Технологическое обеспечение экономичных условий обработки на станках с ЧПУ на основе структурной и параметрической оптимизации формообразования поверхностей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат наук Савлов Алексей Николаевич

• Савлов Алексей Николаевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Савлов Алексей Николаевич

Введение

Глава 1. Состояние проблемы повышения эффективности многооперационной обработки на современном оборудовании с ЧПУ

1.1. Номенклатура деталей, изготавливаемых на многооперационных станках с ЧПУ. Пути сокращения штучного времени

1.2. Анализ структур циклов многопроходной черновой и чистовой обработки на станках с ЧПУ

1.3. Аналитический обзор известных исследований по установлению стойкостных зависимостей на основе исследования размерного износа инструмента

1.3.1. Элементы износа инструмента и методы его измерения

1.3.2. Относительный и удельный износ инструмента при различной длине пути резания

1.3.3. Методика определения режимов резания на основании исследования относительного износа инструмента

1.4. Возможные технологические пути повышения эффективности обработки деталей на современных станках с ЧПУ

1.5. Постановка цели работы и задач исследования

Глава 2. Структурная оптимизация циклов обработки элементарных

поверхностей на станках с ЧПУ

2.1. Совершенствование параметров структуры циклов перемещений инструментов при формообразовании элементарных поверхностей

2.1.1. Анализ структуры расчётных выражений для определения оперативного времени при обработке элементарных поверхностей с позиции его минимизации

2.1.2. Технологическая эффективность совершенствования параметров

структуры циклов при формообразовании элементарных

поверхностей

2.2. Выводы

Глава 3. Методика оценки эффективности выбора инструмента различных фирм производителей и параметров режима обработки элементарных поверхностей заготовок

3.1. Характеристика различных показателей процессов обработки, используемых для оценки их эффективности

3.2. Последовательность установления функциональных зависимостей

для Т-Р характеристик процессов обработки

3.3. Аналитические зависимости для расчёта скорости съема материала при различных методах обработки

3.4. Технико-экономическая оценка выбора фирмы производителя инструмента при обработке элементарных поверхностей

3.4.1. Получение функциональной зависимости себестоимости Соп. обработки от стойкости инструмента Т и скорости съёма материала Р

3.4.2. Оптимальная скорость съёма материала ро при обработке элементарных поверхностей

3.5. Обобщённая методика выбора сочетания параметров режима обработки элементарных поверхностей заготовки

3.6. Выводы

Глава 4. Экспериментальное исследование износа режущего

инструмента при точении стали 40Х

4.1. Методика проведения экспериментальных исследований

4.1.1. Оборудование для исследования износа инструмента и его технические характеристики

4.1.2. Последовательность приёмов для ориентации инструмента перед проведением измерения износа по задней поверхности, фотосъёмка рабочих поверхностей инструмента

4.2. Сравнение результатов исследования износа импортного инструмента с результатами исследований износа отечественного твердосплавного инструмента

4.3. Методика получения эмпирических математических моделей износа режущих пластин при точении стали 40Х

4.3.1. Постановка экспериментов и математическая обработка полученных результатов

4.3.2. Эмпирические математические модели для расчёта износа режущих пластин по задней поверхности

4.4. Выводы

Глава 5. Технологическая реализация обеспечения экономичных условий обработки элементарных поверхностей деталей на многооперационных станках с ЧПУ

5.1. Оптимизация параметров режима обработки элементарных поверхностей по критерию минимальная себестоимость (оптимальная скорость съёма материала)

5.2. Карты оптимального сочетания управляемых параметров режима обработки элементарных поверхностей рекомендуемым режущим инструментом

5.3. Выводы

Заключение

Список литературы

Приложение А (обязательное) Исходные данные и расчётные значения

СТ и п Т-Р характеристик, оптимальной скорости съёма материала ро при обработке элементарных поверхностей различными

инструментами

Приложение Б (обязательное) Блок-схемы алгоритмов определения сочетания управляемых параметров режима методов обработки для фиксированных значений стойкости инструмента Т, и

соответствующая им скорость съёма материала Q

Приложение В (обязательное) Карты стойкости рекомендуемого

режущего инструмента

Приложение Г (обязательное) Технический акт внедрения

Приложение Д (обязательное) Акт об использовании предложения

Приложение Е (обязательное) Акт на внедрение результатов исследований по повышению эффективности обработки деталей на станках с ЧПУ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технологическое обеспечение экономичных условий обработки на станках с ЧПУ на основе структурной и параметрической оптимизации формообразования поверхностей»

Введение

При современных рыночных отношениях решение задач повышения производительности труда в различных отраслях промышленности неразрывно связано с механообрабатывающим производством, где металлорежущие станки являются основным видом технологического оборудования.

Стремление к лидерству вынуждает многие предприятия ставить новые задачи по повышению качества выпускаемой продукции и увеличению объёмов, что предусматривает коренное обновление основных фондов, освоение новых технологий на высокопроизводительном многооперационном технологическом оборудовании с ЧПУ. На оборудовании с ЧПУ возможно производить обработку различных заготовок, из разного вида материала, при этом концентрируя операции на одном станке. Основной отличительной особенностью многооперационных станков с ЧПУ, расширяющих их технологические возможности, является наличие инструментального магазина, систем автоматической смены инструмента и диагностики его состояния, что позволяет вести комплексную обработку деталей при обеспечении высокопроизводительного и точного выполнения резания для различного вида работ. Высокая стоимость оборудований накладывает определённые требования к многооперационным станкам с ЧПУ: проведение обоснованной высокоэффективной технологической подготовки обработки на них деталей, обеспечивающей минимальное время их работы без съёма стружки, применения рационального инструмента и сочетания параметров режима резания, при формообразовании элементарных поверхностей обрабатываемых деталей.

