Автоматизированный расчет параметров процесса резания Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.9.1

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

© 2013 О.С. Сурков1 , А.А. Степанов2

1 Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет) 2 ФГУП ГНП РКЦ «ЦСКБ-ПРОГРЕСС», г. Самара

Поступила в редакцию 02.12.2013

В данной статье рассмотрена методика расчета параметров процесса механической обработки на основе моделей конструкторско-технологических параметров инструмента и детали (эквивалентного напряжения у, максимального касательного напряжения i, смещения p зубьев, коэффициента Ku усадки стружки, шероховатости Rz, износа h). Показана возможность прогнозирования величин параметров при изменении условий обработки на многоцелевых станках с программных управлением и марок инструментальных и обрабатываемых материалов. Использование разработанной методики позволяет назначить рациональные режимы обработки, оптимальную геометрию режущей кромки инструмента, оценить прочностные параметры инструментов и деталей.

Ключевые слова: автоматизированный расчет, прогнозирование параметров, напряжённо-деформированное состояние, режимы резания, режущий инструмент.

Протяжки - металлоемкий, сложный в изготовлении и поэтому дорогой режущий инструмент. Экономическая целесообразность их применения оправдана при обеспечении оптимальных элементов конструкций и режимов резания, качественном изготовлении протяжек и правильной эксплуатации [1]. В связи с этим, для снижения себестоимости изготовления протяжек в условиях современного производства необходимо выявить дополнительные источники эффективности процессов системы проектирования протяжек, разработать методики прогнозирования геометрических и технологических параметров протяжек на ранних стадиях проектирования.

Для обработки сложных, точных внутренних и наружных профилей, к параметрам шероховатости поверхностей которых предъявляются высокие требования, процесс протягивания часто является незаменимым Производительность протягивания в 3-12 раз выше производительности других способов механической обработки металла (развертывания, фрезерования, долбления, строгания, шлифования). Режущая протяжка обеспечивает точность обработки в пределах 7-9 квалитетов. Параметр шероховатости протягиваемой поверхности Ка = 0.32 + 2.5 мкм.

Сурков Олег Станиславович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Производство двигателей летательных аппаратов». E-mail: [email protected] Степанов Андрей Александрович, соискатель кафедры «Производство двигателей летательных аппаратов». E-mail: [email protected]

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Для компьютерного эксперимента выбрана эвольвентная протяжка 20 X1 х 20, напряженно-деформированное состояние которой было получено методом МКЭ в соответствии с [2]. На каждый зуб протяжки действуют сила резания Р2, перпендикулярно передней грани зуба, и Ру, перпендикулярная задней грани зуба. Диапазон параметров, выбранных для компьютерного моделирования, определен в табл. 1. Усилие резания при компьютерном моделировании определялось с учетом работы [4].

В результате компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния протяжек, на основе математического планирования экспериментов [3] получены следующие зависимости:

- для коэффициента усадки стружки Кь

Кь = СК1 X 82к1 X гТк1 X VхК1; (1)

- для усредненных напряжений а, Н/м2 (по Мизесу)

С с

а = С х 5 Сзгах0 ^ х V а ;(2) а 2

- для интенсивности усилий i, Н/м2

i = С х S

Cszi

C

z

Xß

ßi

C

x V

Vi

; (3)

для статических перемещении p, мм

C C 0 Cszp n ßp vp p = С X S y xß ^ X V ^ ;(4) pz

Таблица 1. Диапазон экспериментальных данных для оценки параметров напряженно-деформированного состояния протяжек

Номер параметра Наименов ание параметра Диапазон значений параметра Размерность параметра

1 Подъём на зуб 0.03 -0.0625 мм

2 Угол заострения в = 90°-а-у 69.5 -84.5 °

3 Скорость резания V 2-150 м/мин

- для коэффициентов запаса прочности Капо усредненным напряжениям

С

Ся1К рк

К - С х Sz а х р а а К

а

С,

¥К

V а ; (5)

