый размер.
В значительной степени эксплуатационные свойства концевого инструмента (стойкость, производительность резания, степень чистоты и точности обрабатываемой поверхности) определяются качеством его заточки. Основным требованием к заточке является воспроизводимость геометрических характеристик рабочих поверхностей (как на одном инструменте, так и на группе однотипных инструментов, использующихся для выполнения конкретной операции) с целью обеспечения единых условий применения инструмента и стабильности получаемых результатов (по точности и качеству обрабатываемых поверхностей).
Таблица
Механические, физические и режущие свойства инструментальных материалов
(средние значения) [5]
|
Марка материала |
Механические свойства |
Ударная вязкость, Hм/см2 |
Физические свойства |
Режущие свойства |
|||||||
|
Твердость HRA |
Предел прочности, H/мм2 |
Теплопро-водность, м∙град |
Плотность, кг/м3 |
Теплостойкость, °С |
Относительная величина скорости резания |
||||||
|
изгиб |
сжатие |
сталь |
чугун |
||||||||
|
Инструментальная углеродистая сталь |
|||||||||||
|
У12А |
80 |
3140 |
3920 |
– |
63 |
7,8 |
220 |
0,5 |
0,5 |
||
|
Инструментальная легированная сталь |
|||||||||||
|
9ХС |
80 |
3140 |
3920 |
– |
41,8 |
7,7 |
220 |
0,6 |
0,6 |
||
|
ХВГ |
|||||||||||
|
Быстрорежущая сталь |
|||||||||||
|
Р18 |
82 |
3620 |
3720 |
8,72 |
21 |
8,7 |
600 |
1,0 |
1,0 |
||
|
Вольфрамовые твердые сплавы |
|||||||||||
|
ВК8 |
87,5 |
1370 |
– |
5,88 |
58,7 |
14,6 |
850 |
– |
2,9 |
||
|
ВК6 |
88,5 |
1240 |
4900 |
63 |
14,8 |
900 |
3,4 |
||||
|
Титано-вольфрамовые твердые сплавы |
|||||||||||
|
Т5К5 |
88,5 |
1174 |
– |
– |
33,5 |
12,7 |
900 |
3,0 |
– |
||
|
Т14К8 |
89,5 |
1174 |
2940 |
2,94 |
29,3 |
11,7 |
900 |
3,5 |
|||
|
Т15К6 |
90 |
1126 |
3920 |
2,45 |
29,3 |
11,3 |
950 |
4,5 |
|||
|
Т30К4 |
92 |
882 |
– |
– |
21 |
9,6 |
1000 |
5,5 |
|||
|
Минералокерамика |
|||||||||||
|
ЦМ-322 |
92 |
294 - 392 |
3430 |
0,784 |
16,7 |
3,9 |
1200 |
5,8 |
5,8 |
||
|
Кубический нитрид бора |
|||||||||||
|
Эльбор |
98 |
1500 |
н/д |
н/д |
н/д |
3,5 |
1200 |
8 |
8 |
||
|
Гексанит |
н/д |
н/д |
н/д |
н/д |
3,3 |
900 |
|||||
|
Синтетический алмаз |
|||||||||||
|
АС |
100 |
3500 |
2000 |
н/д |
н/д |
3,5 |
800 |
– |
6 |
||
Процесс заточки концевых инструментов на отечественных предприятиях до сих пор слабо автоматизирован, что, с одной стороны, объясняется дороговизной оборудования с ЧПУ, сложностью соответствующих технологий и отсутствием опыта их применения, а с другой – усугубляется отсутствием достаточного числа специалистов необходимой квалификации.
Вместе с тем требования к заточке осевого инструмента могут быть эффективно обеспечены при использовании современного шлифовально-заточного оборудования с ЧПУ, которое в силу своих уникальных особенностей, несмотря на отмеченные проблемы, получает все большее распространение на отечественных машиностроительных предприятиях.
В качестве особенностей шлифовально-заточных станков с ЧПУ следует отметить следующие их технологические возможности [6]:
- обработка (вышлифовка и/или затачивание) концевых цилиндрических, конических, радиусных, дисковых отрезных фрез, сверл, метчиков, разверток и другого инструмента, функциональные поверхности которого формируются высокостойкими алмазными и эльборовыми шлифовальными кругами из цельных стальных и твердосплавных заготовок;
- шлифование профилей дисковых кулачков, боковых поверхностей червяков, цилиндрических зубчатых колес, пазов делительных дисков, выполнение других подобных операций;
- заточка абразивным кругом однозаходных насадных прецизионных червячных фрез, а также специальных многозаходных насадных и хвостовых червячных фрез, в том числе с закрытыми стружечными канавками.
Весь процесс обработки может быть смоделирован до начала обработки заготовки на станке, при этом оператор имеет возможность визуально наблюдать на экране системы ЧПУ весь процесс и корректировать программу. Такое преимущество снижает вероятность появления брака и исключает пробную обработку на моделях. Кроме того, программное обеспечение позволяет просмотреть сечения инструмента, форму и геометрию канавки, распознать возможные столкновения круга. Используя систему координат монитора, оператор может промерить значения углов и параметров.