Благодаря фундаментальным работам известных отечественных и зарубежных учёных Аршинова В.А., Балакшина Б.С., Боброва В.Ф., Грановского Г.И., Зворыкина К.А., Зорева Н.Н., Макарова А.Д., Маталина А.А., Миллер Е., Резникова А.Н., Резникова Н.И., Розенберга А.М., Тейлора Ф., Тиме Н.А., Усачева Я.Г., Якобса Г.Ю., Ящерицына П.И., и других созданы научные основы процессов резания, а также проведено изучение определения сил резания и тепловых

явлений, вопросов стружкообразования, точности и качества поверхности деталей, которые широко применяются в разных отраслях машиностроения.

Существенным вкладом учёных в совершенствование теоретических основ процессов резания для повышения их эффективности дано в работах Безъязычного В.Ф., Гузеева В.И., Дальского А.М., Лоладзе Т.Н., Маркова А.М., Матвеева В.В., Мещерякова Р.К., Митрофанова В.Г., Рыжова Э.В., Соломенцева Ю.М., Старкова В.К., Суслова А.Г., Талантова Н.В., Татаркина Е.Ю. и других. В данных работах, а также в производственном опыте предприятий машиностроительной области доказаны возможности процессов резания по обеспечению высокого качества изделий при высокопроизводительной обработке. Трудами отечественных учёных создана передовая школа резания материалов, получившая мировое признание, которую характеризует глубокое изучение физических явлений в зоне резания материалов, и использование познанных закономерностей в практических целях.

Анализ литературных источников по обработке различных конструкционных материалов и производственного опыта предприятий, где широко используются современные многооперационные станки с ЧПУ, показывает, что при технологической подготовке изготовления деталей на этих станках в недостаточной степени анализируются и оптимизируются при разработке программного обеспечения станков вопросы рационального структурного и параметрического формообразования элементарных поверхностей детали. Это обусловлено отсутствием разработанных нормативных руководящих материалов, касающихся этих вопросов, и является значительным резервом повышения эффективности обработки деталей на многооперационных станках с ЧПУ.

В текущий момент времени нет исследований и рекомендаций: по сокращению непроизводительных затрат времени на вспомогательные перемещения на рабочих и ускоренных подачах рабочего инструмента при формообразовании элементарных поверхностей детали; научно обоснованной методики выбора рационального инструмента из широкой номенклатуры

альтернативных, рекомендуемых для обработки одних и тех же поверхностей по экономическим критериям; нормативных руководящих материалов по назначению параметров режима обработки элементарных поверхностей рекомендуемым инструментом, которые обеспечивают оптимальную технологическую скорость съёма материала (соответствующую минимальной себестоимости обработки) при заданной стойкости инструмента. Это не позволяет обоснованно управлять процессами формообразования элементарных поверхностей деталей с целью обеспечения требуемого их качества при максимальной производительности, и определяет актуальность проблемы повышение эффективности многооперационной обработки на современном станке с ЧПУ. Отмеченное является предпосылкой для постановки данной работы, цель которой - технологическое обеспечение экономичных условий многооперационной обработки деталей на современных станках с ЧПУ на основе структурной и параметрической оптимизации формообразования элементарных поверхностей.

На основании теоретических и экспериментальных исследований структурного и параметрического формообразования элементарных поверхностей при резании созданы математические модели для описания основных закономерностей повышения эффективности многооперационной обработки на современном технологическом оборудовании с ЧПУ. На основании этих моделей разработана методика и даны рекомендации для обработки различных элементарных поверхностей рекомендуемым режущим инструментом, которые реализованы в виде нормативных руководящих материалах для технологов и программистов при технологической подготовке производства.

Научная новизна выполненной работы включает научные результаты, которые обеспечивают решение задач технологического обеспечения экономичных условий многооперационной обработки на станках с ЧПУ, а именно:

- Математические модели, описывающие Т-Р характеристики процессов резания, скорость съёма материала при формообразовании различных элементарных поверхностей детали;

- Математические модели оптимальной технологической скорости съёма материала (соответствующей минимальной технологической себестоимости), управляемых параметров режима обработки от принятых значений стойкости режущего инструмента при формообразовании различных элементарных поверхностей;

- Способ точения поверхностей, обеспечивающий минимальную технологическую себестоимость при требуемых показателях качества.

Практическая значимость работы обуславливается следующим:

- Разработана методика назначения оптимального сочетания управляемых параметров режима обработки элементарных поверхностей для принятой стойкости режущего инструмента, реализованная в картах сочетания параметров режима, занесённых в нормативную технологическую документацию для технологов при разработке технологических процессов изготовления деталей и программистов при разработке управляющих программ для многооперационных станков с ЧПУ;

- Результаты исследований внедрены для разработки технологических процессов многооперационной обработки на станке с ЧПУ на АО «Новомет-Пермь» с годовым экономическим эффектом 8 958 522 рублей, и рекомендованы для использования на других предприятиях, а так же используются для подготовки бакалавров и магистров по направлению: «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» в учебном процессе ПНИПУ.

Глава 1 рассматривает анализ состояния производственной проблемы повышения эффективности многооперационной обработки на современных станках с ЧПУ, постановку цели работы и задач, решение которых позволит достичь поставленную цель.