для коэффициентов запаса прочности К,

по касательным напряжениям

С

К - С х sCszK' хр СРкХ х V ; (6)

г К I т

- для интенсивности износа Ь получены зависимости вида

И - Си х SZh х г1и х V

Ли

тХ и

'И

(7)

В зависимостях (1)-(7) С , Са, С8.

s

ОНК,

ах х S

Х-т. - ZKl -1 ^ У - п+х

а

(8)

где а1 - (■

К

I_xх к1

СК х г

к1

а 2 -

ВЛ

V В0 У

) К1 х (Хк1 - ),

У

п - х

Уравнение для вычисления оптимальной скорости резания V Нк в зависимости от коэффициента усадки стружки К,:

1 (

VНК1 - (Вч /В0)п

1 --Л

а1 х SXкl - 2К1 -1 а

у - п + х

. (9)

С Р а , Суа , С, С*я-, Срг, ^, Ср , ,

СРр, Сур ,хК^К,,2Кц - постоянные ве-

личины, - подъём на зуб, мм/зуб; Р - угол заострения, град; V - скорость резания, м/мин.

Стойкостные зависимости при известных значениях усредненных напряжений а, интенсивности усилий I, статических перемещений 5, коэффициентов запаса прочности Каи К, показаны на рис. 2. По зависимостям, приведенным на рис. 2, необходимо определить совокупность параметров , V} , которые определяют режимы резания при допускаемых напряжениях а в режущем инструменте и гарантируют обеспечение требуемого качества изготовления деталей в течение заданного периода стойкости Т режущего инструмента.

Уравнение для вычисления оптимальной подачи §0НК, в зависимости от коэффициента усадки стружки К,:

Оптимальную стойкость протяжки Т0К, в зависимости от коэффициента усадки стружки К, определяют по формуле:

Т0К, - ТЧК, - В0(ВЧ /В0>

х х-п

(а х sхKl -^ -1 ^ а2

у-п+х

.(10)

Из формулы (2) определяют фактическую скорость резания Vу в зависимости от усредненного напряжения у:

Vа- (

а

Сах SCszахрCра

>С

(11)

Уравнение для вычисления оптимальной подачи S0на в зависимости от усредненного напряжения а:

£

ОНа

а1 х S

С-' Л

а

у - п+х

где а1 - (

а

С а х Р

Г)С" х (Са - Св„ ),

i

х

1

п - х

у

пу

п-х

п - х

р

( В, Л п - x у

V В 0 J

п - х

Уравнение для вычисления оптимальной скорости резания Vта в зависимости от усредненного напряжения а:

VНа= (Bч /Во)П

с1 х Sс

с2

у

у - п + х

. (13)

V» = (

С х хрСРр

)С

(19)

Уравнение для вычисления оптимальной подачи SоНр в зависимости от смещения р зубца протяжки:

V =

иОНр

( С -1 ~С*гр-\ Л у - п+х

С х V С"р с2

(20)

Оптимальную стойкость протяжки Т0а в зависимости от усредненного напряжения а определяют по формуле:

Т0а= ТЧа = В0(ВЧ /Во)

Х ^Сх 5Са-С:!*а-'1 ЛУ-п+х С2

.(14)

Из формулы (3) определяют скорость резания V. в зависимости от интенсивности усилий 1:

V = (_I_)СvI

' КСг х хрСр,) . (15)

Уравнение для вычисления оптимальной подачи 5он в зависимости от интенсивности усилий 1:

(

V =

ион,

С х V'

С - 1

ЛУГ

С

у-п+х

(16)

где С = ^Т^^ хС)'

С хр

(Вч Лп-х

V В 0 J

у

п-х

Уравнение для вычисления оптимальной V0т в зависимости от интенсивности усилий 1:

1 (

Vт, = (Вч /В0)

С х V1

С 1 -СЭ21 -1 ^ у-

С

у-п + х

. (17)

Оптимальную стойкость протяжки Т01 в зависимости от интенсивности усилий I определяют по формуле:

