Повышение производительности резания ручными ножовочными полотнами для металла

Ленточный слесарный инструмент, полотно ножовочное для разрезки металлов (далее — полотно), представляет собою стальную ленту, на узкой стороне (или на обеих сторонах) с равным шагом расположены режущие зубья.

У полотен передний угол зуба может быть нулевым, положительным или отрицательным, обычно он имеет нулевое значение, а задний угол — от 35° до 40°, углы назначают в зависимости от твёрдости и вида обрабатываемого материала.

Для предотвращения заклинивания полотна в разрезе и облегчения работы делается разводка. Разводка — это отгибание зуба в сторону, для образования угла между боковой поверхностью зуба и стенкой реза Разводка, в ряде случаев, мало эффективна, например, часто при разводке по полотну (волнообразной) она не ориентируется на шаг зубьев, поэтому на вершинах «волны», зубья могут располагаться с определённой вероятностью.

При производстве металлорежущих инструментов в технологических процессах образования зубьев операции по созданию необходимой геометрии являются основными Получение при формообразовании одновременно всей геометрии режущих зубьев упрощает и удешевляет процесс изготовления, такой результат получают в процессе насекания, например, зубьев напильников.

Способ насекания, которому несколько тысяч лет, не остался без внимания д т н, проф. И. И Семенченко [48- 49]. Вопросы, связанные с насеканием, исследовались' А Н. Полянским, С. С. Четвериковым, И. В. Геллертом, М. М. Гада-синым, Я Я. Лычагиным.

Производственный опыт насекания напильников обобщён: Л. И. Роза, В. Г Егоровым, Р. Я. Чередниковым, П П. Костиным, Г. Т. Горобченко и др.

У полотна и напильника можно отметить несколько сходств: а) по параметрам зубьев, например, узких сторон плоских напильников для бронзы, б) по процессам резания под воздействием физической силы человека.

Есть и отличия: по способу образования зубьев и виду заготовок.

На заготовках полотен зубья формируют механическим методом, в основном, способом фрезерования [53], реже — способом шлифования [13- 37]. Заготовка полотна представляет собою пластину (ленту), а заготовка напильника — брус.

Способ фрезерования имеет ряд недостатков: а) сложность группового зубообрабатывающего инструмента и его заточки и переточки, б) значительные силы резания (около 6000Н), обусловленные шириной обрабатываемой поверхности (от 300 до 315мм);

Способ шлифования также имеет ряд ограничений по применению. а) требует изготовления специального оборудованияб) шлифовальные круги имеют недостаточную размерную стойкость и сложность профилированияв) существует опасность возникновения прижогов на полотне, т. к. зубья формируются на полную глубину за один проход шлифовального круга.

Сравнение насекания с фрезерованием и шлифованием показывает преимущества первого в возможности: а) применения простого по конструкции инструмента — насекального зубила и использования оборудования для производства напильниковб) получения разных значений углов на зубьях за счёт изменения заточки клина зубила, в) формообразования одновременно с главными углами и задних вспомогательных задних углов на боковых сторонах каждого зуба.

Формообразования одновременно всей геометрии зуба устраняет явные недостатки разводки зубьев, которая обязательна при других способах, и увеличивает число режущих зубьев полотна до их общего числа.

Насекание — сложный процесс, который с одной стороны — разновидность холодного пластического деформирования металла. С другой стороны, насеченные зубья можно рассматривать как корни стружек, которым придана форма, необходимая для выполнения процессов резания.

Попытки использовать способ насекания для получения зубьев на полотнах предпринимались и ранее, например, на ОАО «СИЗ «ТВИНТОС». Они не дали положительного результата: заготовки полотен гнулись, имели смятие, разрывы поверхности насекания, процесс насекания был неустойчив. Однако даже эти попытки ¿-показали, что насекание зубьев на заготовках полотен реально и требует исследования и научного обоснования. Существенным недостатком насекания является ритмический шум, превышающий санитарные нормы, но те же отрицательные опыты выявили заметное снижение уровня шума при насекании зубьев на заготовках ленточных слесарных инструментов.