Глава 2 посвящена структурной оптимизации циклов обработки элементарных поверхностей на станках с ЧПУ, для выявления структурных признаков, влияющих на непроизводительные затраты времени при обработке поверхностей и разработке рекомендаций по их минимизации.

Глава 3 посвящена разработке методики оценки эффективности выбора инструмента различных фирм производителей и параметров режима обработки элементарных поверхностей на основании обобщённого критерия обрабатываемости - технологическая скорость съёма материала, включающая разработку математических моделей Т-Р характеристик процессов резания, скорости съёма материала различных методов обработки, оптимальной технологической скорости съёма материала (соответствующей минимальной технологической себестоимости), управляемых параметров режима обработки от констант стойкости рекомендуемого режущего инструмента.

Глава 4 посвящена экспериментальному исследованию износа режущего инструмента при точении стали 40Х, получению эмпирических математических моделей износа для сопоставления результатов износа импортного режущего инструмента с результатами износа отечественного твердосплавного режущего инструмента при одинаковых параметрах режима точения и подтверждения общности положений теории резания отечественным и импортным режущим инструментом.

Глава 5 посвящена технологической реализации обеспечения экономичных условий обработки элементарных поверхностей деталей на многооперационных станках с ЧПУ, предоставленной в виде карт оптимальных сочетаний параметров режима обработки элементарных поверхностей, в зависимости от принятой стойкости режущих инструментов.

Результаты исследований, которые изложены в данной диссертации, получены при выполнении научно-исследовательской работы.

В период с 2014 по 2018 год основные положения диссертации докладывались на международных, республиканских, всероссийских, а также межвузовских семинарах и конференциях (г. Барнаул, г. Волжский - 2014 г.; г. Уфа, г. Томск, г. Курск. - 2018 г.). Содержание работы опубликовано в 14 статьях, в том числе 8 в изданиях, включённых в МБЦ и список ВАК. Новизна решений, которая представлена в данных работах, защищена патентом РФ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

МНОГООПЕРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ НА СОВРЕМЕННОМ

ОБОРУДОВАНИИ С ЧПУ

1.1. Номенклатура деталей, изготавливаемых на многооперационных станках с ЧПУ. Пути сокращения штучного времени

Для современного машиностроения, работающего преимущественно в условиях серийного производства, характерно широкое применение многооперационных станков с ЧПУ. По данным работ [18, 44, 49, 75, 88] известно, что на долю токарных станков приходится большая часть парка металлорежущих станков с ЧПУ - 29,2%, на шлифовальные и полировальные -15,8%, фрезерные - 13,2%, зубообрабатывающие - 7,2%. При этом типовые детали, обрабатываемые на многооперационных станках распределяются следующим образом: сложные корпусные типа гладких валов 36%, ступенчатые валы - 42%, типа втулок - 22%. Применение станков с ЧПУ становится целесообразным с точки зрения экономики не только при обработке сложных корпусных деталей, изготовление которых на универсальных станках обычно невозможно, но и для деталей типа валов, имеющих точность линейных и диаметральных размеров по 1Т8-1Т10 [35] и шероховатость поверхности Кх от 5 до 20 мкм [26, 91]. Повышение экономической эффективности обработки на многооперационных станках с ЧПУ в первую очередь достигается за счёт максимальной концентрации операций.

Проведенный экспертный опрос [44] показывает, что предлагаемые технологами пути обеспечения требуемых показателей качества изделий обуславливают существенные затраты. Среди опрошенных специалистов варианты решения проблемы распределяются следующим образом:

- снижение параметров режимов обработки - 34%;

- использование систем автоматического управления, специальной оснастки - 27%;

- повышение жесткости технологической системы - 26%;

- комбинация вариантов - 13%.

Высокая стоимость оборудований накладывает определённые требования к многооперационным станкам с ЧПУ: проведение обоснованной высокоэффективной технологической подготовки производства, которая обеспечивает минимальное время их работы без съёма материала, при формообразовании элементарных поверхностей детали.

Штучное время Тшт формообразования элементарной поверхности представляет собой сумму трёх слагаемых: оперативного времени Топ, времени обслуживания рабочего места Тоб и дополнительного времени Тд:

Тшт = Топ +Тоб + Тд (1.1)

При этом оперативное время Топ это сумма основного технологического времени То и вспомогательного Тв, включающего две составляющие (Тв.р, Тв,у):

Топ То +Тв То+ Тв.р +Тв.у , (1.2)

где Тв.р - время холостых перемещений инструмента на рабочей подаче (врезание, перебег, отвод инструмента на последующий проход); Тв.у - время перемещения инструмента на ускоренных подачах станка (подвод от точки смены инструмента к обрабатываемой поверхности, возврат в точку смены).

Анализ составляющих приведенных формул показывает [11, 53, 54], что время штучное можно сократить за счет времени оперативного Топ, так как доля других слагаемых, входящих во время штучное - невелика. Сокращение времени оперативного Топ можно достигнуть путем либо уменьшения времени основного технологического То, либо полным или частичным совмещением во времени переходов в операции.

Уменьшение основного технологического времени достигается за счёт составляющих формулы, по которой его рассчитывают [34]:

гр _ Овр+^д + ^пер)^

То = п* (13)

Первый путь сокращения То - это уменьшение пути перемещения инструмента на рабочей подаче 5 за счет уменьшения длины врезания и перебега

(1вр и 1пер соответственно), что может быть достигнуто корректным автоматизированным программированием управляющей программы, обеспечивающей точность позиционирования режущего инструмента.