Т0, = ТЧг = В0(ВЧ /В0)

х х-п

( гуС 1 - Св1\-1 Л у-п+х

СхV ш

С

.(18)

Из формулы (4) определяют фактическую скорость резания Ур в зависимости от смещения р зубца протяжки:

где С1 = (

СРр

Ср хр

( В ч Л п-х

х (С- -Св„)

V В 0 J

у

п-х

Уравнение для вычисления оптимальной скорости резания Vтр в зависимости от смещения р зубца протяжки:

V0тр = (Вч /В0)

1 ( сх VСр -С2 1 Л у-п+х

С

. (21)

Оптимальную стойкость протяжки Т0р в за-

висимости от смещения р зубца протяжки определяют по формуле:

Т0р = ТЧР = В0(ВЧ /Ц>У

х х-п

-пу

( с х -С'2р1Л у-п+х

с2

.(22)

J

Из формулы (5) определяют скорость резания УКу в зависимости от коэффициента Казапа-са прочности по усредненным напряжениям:

Ука = (

С.. пСз2Ка пСрКа

Ках 5 2 хр

)С

(23)

Уравнение для вычисления оптимальной подачи V0тка в зависимости от коэффициента Ка запаса прочности по усреднённым напряжениям:

ОНКа

( С х V°Г'Ка -С'^Ка-1 Л у-П+Х С2

(24)

где С1 = (

СКахрСрка

(Вч Лп-х у

VВ 0 J п-х

)СгКа х (СКа ~С'2КаХ

1

С 2 =

п—х

С 2 =

п-х

1

С 2 =

п-х

п-х

С 2 =

Уравнение для вычисления оптимальной скорости резания Vна в зависимости от коэффициента Ка запаса прочности по усредненным напряжениям:

(

V - (В / В )"

' 0НКа ' ^0 )

а х S'

С^Ка -С.К

-1 Л

а

у - п + х

.(25)

Оптимальную стойкость протяжки Т0Ку в зависимости от коэффициента Казапаса прочности по усредненным напряжениям определяют по формуле:

(

Т0Ка- ТЧКа- В0(ВЧ /В0)

х а хSСV1Kа-CszKа'-1 ЛУ-"+х

.(26)

Из формулы (6) определяют фактическую скорость резания VKф в зависимости от коэффициента Кг запаса прочности по касательным напряжениям:

Гкг - (

Кг

СКтх SCszKгхр

1СРКТ

)

(27)

Уравнение для вычисления оптимальной подачи S0НКг : в зависимости от коэффициента Кг запаса прочности по касательным напряжениям:

скорость резания V, в зависимости от износа Ь:

уи - (

И ) С- И

Ск х SCszh хрСри) •

(31)

Уравнение для вычисления оптимальной подачи S 0

'0 ни •

SOH -

( а х S<С- -С!11И-1 Л у - п+х

а

(32)

где а1 - (

И

Си хР

СрИ

.)«й х (С- -с.^),

а 2 -

В,

V В 0 у

у

п

х

Уравнение для вычисления оптимальной скорости резания ^ни:

VoнИ - (Вч / В0) п

а1 х SС

1 Л у-п

. (33)

Оптимальную стойкость протяжки Т0Ь, определяют по формуле:

(

Sr

где а1 - (

а1 х S,

СК -С.1Кг-1

1

а

у-п+х

(28)

Кг

С Кг хр

СРКГ

ГКгх (СКг -С.^)

а 2 -

( В Л п-х

V В 0 у

у

п - х

Уравнение для вычисления оптимальной скорости резания V)нкг в зависимости от коэффициента Кг запаса прочности по касательным напряжениям:

(

V нкг- ( Вч / В0)п

а1 х SСпг

СуГг-С.гКг-1

-Л у-

а2

у-п + х

Оптимальную стойкость протяжки Т0Кф в зависимости от коэффициента Кгзапаса прочности по касательным напряжениям определяют по формуле:

(

Тг- ТЧг- В(В/ В0)х

а х

.-С.чКг -1 Лу-п+х

а2

.(30)

Из формулы (7) определяют фактическую

Т 0 и - тч и - В0( вч 1 В0)

х х-п

а х s

с ¿и -с&и -1

.(34)

В результате анализа [1] получена зависимость

- А0КРпВ (

1 г,

а

К П Ртах V S 0

ь ^ (( + ),

(35)

где А0 - припуск, срезаемый черновой частью протяжки; D - диаметр протягивания; Кр - поправочный коэффициент, учитывающий условия обработки; К - поправочный коэффициент, учитывающий уменьшение подачи на переходных зубьях; а,Ь, 80 - параметры эмпирической зависимости удельной силы резания Ртах (приходящейся на 1 мм режущей кромки) от подачи; К -коэффициент помещаемости стружки. Эта зависимость имеет экстремальный характер, и из нее .(29) может быть найдено значение обеспечивающее минимальную длину I Точки К1, К2, К3, К4, К5, К6, К7 (рис. 2) соответствуют условным минимумам функции (34) в зависимости от коэффициента усадки стружки К, (1), напряжений у (2) в режущем инструменте, интенсивности усилий I (3) в режущем инструменте, статического перемещенияр (4) режущей кромки под воздействием сил резания Рг и Ру коэффициента запаса прочности Ка (5) по напряжениям Мизеса, коэффициента запаса прочности Кг (6) по касательным напряжениям, интенсивности износа зубьев

у

пх

и

х-п

а

2

п - х

а

2

п-х

у-п + х

а

2

+

1

у

х

Ь (7). При использовании разработанных моделей (1)-(7) и наличии необходимых экспериментальных данных принцип равной стойкости [1] черновой и чистовой частей протяжек может быть обеспечен и при обработке с повышенными (до 150 м/мин) скоростями резания. В совокупности с моделями (8)-(34) возможно уточнение существующих режимов протягивания и выдача рекомендаций для высокоскоростного протягивания. Разработанные модели реализованы в виде программного, методического и информационного обеспечения интегрированной системы проектирования протяжек. Совокупности знаний, полученные на основе проектных данных, позволяют выбирать геометрические параметры режущей части протяжки для обеспечения мини-

мума напряженно-деформированного состояния

зоны резания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Протяжки для обработки отверстий / Д.К. Маргу-лис, М.М. Тверской, В.Н. Ашихмин. М.: Машиностроение, 1986. 232 с.

2. Алямовский А.А. ЗоШ^Ьгкз. Компьютерное моделирование в инженерной практике. СПб.: БХВ - Петербург, 2006. С. 27-28.

3. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. М.: Наука,1976. С. 155.

4. Методика определения оптимальных параметров при ортогональном резании на основе аналитической модели очага пластической деформации / А.И. Хаймович, О.С. Сурков, И.Н. Хаймович // Известия Самарского научного центра РАН. 2011. Т.13. №6. С.186-193.

AUTOMATED CALCULATION OF CUTTING PROCESS PARAMETERS

© 2013 O.S. Surkov1, A.A. Stepanov2

1 Samara State Aerospace University named after Academician S. P. Korolyov (National Re-search University) 2 FSUE SRPSRC "TsSKB-Progress", Samara

In this article the method of calculation of machining process parameters on the basis of models of design tool and part technological parameters (equivalent stress y, the maximum shear stress (i), offset p of teeth, the coefficient Ku of shrinkage of chips, roughness Rz, wear h). The possibility of predicting values as conditions change on multi-task machines with program control and the stamp tool and workpiece material is presented. The use of the developed method allows you to assign rational machining modes, the optimum cutting edge geometry tool to estimate the strength parameters of tools and parts. Keywords: automated calculation, prediction of parameters, the stress-strain state, machining modes, cutting tool.

Oleg Surkov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Aircraft Engines Production Department. E-mail: [email protected]

Andrey Stepanov, competitor at the Aircraft Engines Production Depart-ment. E-mail: [email protected].