ОАО «СИЗ «ТВИНТОС» наиболее подходит для выполнения этих исследований, т к кроме широкого использования насекальных процессов в производстве напильников оно своими силами изготавливает насекальные станки.

Повышение производительности резания ручным полотном за счет формирования насеканием на каждом зубе необходимой геометрии (без разводки зуба) -актуальное направление исследования, т. к. ручные полотна широко применяются не только в промышленности, но и являются товарами народного потребления.

Реализация задачи формообразования зубьев слесарных полотен способом (Патент РФ № 22 719 026, см. приложение 2) насекания позволяет: а) освоить новый вид продукции на насекальном оборудованииб) оптимизировать процесс изготовления слесарных полотен.

Цель работы — повышение производительности резания ручными полотнами для металла.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1 Исследовать влияние вида разводки на производительности резания полотна.

2. Определить условия, при которых возможно применение насекального оборудования для формирования зубьев полотна.

3. Определить возможность образования при машинном насекании главных и вспомогательных углов зуба, а также высоту подъёма зуба над поверхностью обработки.

4 Выявить максимальную глубину проникновения инструмента в обрабатываемую поверхность без образования трещин у ножки зуба.

Практическая ценность работы заключается1.

— в рекомендациях по проектированию насекального инструмента, учитывающих возможность получения положительного, нулевого и отрицательного переднего угла профиля насечённого зуба и обеспечивающих повышение прочности формообразующего клина и стабильность процесса насекания;

— в рекомендациях по модернизации станков (Патент РФ № 2 279 336, см. приложение 1) для формирования зубьев способом насекания, обеспечивающих возможность их использования для изготовления ручных ножовочных полотен;

— в рекомендациях по проектированию управляющего кулачка, обеспечивающих повышение производительности насекания.

Научная новизна состоит:

— в математической модели процесса формообразования зубьев ножовочного полот на насеканием, учитывающей форму канавки между зубьями и углы резания, а также направление и закон перемещения формообразующего инструмента для вариантов пластического и комбинированного его взаимодействия с поверхностью насекания,.

— в математической модели формообразующего инструмента, учитывающей параметры его установки, углы и симметричность профиля, а также форму канавки между зубьями и углы резания ножовочного полотна;

— в установленных связях между общей высотой и величиной подъёма насеченного зуба, а также углом при вершине зуба и вспомогательными углами;

— в установленных связях вида разводки и формы зубьев и углов резания ножовочных полотен с производительностью резания.

При исследовании процесса насекания использовалось оборудование кафедры «Металлорежущие и метрологические системы» ТулГУ.

За оказанную помощь выражаю признательность заведующему кафедрой проф, д. т н. Борискину О. И. и проф., д. т. н. Протасьеву В. Б.

1 Параметры ручных ножовочных полотен для металла, их влияние на производительность резания.

Ручные ножовочные полотна для металла (далее — полотна) относятся к ленточным инструментам. Для производительного резания полотно должно иметь: а) необходимую твёрдость режущих зубьев в сочетании с достаточной прочностью остальных зон полотнаб) оптимальную геометрию режущей части и острую режущую кромку на зубе.

Полотно режет под воздействием физической силы человека и разных по величине и направлению сил: вертикальной, которую принимают равной 10 Ньютонам на 0,1 мм толщины полотна и горизонтальной силы, которая может быть от двух до трех раз больше вертикальной силы. Кроме того, на величины сил влияют. размеры обрабатываемой поверхности и твёрдость материала [50].

Полотна из легированных инструментальных сталей имеют общее назначение, их изготавливают с закалкой по всему сечению или на высокую твердость закаливают только зону режущих зубьев. Полотна из быстрорежущих марок сталей применяются, когда требуется максимальная стойкость и производительность в сочетании с точностью реза, а также при обработке инструментальных и легированных сталей Эти полотна изготавливаются двух типов: закалённых по всему сечению или с закалкой на высокую твёрдость только зоны режущих зубьев.

Полотна первого типа предназначены для промышленного использования, для условий, в которых могут быть полностью использованы их преимущества, высокая жесткость и стойкость Полотна второго типа предназначены для использования в быту или для условий, когда использование полотен первого типа неэффективно.