Второй путь - это сокращение числа рабочих ходов I за счет высокой жесткости технологической системы современных станков с ЧПУ, позволяющей осуществлять так называемое «силовое» резание, а также использование заготовок с минимальными припусками.

Время холостых перемещений инструмента на рабочей подаче определяется по формуле:

гр _ (^вр+^пер+^отв)^

Тв.Р. = ^ '

где Ьпер - длина, соответствующая перебегу инструмента; Ьвр - длина, соответствующая врезанию инструмента; Ьотв - длина, соответствующая отводу инструмента от заготовки.

Время перемещений инструмента на ускоренных подачах станка определяется по формуле:

Т =

где Ьу - длина ускоренных перемещений инструмента; 5У - скорость ускоренных перемещений.

Анализ структуры расчётных выражений, составляющих Топ позволяет сделать вывод, что составляющая времени То может быть уменьшена за счёт назначения оптимального сочетания параметров режима резания (п, 5), что входит в круг задач параметрической оптимизации формообразования элементарных поверхностей [64, 96]. Составляющие Твр и Тву могут быть уменьшены за счёт уменьшения длин врезания, перебега, отвода и ускоренных перемещений, а также изменения траекторий движения инструмента при этих перемещениях, не нарушая процесс формообразования поверхностей. Это входит в круг задач совершенствования структуры циклов обработки элементарных поверхностей.

Перспективным представляется путь повышения эффективности обработки за счет построения оптимальной структуры цикла многопроходного формообразования элементарных поверхностей детали.

1.2. Анализ структур циклов многопроходной черновой и чистовой обработки на станках с ЧПУ

При разработке управляющих программ для станка с ЧПУ деталь разбивают на зоны обработки, формируемые в зависимости от требований к точности размеров и указанной шероховатости поверхностей детали, а также возможности режущих инструментов и способов крепления заготовки в станке. Зоны обработки, соответствующие, как правило, одному технологическому переходу разделяются на черновую обработку и чистовую обработку. При этом наибольшая суммарная трудоемкость (проектирования управляющей программы и непосредственно обработка на станке) приходится на зоны выборки, которые могут быть открытыми, полуоткрытыми, закрытыми [15, 17, 18, 23, 30, 64].

С целью повышения эффективности технологической подготовки производства в настоящее время разработаны стандартные циклы, в соответствие с которыми удаление припуска в зоне может осуществляться по различным схемам. Наиболее распространенными схемами являются: «Петля», «Виток» («Зигзаг»), «Спуск» (рис. 1.1).

а). «Петля» б). «Виток» («Зигзаг») в). «Спуск»

Рисунок 1.1 - Схемы удаления припуска Варианты реализации схем для различных зон выборки приведены в таблице 1.1.

Анализ номенклатуры деталей, изготавливаемых на станках с ЧПУ, показывает, что значительную долю занимают детали, содержащие полуоткрытые зоны. При обработке таких деталей находят применение более сложные схемы перемещения инструмента, чем рассмотренные выше.

Таблица 1.1 - Реализация схем удаления припуска

Рисунок 1.2 - Черновая схема с получистовым (зачистным) проходом

Эквидистантная схема (рис. 1.3) выполняется таким образом, что траектории рабочих ходов инструмента соответствуют контуру обрабатываемой детали.

Рисунок 1.3 - Эквидистантная схема

Контурная схема формируется путем повторения рабочих ходов инструмента, эквидистантных обрабатываемому профилю (рис. 1.4). Каждый рабочий ход совместно со вспомогательным ходом образует некоторую траекторию. Такая траектория соответствует замкнутому циклу. В этом цикле начальная точка двигается по прямой и приближается к контуру детали.

Рисунок 1.4

- Контурная схема обработки

Практика построения цикла черновой обработки ступенчатых поверхностей на станках с ЧПУ предусматривает три основных схемы удаления припуска [18].

Первая схема называется по циклам вертикалей. Удаление припуска происходит последовательно в каждой области. В первую очередь снимают припуск tl в первой области (рис. 1.5, а), потом во второй области, потом в третьей области (рис. 1.5, б).

Рисунок 1.5 - Схема, которая показывает удаление припуска черновой зоны в процессе обработки ступенчатых поверхностей по циклам вертикалей

Вторая схема называется по циклам уровней. Здесь удаление припуска с поверхности детали происходит последовательно вниз, где инструмент совершает продольное перемещение в пределах уровня во всех областях (рис. 1.6).

14

г

Рисунок 1.6 - Схема, которая показывает удаление припуска по

циклам уровней

Третья схема называется по циклам горизонталей чернового контура. Эта схема показана на рисунке 1.7. Она имеет отличие от варианта, который указан выше в том, что инструмент сначала удаляет припуск 1Р продольным ходом по всем зонам обработки (траектория А—4—5). Затем удаление припуска происходит в первой зоне за два хода. После этого формируется черновой контур заготовки: движение инструмента начинается от точки 1 через следующие точки 9, затем 2, потом 10, далее 3 и 11.

Теперь можно определить сходство, проведя сравнение данной схемы и типовой - черновой с получистовым (зачистным) ходом, так как основная задача у них заключается в том, что необходимо выполнить удаление слоёв припуска за несколько ходов инструмента по всем областям, при этом оставив, в каждой области припуск, который меньше предельного; потом выполнить зачистной ход по всему черновому контуру, образовав его.

