Surface Quality Improvement of Hard-to-Cut Materials With Modified Cutting Tool at Finishing Turning
Laen...
Kuupäev
2016
Kättesaadav alates
Autorid
Ajakirja pealkiri
Ajakirja ISSN
Köite pealkiri
Kirjastaja
Eesti Maaülikool
Abstrakt
One important challenge in engineering is the setting of dimensions and tolerances of the
machine elements’ surfaces, which work together. The shape and position tolerances may
increase the occurrence of failures and can lead to a decrease in the performance of machinery.
Because of this, it is very important to achieve as stable as possible cutting process in order to get
quality parts and extend the lifetime of the cutting tool to the maximum. Unfortunately by
turning of complex products from hard-to-cut materials the stability may be lost, which leads to
tool oscillations. This causes an increase in the cutting tool wear, reduces the lifetime of the
machine actuators and reduces productivity.
The cutting system components that most readily can be brought into vibration are the cutting
tool, the workpiece and the clamping equipment (Stahl, 2012). Vibrations and other sorts of
unintended periodic movements are produced by variations in the contact forces between the
workpiece and the cutting tool, these in turn are being produced by variations in cutting
resistance or in cutting data. Vibrations of the cutting tool can take place in machining operations
of most types, whatever the geometry and size of the workpiece may be (Schmitz & Smith, 2008).
In turning of hard workpiece materials very high stresses act on the tool holder through the
cutting tool. These stresses require the tool holder to have some specific properties such as high
stiffness and its ability to absorb the energy generated during the cutting process. It is also
important that the material cost of the tool holder is being taken into account because lower cost
provides a competitive advantage for manufacturers. One aspect of improving the dynamic
stability of the subsystem "tool" is the creation of damped tools with increased resistance.
Specialized cutting tool holders help to shift the stable operating regions to avoid chatter
vibrations, increase the manufacturing precision and productivity of machine components.
Consequently, the aim of the work was to focus on the utility effect of a cutting tool holder
modified with alternate bars of different material structure in its construction. The different bars
are made from rolled steel and have an anisotropic structure, which also has different mechanical
properties. This construction is considered as a method to improve the cutting stability of the
cutting tool and helps to suppress the oscillations in the finishing turning of hard to cut materials.
Üheks oluliseks probleemiks kvaliteedi tagamisel on seada mõõtmed ja tolerantsid masina elementide pindadele, mis peavad koos töötama. Kõrvalekalle asendi- ja kujuhälvetest võib suurendada rikete esinemist ning võib kaasa tuua enneaegse masina purunemise. Seetõttu on väga oluline saavutada võimalikult stabiilne lõikeprotsess, et oleks võimalik toota kvaliteetseid masina elemente ja pikendada ka maksimaalselt lõikeinstrumendi eluiga. Kahjuks võib raskesti töödeldavatest materjalidest detailide lõikamisel stabiilsus kaduda, mille tagajärjel tekib vibratsioon. See põhjustab lõikeinstrumendi suurenenud kulumist ja vähendab masinate eluiga ning tootlikkust. Lõikesüsteemi osad, mis kõige lihtsamalt võivad lõikeprotsessis vibreerida, on: lõikeinstrument, töödeldav detail ja kinnitusseadmed (Stahl, 2012). Vibratsioon tekib kõige sagedamini detaili ja lõikeinstrumendi kontaktjõudude vahel, need omakorda on põhjustatud materjali struktuuri omadustest ja lõikerežiimist. Lõikeinstrumendi vibratsioon võib esineda mis tahes töötlusoperatsiooni käigus olenemata töödetava detaili geomeetriast või suurusest (Schmitz & Smith, 2008). Raskesti töödeldavatest materjalidest detailide treimisel mõjuvad suured jõud lõikeinstrumendi hoidikule, mille tõttu on oluline, et hoidikul oleks vastavad omadused, nagu suur jäikus ning võime summutada lõikeprotsessi ajal tekkinud energiat. Selle juures on oluline, et hoidiku maksumus oleks optimaalne, sest odavam hind annab tootjale konkurentsieelise. Sellest lähtuvalt oli doktoritöö eesmärgiks välja töötada vibratsioone summutav lõikeinstrumendi hoidik, mis võimaldaks vähendada esinevaid vibratsioone raskesti töödeldavate materjalide viimistleval treimisel ning aitaks parandada töödeldavate detailide kvaliteeti ja tootlikust. Tulenevalt eesmärgist oli esimeseks ülesandeks analüüsida lõikeprotsessi olemust ning vibratsioonide tekke põhjuseid. Lahenduse väljatöötamisel anti ülevaade vibratsioonide summutamise teooriast ning lõikeprotsessi olemusest. Analüüs näitas, et antud protsess omab lainelist olemust struktuuri igal tasemel. Seetõttu on põhjendatud eelduseks, et plastse deformatsiooni laineline olemus on vibratsioonide peamiseks allikaks treimise protsessis. Väljatöötatud meetod stabiilsuse suurendamiseks treimisel põhineb valtsitud terase anisotroopsetel omadustel. Tegemist on passiivse vibratsiooni summutamise lahendusega, kus vibratsiooni lainete hajumise põhjustab terakeha sisse paigutatud varraste kokkupuute pindade üksteise vastu hõõrumine. Antud lõikeinstrumendi hoidikuga on läbi viidud katsetused, kus on uuritud sellega töödeldud detailide pinnakaredust ning esinevaid vibratsioone. Hoidik on arendatud kasutamiseks CNC tüüpi treipinkides viimistlevaks töötlemiseks, kuid seda on võimalik kasutada ka manuaalsetes pinkides. Katsetustel saadud andmete põhjal on analüüsitud hoidiku kasutamisega saadud pinnakvaliteedi paranemist võrreldes originaalhoidikuga. Arendatud hoidik võimaldab muuta stabiilse lõikamise piirkonda ning aitab summutada tekkivaid vibratsioone, mis omakorda parandab töötlemise täpsust ja suurendab tootlikust.
