Статья: Формообразование и направление потока удаляемого материала при обработке хрупких материалов

УДК 669.725:621.762

АО «Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара»

Формообразование и направление потока удаляемого материала при обработке хрупких материалов

Шипунов Н.И.

В современных конструкциях машин и приборов, для снижения их веса и повышения рабочих и технических параметров необходимо применять новые материалы. Таким материалом являются бериллий и его сплавы, которые обладают уникальным сочетанием физических и механических свойств.

Объем использования бериллия в современной технике, непрерывно растет, что объясняется не только значительными техническими преимуществами, но в раде случаев и экономической выгодой.

В настоящее время основным способом получения точных размеров и форм различных деталей из бериллия является механическая обработка.

Несмотря на высокую хрупкость при комнатной температуре бериллий хорошо обрабатывается режущим инструментом, как и другие хрупкие материалы. стружка токарный бериллий резание

При этом токарная обработка бериллия имеет ряд негативных моментов, в том числе выделение высокотоксичной пыли, которая при попадании в организм человека приводит к физиологическим изменениям организма, нарушающим нормальную деятельность [1]. В связи с этим изыскание эффективных способов (устройств) непрерывного удаления из зоны резания стружки и пыли обрабатываемого бериллия, для снижения уровня запыленности воздуха в рабочих зонах станочников и рабочих помещениях и для утилизации и переработки отходов механической обработки, особенно актуально в настоящее время.

При механической обработке хрупких материалов (бериллий, чугун, латунь, бронза) и некоторых неметаллических материалов стружка от режущего инструмента разлетается на значительное расстояние (3-5 м) [2]. В промышленном производстве при механической обработке бериллия применяется вытяжной (вакуумный) гибкий шланг диаметром (50-80 мм.) установленный непосредственно над резцом для сбора пыли и стружки, ограждения для улавливания, сохранения и последующего сбора бериллиевой стружки.

С помощью этого устройства удаляют основную массу пыли и стружки обрабатываемого бериллия. При этом допускается запыленность рабочих мест и помещений, а также потеря и загрязнение обрабатываемого бериллия. В оборотном металле присутствуют такие примеси как масло, стальная стружка, резина. Это происходит из-за того, что во время механической обработки бериллия, стружка падает на пол ограждения, на направляющие станины, по которым перемещается суппорт и задняя бабка токарного станка. Направляющие станины станка смазываются маслом для снижения трения при перемещении по ним суппорта и задней бабки. После окончания работы токарь собирает загрязненную маслом бериллиевую стружку с направляющих станины и пола ограждения с помощью гибкого шланга вакуумтранспорта в специальные емкости. Переработка оборотного бериллия с целью отделения масла и других примесей в промышленных условиях не экономична из-за ее высокой стоимости и низких выходов.

Применение комбинированных устройств, комплексно решающих проблему улавливания пыли и стружки из зоны резания от режущего инструмента с транспортировкой (за пределы станка, иногда и цеха), позволит эффективно удалить пыль и стружку, сохраняя при этом чистоту оборотного бериллия, уменьшить потери металла и концентрацию токсичной пыли на рабочем месте станочников. Такими комбинированными устройствами являются пылестружкоприемники [2]. В основе пылестружкоприемников лежит использование кинетической энергии потока стружек и пылевых частиц для улавливания их приемным отверстием пылестружкоприемника и непрерывного удаления по трубопроводам с помощью сжатого воздуха или воздушного потока, всасываемого вентиляционными устройствами, работающими на всасывание. Пылестружкоприемники являются наиболее эффективными и перспективными средствами удаления пыли и стружки из зоны резания токсичных материалов. Они могут применяться как при модернизации действующего парка станков, предназначенных для обработки хрупких и токсичных материалов, так и при проектировании новых моделей станков и станочных линий, а также новых технологических процессов. Однако широкое внедрение пылестружкоприемников в механических цехах тормозится из-за того, что до настоящего времени при конструировании пылестружкоприемников не учитываются некоторые закономерности и особенности формообразования потока стружек и пыли при механической обработке.

Цель данной работы:

исследовать и изучить закономерности формообразования и направления потока стружек и пылевых частиц при различных условиях токарной обработки бериллия;

изучить особенности образования и размер элементных стружек бериллия;

предложить методику расчета для проектирования пылестружкоприемников при продольном наружном точении бериллиевых заготовок.