Рисунок 1.7 - Схема, которая показывает удаление припуска по циклам

горизонталей

Проведенный анализ структур циклов многопроходной черновой и чистовой обработки на станках с ЧПУ показывает, что схемы обработки зон различаются производительностью, погрешностью обработки, трудоемкостью составления управляющей программы. В связи с этим для повышения эффективности изготовления детали на станке с ЧПУ в стадии обработки, соответствующие формообразованию зон выборки, вводятся так называемые зачистные проходы.

Таким образом, цикл многопроходной обработки определяется такими его элементами как схемой распределения припуска, наличие или отсутствие зачистного прохода, типом применяемого инструмента, схемой обработки. Различные сочетания составляющих элементов цикла позволяют получить множество его реализаций. Перед технологом ставится задача по выбору оптимальной структуры цикла. Отсутствие доведенных до практического применения методик оптимизации структур циклов многопроходной обработки на станках с ЧПУ не позволяет в полной мере автоматизировать процесс технологической подготовки производства [3, 4].

1.3. Аналитический обзор известных исследований по установлению стойкостных зависимостей на основе исследования размерного износа инструмента

1.3.1. Элементы износа инструмента и методы его измерения

Известные методы, которые определяют обрабатываемость различных видов материалов и устанавливают стойкостные зависимости V = f(Т, я), V =

f(T), указывают на практические исследования закономерностей износа различных режущих инструментов отечественного и импортного производства. Такие зависимости устанавливают связь между скоростью резания и величиной износа инструмента. К величинам, которые характеризуют износ режущего инструмента, относятся: размер лунки на передней грани режущего инструмента,

ширина фаски износа по задней поверхности, укорочение резца в радиальном направлении, и др. В основу соответствующих стойкостных зависимостей должен быть положен вид износа, который непрерывно и наиболее закономерно возрастает с увеличением времени работы [41, 42, 97].

При обработке конструкционных материалов твердосплавным инструментом наиболее закономерно во времени возрастает глубина лунки по передней грани, а потом ширина фаски износа по задней поверхности режущего инструмента. Наиболее точно и легче поддаётся измерению ширина фаски износа по задней поверхности режущего инструмента, чем глубина лунки по передней грани поэтому учёные установили стойкостные зависимости на основе износа по задней поверхности режущего инструмента. К измерению данного износа пригоден отсчетный микроскоп, лупа прибора Бринелля и др. При этом сменную многогранную пластину (СМП) снимают с резца, устанавливают на стол микроскопа и при визуальном наблюдении фиксируют величину фаски износа. Полученные результаты заносят в таблицу, а реальное изображение при необходимости фотографируют.

Радиальный или размерный износ это вид износа инструмента, непосредственно связанный с точностью изготовления деталей. В качестве критерия затупления преимущество использования радиального износа обусловлено тем, что он непосредственно связан с требованиями к шероховатости и точности обработанной поверхности.

Характерная кривая износа задней поверхности режущего инструмента представлена на рисунке 1.8.. Кривая износа по задней поверхности режущего инструмента состоит из трех выраженных участков. Участок ОА является периодом приработки режущего инструмента. При продолжительной работе режущим инструментом увеличение износа по задней поверхности замедляется, с уменьшением контактных касательных напряжений в зоне износа по мере разрастания её размеров. Периоду нормального изнашивания режущего инструмента соответствует участок АВ. Кривая износа стремится вверх когда износ резко увеличивается при достижении определённой величины В. За точкой

В располагается участок, который, указывает на период катастрофического износа инструмента.

Рисунок 1.8 - Характерный вид кривой износа [43] 85...90% от периода заявленной стойкости режущего инструмента составляет период нормального изнашивания. К уменьшению периода изнашивания приводит увеличение скорости резания. Режущие лезвия инструмента должны иметь такие геометрические параметры, чтобы максимально обеспечить увеличение периода нормального изнашивания и сократить период приработки.

1.3.2. Относительный и удельный износ инструмента при различной длине пути резания

Линейный относительный износ инструмента кол, характеризующий интенсивность радиального износа, определяется по формуле (1.4):

{Кг - кн) • 1000

^о.л =-;—;-мкм/км, (Ы)

I - £н

где кг - радиальный (размерный) износ или текущая величина размерного износа в мкм; кн - начальный радиальный износ в мкм; / - конечная или текущая длина пути резания в м; 1н - длина начального участка пути резания в м.

Удельный износ инструмента До по задней поверхности подсчитывается по формуле (1.5):

д (К - h3M)

Aq= ——-— мкм/мин, (1.5)

1 - 1н

где h3.H - ширина фаски износа по задней поверхности режущего инструмента в конце периода начального износа в мкм; h3 - общая ширина фаски износа по задней поверхности режущего инструмента в мкм; Т - период стойкости, общее или текущее время работы инструмента в мин; Тн - время работы резца за период начального износа в мин.

Относительный и удельный износы подсчитываются по участку установившегося (так называемого нормального) износа.

На рисунке 1.9 представлены графики радиального износа, и ширины фаски износа по задней поверхности токарных резцов Т30К4 в зависимости от длины пути резания при точении стали 45 с различными сочетаниями v, s, t. При этом наблюдается строгая закономерность кривых hr = f(l) по сравнению с кривыми Кз = АО .

Период приработки во всех опытах заканчивается при 1н = 2000 м. При подстановке в формулу (1.4) значений I = 3000; 4000; 6000; 8000 и 10000 м величина Кол изменяется в небольших пределах. Относительный износ наиболее точно может быть определен при l = 3000-4000 м.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Савлов Алексей Николаевич, 2019 год

материала Р

Метод обработки

Схема и управляемые

параметры режима _обработки_

Аналитическая зависимость для расчета скорости съема материала О

Точение

Q = V•S•t,

V - скорость резания, м/мин, 8 - подача, мм/об, 1 - глубина резания, мм.