Üheks oluliseks probleemiks kvaliteedi tagamisel on seada mõõtmed ja tolerantsid masina elementide pindadele, mis peavad koos töötama. Kõrvalekalle asendi- ja kujuhälvetest võib suurendada rikete esinemist ning võib kaasa tuua enneaegse masina purunemise. Seetõttu on väga oluline saavutada võimalikult stabiilne lõikeprotsess, et oleks võimalik toota kvaliteetseid masina elemente ja pikendada ka maksimaalselt lõikeinstrumendi eluiga. Kahjuks võib raskesti töödeldavatest materjalidest detailide lõikamisel stabiilsus kaduda, mille tagajärjel tekib vibratsioon. See põhjustab lõikeinstrumendi suurenenud kulumist ja vähendab masinate eluiga ning tootlikkust. Lõikesüsteemi osad, mis kõige lihtsamalt võivad lõikeprotsessis vibreerida, on: lõikeinstrument, töödeldav detail ja kinnitusseadmed (Stahl, 2012). Vibratsioon tekib kõige sagedamini detaili ja lõikeinstrumendi kontaktjõudude vahel, need omakorda on põhjustatud materjali struktuuri omadustest ja lõikerežiimist. Lõikeinstrumendi vibratsioon võib esineda mis tahes töötlusoperatsiooni käigus olenemata töödetava detaili geomeetriast või suurusest (Schmitz & Smith, 2008). Raskesti töödeldavatest materjalidest detailide treimisel mõjuvad suured jõud lõikeinstrumendi hoidikule, mille tõttu on oluline, et hoidikul oleks vastavad omadused, nagu suur jäikus ning võime summutada lõikeprotsessi ajal tekkinud energiat. Selle juures on oluline, et hoidiku maksumus oleks optimaalne, sest odavam hind annab tootjale konkurentsieelise. Sellest lähtuvalt oli doktoritöö eesmärgiks välja töötada vibratsioone summutav lõikeinstrumendi hoidik, mis võimaldaks vähendada esinevaid vibratsioone raskesti töödeldavate materjalide viimistleval treimisel ning aitaks parandada töödeldavate detailide kvaliteeti ja tootlikust. Tulenevalt eesmärgist oli esimeseks ülesandeks analüüsida lõikeprotsessi olemust ning vibratsioonide tekke põhjuseid. Lahenduse väljatöötamisel anti ülevaade vibratsioonide summutamise teooriast ning lõikeprotsessi olemusest. Analüüs näitas, et antud protsess omab lainelist olemust struktuuri igal tasemel. Seetõttu on põhjendatud eelduseks, et plastse deformatsiooni laineline olemus on vibratsioonide peamiseks allikaks treimise protsessis. Väljatöötatud meetod stabiilsuse suurendamiseks treimisel põhineb valtsitud terase anisotroopsetel omadustel. Tegemist on passiivse vibratsiooni summutamise lahendusega, kus vibratsiooni lainete hajumise põhjustab terakeha sisse paigutatud varraste kokkupuute pindade üksteise vastu hõõrumine. Antud lõikeinstrumendi hoidikuga on läbi viidud katsetused, kus on uuritud sellega töödeldud detailide pinnakaredust ning esinevaid vibratsioone. Hoidik on arendatud kasutamiseks CNC tüüpi treipinkides viimistlevaks töötlemiseks, kuid seda on võimalik kasutada ka manuaalsetes pinkides. Katsetustel saadud andmete põhjal on analüüsitud hoidiku kasutamisega saadud pinnakvaliteedi paranemist võrreldes originaalhoidikuga. Arendatud hoidik võimaldab muuta stabiilse lõikamise piirkonda ning aitab summutada tekkivaid vibratsioone, mis omakorda parandab töötlemise täpsust ja suurendab tootlikust.
Kirjeldus
Märksõnad
metallide lõiketöötlemine, treimine, lõikeriistad, vibratsioon, materjalide katsetamine, dissertatsioonid