Удаление стружек и пыли из зоны резания обрабатываемого бериллия с помощью пылестружкоприемников по результатам литературных данных и собственных исследований позволит:

уменьшить потери металла и запыленность в рабочей зоне и промышленных помещениях при обработке хрупких и токсичных материалов;

предотвратить попадание таких примесей как масло, резина, металлическая стружка в оборотный материал;

создать станочникам условия для дальнейшего повышения производительности труда при одновременном повышении культуры и безопасности труда

Экспериментальная часть

В результате наблюдения за процессом резания хрупких материалов в производственных условиях и проведения серии собственных экспериментов известно, что формообразование и направление потока элементных стружек и пыли зависит от характера обработки (точения, фрезерования, сверления), физико-механических свойств обрабатываемого материала, режимов резания и геометрических параметров режущего инструмента [1, 2].

Исследования проводились в лабораторных условиях при продольном наружном точении технического бериллия. Режимы резания и геометрические параметры режущего инструмента принимались, которые используются в промышленном производстве. При исследовании определялась форма потока стружек и пыли, их направление, а также морфология элементных стружек, образующихся при различных условиях резания бериллия. При этом особое внимание уделялось изучению влияния на формообразование потока стружек и пыли: скорости, подачи и глубины резания, а также основных геометрических параметров режущего инструмента.

Рис. 1. - Фотографии потока стружки и пыли

Для изучения формы потока стружек и пыли, их направления, при различных условиях обработки бериллия был применен фотометод. Поток стружек и пылевых частиц фиксировался на фотопленку в процессе резания в двух плоскостях: горизонтальной и вертикальной. Режущий инструмент закреплялся с правой стороны резцедержателя, для того чтобы дать свободный выход потоку стружек и пыли. Экраны с измерительными шкалами укреплялись также на резцедержателе и вместе с ним перемещались в процессе резания по схеме, описанной в работе [2] и представленной на рис. 1.

1.1 в горизонтальной плоскости; 1.2 в вертикальной плоскости.

Опыты производились на токарно-винторезном станке IK625.

В работе был использован сорт технического бериллия ТГП-56 со средним размером зерна около 25 мкм.

При точении бериллия был применен твердосплавный резец ВК-8

(проходной правый) со следующими углами заточки:

главный угол в плане ?=90°;

вспомогательный угол в плане ? 1=18°;

угол наклона главной режущей кромки л= +3°;

главный задний угол б =8°;

передний угол г=10°;

радиус закругления режущей кромки r =0,4 мм.

Фотоснимки потока стружек вместе с измерительными шкалами позволили с достаточной точностью определить геометрическую форму потока стружки и пылевых частиц и их направление при точении бериллия.

Параметрами, определяющими направление потока стружек и пыли в пространстве, являются: (рис.2, рис.3, рис.4).

Ш - угол отклонения потока стружек от передней поверхности резца;

б1 - угол раскрытия потока стружек в плане;

Ш1- угол между направлением движения потока стружек и направлением подачи в плане;

Ш2 - угол между биссектрисой угла и направлением подачи;

б2 - угол раскрытия потока стружки в вертикальной плоскости.

Рис. 2 - Всасывающее отверстие пылестружкоприемника перпендикулярно к плоскости резания

Рис. 3 - Всасывающее отверстие пылестружкоприемника параллельно плоскости резания

Рис. 4 - Всасывающее отверстие пылестружкоприемника. повернуто на угол в от плоскости резания

Результаты проведенных исследований

Результаты проведенных исследований, по определению углов потока стружки и пыли, образующихся при наружном продольном точении бериллия, с частотой вращения обрабатываемой заготовки (N), представлены в таблице 1.

Таблица 1 Результаты проведенных исследований по определению углов потока стружки и пыли

Таблица 2 Размеры всасывающего отверстия пылестружкоприемника и объем отсасываемого воздуха проходящего через пылестружкоприемник в зависимости от углов разлета потока стружек и пыли

Таблица 3 Зависимость размеров входного отверстия и удаления пылестружкоприемника от режимов резания и геометрии режущего инструмента при механической обработке хрупких материалов