Q = v•s•t• 103, мм3/мин

Фрезерование

Q В • t • $т1п

В - ширина фрезерования, мм, 1 - глубина резания, мм,

$тт = • 2 •Щ , мм/мин

Бъ - подача на зуб фрезы, ъ - число зубьев фрезы,

_ 1000-К

пФ = ~^Г,

V- скорость резания, м/мин, Б - диаметр фрезы, мм.

о = - 2

п • Б

, мм3/мин.

Сверление

Ц = Р ■ V ,

ОС'

где Б - площадь отверстия, мм2, п ■р2

р =

4

Б - диаметр отверстия, мм, Чс = 3 ■Пев, 8 - осевая подача, мм/об,

1000■v

псв = тт г> , п ■р

V- скорость сверления, м/мин.

п v р ■ б 103 з/

ц =-, мм3/мин.

4

Зенкеро-вание и развертывание

Ц = Р ■ V ,

р ос 5

где Бр - площадь среза, мм2

П ■(Р - Ро )2

р

Р„

р 4

Б - диаметр отверстия, мм, Бо - диаметр предварительно обработанного отверстия, мм,

= Б ■п

п

1000■v

п ■р

V - скорость резания, м/мин,

б ■ v ■ 103

v» =

п ■р

м/мин

Ц

V (Р-Р0)2 ■ Б■Ю3 4^Р

мм3/мин.

Нарезание метрической резьбы резцом

Р ■ V

Ц = ^т-,

I

где Бр - площадь сечения резьбового профиля, мм2, 1

р =1 ■ б2 ■ соб30° , р 2

8 - шаг резьбы, V - скорость нарезания резьбы, м/мин,

1 - число проходов.

_ v■ б2 ■ 103 эпо з/ ц =--соб30° , мм3/мин.

2 ■ i

Нарезание метрической резьбы метчиком

Q = W/Т, где W - объем снимаемого материала, мм3,

!

s

4

w = ^ — • п I d — • s • cos30

3

1

^ = -• б2 • cos30o, мм2 p 2

8 - шаг резьбы, мм,

1 - длина резьбы, мм,

Б - диаметр резьбы,

т - время нарезания резьбы, мин,

п • d • i

т =--—, мин,

v•103•б

V - скорость нарезания резьбы, м/мин.

Q

й - 4 • Б • ^30о 3

Б2 • V -103 •cos30o

2 й

мм3/мин.

о

3.4. Технико-экономическая оценка выбора фирмы производителя инструмента при обработке элементарных поверхностей

3.4.1. Получение функциональной зависимости себестоимости Соп. обработки от стойкости инструмента Т и скорости съема материала Q

Стойкость инструмента и параметры режима обработки являются основными факторами, определяющие себестоимость операции. От сочетания параметров режима обработки зависит машинное время, время затрачиваемое на правку или смену инструмента и расход инструмента. Таким образом, полученные зависимости Т-Р характеристик между стойкостью и скоростью съема материала является базой для экономической оценки операции. Основным критерием такой оценки является себестоимость операции. Для решения задачи определения экономических условий обработки необходимо выразить себестоимость операции как функции стойкости инструмента и скорости съема припуска. Для этого представим себестоимость операции в виде суммы двух затрат:

Соп . Сз.с. + Си.р., (3.5)

где Сз.с. - затраты на зарплату рабочего, которые приходятся на операцию; Си.р. - затраты на режущий инструмент, которые приходятся на операцию.

Затраты, которые связаны с расходом электроэнергии, с амортизацией технологического оборудования и технологической оснастки, эксплуатацией зданий не учитываем, потому что их величина является неизменной в этой задаче.

Затраты на зарплату рабочего, которые приходятся на данную операцию, рассчитывают по следующей формуле:

Сз.с. Сз.м.с. • (^маш. + —)' (36)

где Сз.м.с. - это тарифная ставка одного рабочего с учетом накладных расходов; 1маш. - это машинное время обработки данной поверхности, которое равно М/Ц, где М - это объем снимаемого материала при обработке данной поверхности; ^м. - это время, которое затрачивается на замену режущего инструмента; N - это количество деталей, которое необходимо обработать за период стойкости Т режущего инструмента:

Затраты на режущий инструмент, которые зависят от его расхода, определяются по следующей формуле:

Си.р. = 5 • (3.7)

где Б - это покупная стоимость режущего инструмента.

Произведя подстановку (3.6), (3.7) в (3.5) и, преобразовав, получим:

Соп. = Сз.м.с. • М • Г1 + Сз.м.с. • М • 7м • Г-1 + ^ • ^^ (3.8)

Ст Ст

Выражение (3.8) определяет зависимость себестоимости обработки на операции от скорости съема материала. Слагаемые в данном выражении определяют зарплату станочника за машинное время работы, зарплату станочника за время, которое он затрачивает на замену режущего инструмента, приходящееся на обработку данной поверхности и затраты связанные с расходом режущего

инструмента при обработке поверхности. Два последних слагаемых выражают непроизводительные затраты, приходящиеся на обработку данной поверхности. Разделив обе части уравнения (3.8) на М, получим выражение

себестоимости С, приходящееся на единицу объема снимаемого материала:

£ 0п-1 С'= С • О-1 + С • — • 0П-1 + 5 • --

^з.м.с. V ~ ^з.м.с. р V ~ ^ р ■

Выражение (3.8) себестоимости Соп. можно изобразить в виде типичной кривой, приведенной на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Зависимость себестоимости обработки Соп. элементарной поверхности от скорости съема материала Р При увеличении Р первое слагаемое себестоимости уменьшается (штриховая линия), но растет доля непроизводительных затрат (заштрихованная область). При каком-то значении Р наступает их равенство, соответствующее минимуму себестоимости, затем себестоимость, несмотря на увеличение начинает расти (восходящая ветвь кривой), так как в этой области преобладают непроизводительные затраты.