Следует отметить, что широкое применение шлифовально-заточных станков с ЧПУ кроме их высокой стоимости сдерживается еще и отсутствием необходимой инфраструктуры (инженерного, организационного, программного и методического обеспечения).
Однако, несмотря на отмеченные проблемы, данное направление получает все большее развитие у нас в стране. Так, в результате работ, выполняемых совместно ОАО «ВНИИинструмент», ОАО «НИТИ «Микрон» и МГТУ «Станкин», создан новый многокоординатный шлифовально-заточной станок с ЧПУ, который по основным потребительским свойствам соответствует мировым аналогам и предназначен для изготовления широкой номенклатуры металлорежущего инструмента, в том числе из наноструктурных, ультрадисперсных и субмикронных твердых сплавов, а также для переточки (восстановления режущих свойств) концевых твердосплавных фрез, спиральных сверл и др. На станке можно производить прецизионную обработку поверхностей, описываемых различными математическими зависимостями (например винтовых стружечных канавок концевых инструментов) [7].
На кафедре «Металлорежущие станки и инструменты» ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет» ведутся исследования по совершенствованию технологии обработки профильных поверхностей осевых инструментов на шлифовально-заточных станках с ЧПУ с целью разработки тиражируемых технологических решений и соответствующего программно-методического комплекса. В рамках выполняемых исследований предполагается:
- определить виды режущего инструмента, формообразование которых возможно и целесообразно осуществлять на шлифовально-заточных станках с ЧПУ, выполнить их классификацию по установленным критериям;
- разработать методику компьютерного проектирования чертежей выбранных видов режущего инструмента с использованием 3D-моделирования, удовлетворяющую требованиям потребителя и являющуюся основой для последующего решения кинематических задач;
- выполнить обобщение форм производящих поверхностей режущих инструментов, позволяющее обрабатывать выбранные виды режущего инструмента с использованием единого программного комплекса, построенного на основе общей информационной базы;
- разработать общую математическую модель, позволяющую спроектировать профиль винтовой канавки для обработки шлифовальным кругом стандартного профиля и определить технологические параметры установки шлифовального круга относительно заготовки;
- определить режимные параметры при формообразовании выбранных видов режущих инструментов;
- разработать программный продукт для создания управляющих программ для формообразования выбранных видов режущих инструментов на шлифовально-заточных станках с ЧПУ и выполнить его апробацию в условиях промышленного производства.
В настоящее время осуществляется теоретический этап исследований.
Таким образом, анализ целесообразности и возможности совершенствования в условиях отечественных предприятий технологий обработки профильных поверхностей концевых инструментов на шлифовально-заточных станках с ЧПУ с целью разработки тиражируемых технологических решений позволяет сделать следующие выводы:
1. Изготовление режущих инструментов и обеспечение их заточки в процессе эксплуатации является важнейшей составляющей технической подготовки производства, определяющей в конечном итоге качество выпускаемой продукции. Использование шлифовально-заточных станков с ЧПУ – одно из основных современных направлений развития комбинированных технологий изготовления и заточки концевых режущих инструментов.
2. В настоящее время отсутствует серийное производство отечественных шлифовально-заточных станков с ЧПУ и необходимого к ним программного обеспечения. Поэтому реализация, в том числе в рамках программ импортозамещения, мероприятий, связанных с разработкой технологий обработки на шлифовально-заточных станках с ЧПУ, является одной из актуальных задач отечественного машиностроения.
3. Для достаточно большого числа концевых режущих инструментов (сверла, зенкеры, фрезы) отсутствуют схемы формообразования и математические зависимости, описывающие эти схемы с целью реализации на металлорежущем оборудовании с ЧПУ. В связи с этим разработка соответствующего алгоритмического, программного, информационного обеспечения является важной научной задачей.
1. Уданович, М.Р. Инструментальное обеспечение высокотехнологичных производств: состояние, проблемы, перспективы / М.Р. Уданович // Металлообработка. – 2008. – № 5. – С. 40-41.
2. Максимов, Ю.В. Основные проблемы производства цельного концевого твердосплавного инструмента на станках с ЧПУ / Ю.В. Максимов, П.И. Емельянов // Известия МГТУ «МАМИ». – 2012. – № 2 (14). – Т. 2. – С. 130-134.
3. Импортозамещение в инструментальной отрас-ли // Умное производство. – 2016. – № 3 (35). – С. 75-77.
4. Зубарев, Ю.М. Современное состояние и пер-спективы развития инструментального произ-водства / Ю.М. Зубарев // Справочник. Инженерный журнал. – 2013. – № 3. – С. 29-34.
5. Зубарев, Ю.М. Современные инструментальные материалы / Ю.М. Зубарев. – СПб.: Лань, 2008. – 224 с.
6. Протасьев, В.Б. Состояние производства современного металлорежущего инструмента в Рос-сии / В.Б. Протасьев, В.В. Истоцкий // Известия ТулГУ. Технические науки. – 2013. – Вып. 8. – С. 223-231.
7. Боровский, Г.В. Многокоординатный шлифовально-заточной станок с ЧПУ для изготовления инструмента из наноструктурных твердых сплавов / Г.В. Боровский, С.Н. Григорьев, Е.А. Негинский, А.В. Власенков, А.Ф. Пылькин // Комплект: ИТО. – 2011. – № 6. – С. 8-10.