Биметаллические полотна повышенной прочности получают путём электронно-лучевой сварки быстрорежущей рабочей части с державочной частью легированной вязкой стали.

Они выдерживают более высокие режимы резания и большие напряжения по сравнению с другими типами полотен. Высокая прочность позволяет использовать малоквалифицированную рабочую силу.

Геометрию зуба полотна определяют: шаг, главные углы профиля Для предотвращения заклинивания полотна в разрезе и облегчения работы делается разводка зуба для образования угла между боковой поверхностью зуба и стенкой реза.

1.1. Шаг зубьев.

Шаг зубьев полотен равен частному от деления 25 мм на количество зубьев в пределах данной длины. Рекомендуемое количество зубьев при обработке различных материалов табл 1 1 [43].

Количество зубьев полотна и обрабатываемый материал.

Таблица 1.1.

Обрабатываемый материал Полотно.

Режущая часть, число зубьев на 25 мм легированная быстрорежущая.

Алюминий, бронза от 18 до 24.

Быстрорежущая сталь от 18 до 24.

Чугун от 14 до 18.

Дюраль от 14 до 18.

Инструментальная сталь от 18 до 24.

Легированная сталь от 18 до 24.

Легкие сечения проката, трубы от 24 до 32.

Листовая сталь 32.

Латунь, медь, мягкая сталь от 14 до 18.

Стальной трос от 24 до 32.

Стальные трубчатые заготовки от 18 до 24.

Сталь для инструментов от18 до 24.

Средние сечения проката от 18 до 24.

При выборе шага зубьев руководствуются, материалом обрабатываемой детали, ее твердостью и характером обработки.

Чем тверже материал обрабатываемой детали, тем шаг должен быть мельчечем больше глубина и длина обработки, тем шаг крупнее.

Для обработки стали и чугуна наибольшее применение нашли полотна с шагами зубьев от 1,00 до 1,25 мм [35]. Для слесарных полотен длиною 300 мм установлены шаги зубьев: 0,80- 1,00, 1,25- 1,40 и 1,60 мм [15]. Шаг зубьев определяет количество одновременно участвующих в резании зубьев на заданной длине обработки При работе полотнами необходимо стремиться к созданию условий, когда полотно имеет рабочий ход больше длины обрабатываемой заготовки.

Рассмотрим работу полотна участком длиной 12 на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема работы полотна.

Нормальным условием работы полотном принято считать, если оно работает на длине h приближённо равной 2/3 от своей общей длины.

При длине полотна 300 мм это составляет от 150 до 200 мм. Следует отметить, что не все зубья, участвующие в работе, имеют полный рабочий ход, равный длине обрабатываемой поверхности, поэтому зубья находятся в разных условиях на-гружения. Полный рабочий ход имеют зубья (рис. 1.1) вправо от точки В до точки А/, на длине // Зубья влево от точки В до точки, А и вправо от точки А/ до 5/ не имеют полного рабочего хода с обрабатываемой поверхностью. При резании заготовки длиной / рабочий ход соответствует длине 1Х.

Из практики работы полотнами длина / обрабатываемой поверхности должна составлять: 4t < / < 35i, где t — шаг зубьев.

Длина / обрабатываемой поверхности и величина /, полного рабочего хода полотна должны быть строго увязаны между собой.

Зубья полотен имеют разницу по высоте, которая колеблется в пределах от 0,10 до 0,15 мм на длине рабочего хода. Разница по высоте зубьев влияет на процесс резания полотном, т к при работе зубья будут снимать стружку разной толщины При резании любым типом полотен необходимо, чтобы в каждый момент обработки в контакте с заготовкой находилось не менее трех зубьев, т. к при количестве зубьев менее трёх производительное резание невозможно [51].

1.2. Разводка зубьев.