С увеличением коэффициента СТ второе, а также третье слагаемое в формуле (3.8) пропорционально уменьшается. Показатель степени п характеризует наклон Т-Р характеристики, которая представлена в виде прямой при логарифмическом масштабе по осям систем координат, и значительно влияет на абсциссу минимума кривой себестоимости: более пологой прямой Т-Р характеристики соответствует большое значение Р.

Выполним сравнительную оценку эффективности использования инструмента различных фирм производителей по Т^ характеристикам, при

выполнении данной операции растачивания отверстия в заготовке из стали 40Х, относящейся к группе обрабатываемости КО-Р [29].

Для оценки эффективности режущего инструмента различных фирм производителей при выполнении переходов растачивания представим зависимости Т^ характеристик в логарифмическом масштабе по осям координат. Исходные данные для построения этих зависимостей представлены в таблице 3.5, а сами зависимости приведены на рисунке 3.3.

Таблица 3.5 - Исходные данные и расчетные значения СТ и п Т^ характеристик,

Оо, Уо

Тае§и Тес Ьсаг Бапёу1к Бесо

Параметры СКМО СКМО СКМО СКМО

120408 РС 120408 М3Р 120408 РМ 120408 М3

ТТ8115 1С8150 4225 ТР0501

Т, мин 15

У15, м/мин 340 310 350 290

1 мм 1,5

Б, мм/об 0,2

т 0,2

^ У 0,15; 0,2

Г1 ГУ 500,120 455,991 514,829 426,573

О15*104, мм3/мин 10,20 9,30 10,50 8,70

Ст, мин/(мм3/мин) 1,656*1026 1,043*1026 1,914*1026 7,476*1025

п 5 5 5 5

Оо*104, мм3/мин 9,08 8,28 9,35 7,75

Уо, м/мин 302,97 276,24 311,88 258,41

Рисунок 3.3 - Сравнительные Т-Р характеристики процесса растачивания инструментом различных фирм производителей при 1=1,5 мм; S=0,2 мм/об

Анализ зависимостей, приведенный на рисунке 3.3, показывает, что при заданных технологических условиях растачивания пластина фирмы производителя Sandvik СММО 120408 PM 4225 (таблица 3.6) будет самой эффективной исходя из сравниваемых инструментов по их скорости съема материала и оптимальной скорости резания [66, 98].

Таблица 3.6 - Шифр, геометрия и размеры пластины фирмы

производителя Sandvik

Исходные данные и расчётные значения СТ и п Т-Р характеристик, оптимальной скорости съёма материала Р0 при обработке элементарных поверхностей различными инструментами приведены в приложении А.

Рекомендуемые режущие инструменты из альтернативных, наиболее эффективные по скорости съёма материала и оптимальной скорости резания, при выполнении переходов обработки различных элементарных поверхностей заготовки из стали 40Х, относящейся к группе обрабатываемости КО-Р, приведены в таблице 3.7.

Таблица 3.7 - Рекомендуемые режущие инструменты при обработке

заготовок из стали 40Х

№ п/п

Вид обработ-

ки

Шифр инструмента

Геометрия инструмента

Основные размеры

Фирма производитель

1

2

3

5

6

Точение наружное, точение торца

БКМО 150608

РС ТТ8115

Б=12,7

мм 1=6,35

мм г=0,8 мм

Тае§и Тес

Точение наружное, точение торца

БКМО 150604

РС ТТ8115

Б=12,7

мм Б=6,35

мм г=0,4 мм

Тае§и Тес

Растачивание

СКМО 120408 РМ 4225

1С=12,7

мм Б=4,763

мм ЯБ=0,8

мм ЬБ=12 мм

Бапёу1к

Растачивание

БСМТ 11Т304

БМ 1С8150

1=11,60

мм Б1=9,52

мм Б=3,97

мм г=0,4 мм ё1=4,4 мм

Ьсаг

4

1

2

3

4

5

6

Точение канавок

N123H2-

04000002 GF 1125

CW=4 мм REL=0,2

мм RER=0,2 мм AN=7o CDX= 24,4 мм

Sandvik

Нарезание наружной резьбы пластиной

266RG-16MM01 A200M 1125

НА=1,5

мм НВ=0,29 мм PDY= 1,32 мм PDX= 1,40 мм

IC= 9,525 мм

Sandvik

Фрезерование уступа

Hanita 477716006 LT

Длина инструмента

Длина оезания, , 1

t^Ä...... А

D=16 мм d=16 мм Lинстр=92

мм Lрез=32 мм Z=4 зуба

Hanita

Фрезерование отверстия

MRC100 A22-4C10 MC98

D=10 мм d=10 мм L=72 мм ар=22

мм На=30о Z=4 зуба

Morse

5

6

7

8

5

Фрезерование радиусов

MM ER 2,5/094-5.1-4T06 IC908

D1=10

мм D=5,1

мм r=2,5 мм l=13 мм Ts=T06 D2=10 мм Z=4 зуба

Iscar

10

Фрезерование фаски

ECF D-5/45-4C12 IC900

d=12 мм L=83 мм ap=5 мм D5=2 мм Z=4 зуба

Iscar

11

Сверление

SDP

1090 U5HAK PCX70

D=10,9 мм d=12 мм l=67 мм L=118 мм

Sumitomo

12

Сверление

R840-0900-70 A1A 1220

DC=9 мм DCON= 10 мм LU=64,5

мм LCF=84

мм OAL=133

мм LF=131,5

мм PL=1,5

мм SIG=140о

Sandvik

6

9

5

6

13

Сверление

SDP

1300 U5HAK PCX70

D=13 мм d=14 мм 1=73 мм L=124 мм

Sumitomo

14

Сверление

R840-0680-50-A1A 1220

DC=6,8

мм DCON=

8 мм LU=35,2

мм LCF=53

мм OAL=91

мм LF=89,8

мм PL=1,2

мм SIG=140°

Sandvik

15

Сверление

R840-0610-50-A1A 1220

DC=6,1

мм DCON=

8 мм LU=31,5

мм LCF=53

мм OAL=91

мм LF=90

мм PL=1 мм SIG=140°

Sandvik

16

Сверление

SHO

20060 TT9030

D=6,0

мм d=6,0

мм L=190

мм L2=140 мм

Taegu Tec

5

17

Сверление

ICP 127 IC908

D=12,7 мм S=7 мм

Iscar

18

Развертывание

SR50057 -12.80

d1=12,8

мм d2=10 мм bmax=105 мм l1=151

мм 12=44 мм

OstExpress

19

Нарезание резьбы

EX13PM 12x1,25

TD=12

мм TP=1,25

мм DCON=

9 мм THL=15

мм FHA=480 LF=100 мм

Sandvik

20

Нарезание резьбы

EX13P M14x1

TD=14

мм TP=1 мм DCON= 11 мм THL=15

мм FHA=480 LF=100 мм

Sandvik

6

Окончание табл. 3.7.

5

6

21

Нарезание резьбы

ЕХ13Р М10х1

ТБ=10

мм ТР=1 мм БСОК=

7 мм ТИЬ=13

мм РИА=48° ЬБ=90 мм

Sandvik

22

Нарезание резьбы

М8х1,25 А70К ИSSK TiN

dl=8 мм Р=1,25

мм Ь1=90

мм Ь2=15

мм Ь3=33 мм d2=8 мм а=6,2 мм 2=3 зуба

Уег§па-по

3.4.2. Оптимальная скорость съема материала Qо при обработке элементарных поверхностей

Значение оптимальной скорости съема материала Ро, которое соответствует минимуму себестоимости вычисляется, дифференцированием выражения (3.8) по Р и приравниванием производной к нулю [12, 36, 57, 89]

а0=(

с

з.м.с.

(п-1)• (Сз.м.с. • tсм/Cт + Б/Ст)

1/п

(3.9)

Для использования формулы (3.9) в практических целях необходимо знать постоянные СТ и п в функциональной зависимости (3.1).

Определив сочетание управляемых параметров режима обработки, которые обеспечивают оптимальную скорость съема материла Qо, гарантированно будет обеспечено и повышение эффективности обработки элементарных поверхностей при требуемых показателях их качества.

Выполнив расчёт оптимальной скорости съема материала Qо для обработки каждой элементарной поверхности можно определить оптимальную скорость резания У0, при неизменных остальных параметрах режима обработки элементарных поверхностей. Расчетные выражения для определения У0 будут иметь следующий вид:

При точении К -

Оо О

8п •К -103

м/мин;

При фрезеровании К

О о Р В • К • ^ -10:

м/мин;

4 • о о

При сверлении К - п с 0Лз м/мин;

Р•8 •10

При зенкеровании и развертывании

V -

4 • Р • Оо

(Р - Р0 )2 • 8о -10:

м/мин;

При нарезании метрической резьбы пластиной

2 • I • О

О ^О

V -

м/мин;

0 82-103 • соб(300) При нарезании метрической резьбы метчиком

V -

2QoD

S¿ •ДО3 •

п

(

D - ^ • cosíп 3 16

Л

м/мин.

Блок-схема алгоритма расчёта оптимальных скорости съёма материала р0 и скорости резания У0 при точении поверхности приведена на рисунке 3.4.

Начало

^М.С.> ГСМ.'

Н"

С.м.с. I 'А +

п

0

о £*(*10

Конец

Рисунок 3.4 - Блок-схема алгоритма расчета оптимальных скорости съема материала р0 и скорости резания У0 при точении поверхности

Результаты расчета оптимальных скорости съема р0 и скорости резания У0 для альтернативных инструментов при обработке различных элементарных поверхностей приведены в таблице 3.8.

Таблица 3.8 - Результаты расчета Qo и Vo для альтернативных инструментов

№ п/ п Вид обработки Режущие инструменты Qo*103, мм3/мин Vo, м/мин

1 Точение наружное, точение торца Пластина Taegu Teс DNMG 150608 РС ТТ8115 113,6 302,97

Пластина Iscar DNMG 150608 TF IC8150 103,5 276,24

Пластина Sandvik DNMG 150608 PM 4235 71,80 191,58

Пластина Sесо DNMG 150608 M3 TP0501 96,90 258,41

2 Пластина Taegu Teс DNMG 150604 РС ТТ8115 22,72 302,97