Разводка — обязательная операция, которая выполняется для получения вспомогательных углов на боковых поверхностях зубьев слесарных ножовочных полотен. Разводка — это отгибание зубьев в сторону. Разводка зубьев полотен может быть двух видов: с шагом до 1,0мм — по полотну (волнообразная разводка) — с шагом свыше 1,0 мм может выполняться по следующим схемам — по каждому зубу, или через зуб, или двух смежных зубьев через один неразведённый Разводка зубьев увеличивает ширину реза. Ширина реза при разводке по полотну должна составлять от 1,25 до 1,60, а при разводке по зубу — от 0,30 до 0,50 толщины полотна Следовательно, разводка увеличивает объём пространства, где может размещаться стружка во время её транспортирования до выхода зубьев из зоны резания, что уменьшает трение боковых поверхностей зубьев о стенки реза. С другой стороны, из-за разного расположения зубья могут снимать разные стружки, как по форме, так и объёму, а это создаст неодинаковые условия нагрузки на зубья в процессе работы.

Виды разводки и схемы припусков, срезаемых каждым зубом, шириной b?, равной толщине полотна, высотой, а при ширине В реза см. табл. 1.2.

Вид разводки зубьев и схема срезаемого припуска.

Таблица 1.2.

Вид разводки.

Схема срезаемого припуска 1.

Через центральный зуб 1 2 3 4 5 6 7 тз! 2.

Перегруженные зубья № 3−5 и т. п. Г-образная стружка.

7 По полотну волнообразная).

1 2 3 4 5.

6 7.

Ь1.

Перегруженные зубья № 4−7 и т. п. значительно неравномерная Г-образная стружка.

Продолжение таблицы 1.2. 1.

3 По каждому зубу.

1 -—.

Ь1 л 1 / / / / 1 1 10 2.

NN V / / / 3 у. (4 V / 5 /. / / у 6 / 7.

Равномерная Г-образная стружка, первый зуб неразведенный.

1 2 3 4 5.

В=Ь1.

Равномерная стружка. Вширина разводки Ь1-тоящина полотна а-толщина слоя, снимаемого одним зубом.

Образование ширины реза вторым и следующими зубьями должно проходить при удалении слоев разной высоты. Это может способствовать неравномерной нагрузке зубьев, участвующих в работе.

Разводка по зубу (поз. 1) выполнена по схеме: два смежных зуба через один неразведённый, при этом отношение высот слоев — 2:3.

Разводка по полотну (поз. 2) — волнообразная. Шаг волны составляют семь зубьев Первый, четвёртый и седьмой зубья определяют вершины волны. Отношение высот слоёв -2'3:4,2:4,6. Эта разводка нашла наибольшее применение в отечественном производстве полотен из-за «простоты» выполнения.

В сравнении с любой разводкой по зубу разводка по полотну создает самые неблагоприятные условия нагрузки на зубья. С увеличением длины обрабатываемой поверхности данное влияние будет усиливаться.

Данная разводка не обеспечивает равномерного износа зубьев, т к. зубья, находящиеся в вершинах волны, перегружены на боковых вспомогательных режущих кромках, при этом зубья не всегда попадают на вершину волны (там может расположиться впадина).

Снимаемая стружка, Г-образной формы, тяжело свёртывается, возможно её пакетирование в канавках зубьев, что может привести к поломке одного или нескольких зубьев.

Разводка по каждому зубу (поз. 3) считается наиболее прогрессивной, т. к. все срезаемые слои одинаковы по форме сечения и все зубья равномерно нагружены, т. е. при работе имеют приближённо равный износ.

Разводка поз. 1 и 3 применяется на машинных ножовочных полотнах и редко используется на слесарных ножовочных полотнах в виду сложности реализации и получается за счёт принудительного отгибания зубьев полотна на его правую или левую сторону, а разводка поз. 2 — получается за счёт изгиба по полотну.

Вариант поз 4 можно только условно отнести к разводке, т. к. он не связан с принудительным отгибанием зуба, а сокращение трения на боковых поверхностях зубьев полотна осуществляется за счёт образования задних вспомогательных углов, что осуществляется другими способами.

7 Результаты работы использованы при насекании ручных ножовочных полотен и узкой стороны плоских напильников на ОАО «Металлист» г. Соснов-ское и др.