Исследование стойкости режущего инструмента методом полного факторного эксперимента Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

4. Шестаков И. Я., Стрюк А. И. Электрохимическая обработка алюминиевого сплава 1201 // Вестник СибГАУ. 2005. № 6. С. 258-262.

5. Шестаков И. Я., Вильнер А. Ю. Физико-химическая обработка алюминиевого сплава 1201 // Перспективные материалы, технологии, конструкции : сб. научных трудов / под общ.ред. В. В. Стацуры. 2006. № 12. С. 26-28.

References

1. Kovalev D. S., Shakhov V. N. Technological features of aluminium alloys 1201 and 01570 // Actual problems of aviation and cosmonautics - 2014 : materials of X All-Russian scientific-practical conference of creative youth (april 8-12 2014): 2 vol. / edited Y. Y. Loginov; Siberian State Aerospace University. Krasnoyarsk, 2014. P. 104-105.

2. Doyko D. A. New materials in the production of aircraft // Actual problems of aviation and cosmonautics -2014: materials of III All-Russian scientific-practical conference of creative youth (april 2-6 2007): 2 vol. / edited I. V. Kovalev ; Siberian State Aerospace University. Krasnoyarsk, 2007. P. 41-42.

3. Abibov A. L., Biryukov N. M. and others. Aircraft manufacturing technology. M.: Mashinostroenie, 1982. 551 p.

4. Shestakov I. Ya., Stryuk A. I. Electrochemical machining of aluminium alloy 1201 // Bulletin of SibSAU. 2005. № 6. P. 258-262.

5. Shestakov I. Ya., Vilner A. Yu. Physico-chemical machining of aluminum alloy 1201 // Advanced materials, technology, designs: Collection of scientific papers / edited V. V. Statsura. 2006. № 12. P. 26-28.

© Шестаков И. Я., Ворошилова M. В., Ворошилов Д. С., 2016

УДК 621.9.02

ИССЛЕДОВАНИЕ СТОЙКОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА МЕТОДОМ ПОЛНОГО ФАКТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Н. Н. Шмелев, М. А. Гордовенко, М. С. Вакулин

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва»

Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: [email protected]

Рассмотрен метод исследования, позволяющий определить оптимальные режимы резания по критерию максимальной производительности и рациональной экономической стойкости широкой номенклатуры режущего инструмента, используемого при изготовлении деталей космического аппарата.

Ключевые слова: план эксперимента, параметр оптимизации, режущий инструмент, режимы резания, стойкость, фаска износа по задней поверхности.

THE STABILITY OF CUTTING TOOLS BY THE METHOD OF FULL FACTORIAL EXPERIMENT

N. N. Shmelev, M. А.Gordovenko, M. S. Vakulin

JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Street, Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected]

The article reviews the method of examination allowing to determine the optimal cutting conditions by criterion of the highest productivity and the tool durability for a wide range of machining tools used to manufacture the spacecraft component parts.

Keywords: full two-level factorial experiment, optimization parameter, machining tool, cutting conditions, flank wear land.

Внедрение современного высокопроизводительного механообрабатывающего оборудования, прогрессивного режущего и вспомогательного инструмента ведущих мировых производителей на авиакосмические оборонно-промышленные предприятия России позволило резко повысить технологический уровень производства продукции. Однако это не позволило достичь мирового уровня производительности в металлообработке.

Основными причинами являются неоптимальный выбор режущих инструментов и назначение неоптимальных режимов резания в процессе механической обработки. Как показывает мировой опыт, выбор инструмента и назначение режимов резания осуществляется по критерию максимальной производительности для конкретной технологической системы с учётом экономически приемлемой стойкости инструмента, что, в свою очередь, требует освоения, внедре-

<Тешетневс^ие чтения. 2016

ния наукоемких методов и технологий в процессе исследования (определения) оптимальных режимов резания.

Следовательно, тематика определения оптимальных (рациональных) режимов резания по критерию максимальной производительности для конкретной технологической системы с учётом экономически приемлемой стойкости инструмента очень актуальна и заслуживает самого серьезного внимания.

Стойкость режущего инструмента, важнейший параметр для оценки обрабатываемости материала резанием, отражает отрезок времени, в течение которого инструмент до момента достижения выбранного критерия стойкости может эксплуатироваться, сохраняя при этом режущие свойства (без учета времени на вспомогательные операции).

Часто в качестве критерия стойкости применяется ширина фаски износа по задней поверхности режущей части инструмента [1].

Основой определения значений стойкости для практического применения в производстве служат результаты долговременных испытаний, которые, однако, требуют больших затрат времени и материалов. Ускоренные испытания обеспечивают снижение указанных затрат, однако позволяют лишь условно оценивать стойкость инструмента. Они проводятся главным образом с целью контроля качества приобретаемых инструментальных материалов или для оценки обрабатываемости резанием.

Относительно надёжным и простым методом является определение фаски износа по задней поверхности режущей части инструмента на основании пассивного эксперимента. На основании отдельных кривых скорости резания, например, для постоянной ширины фаски износа задней поверхности определяются соответствующие значения времени (значения стойкости) и наносятся на диаграмму ^Т - lgVc. На основании кривых для конкретных скоростей резания можно определить соответствующие значения стойкости. Зависимость для большой области значений можно описать с помощью прямой, которая после логарифмирования приводит к так называемому уравнению Тейлора [2].

К основным недостаткам определения стойкости путем проведения пассивного эксперимента относятся: долговременные испытания, которые требуют колоссальных затрат времени, режущего инструмента и материалов; отсутствие возможности математического описания оптимального управления процессом; отсутствие возможности с требуемой точностью прогнозировать значение величины износа по задней поверхности инструмента в зависимости от влияющих факторов, таких как скорость резания, подача на зуб, ширина и глубина резания, физико-механические свойства инструментального и обрабатываемого материалов, геометрии режущей части инструмента и т. д.

Авторами статьи предлагается метод исследования величины фаски износа по задней поверхности зуба на основании активного эксперимента, базирующегося на принципах планирования полного факторного эксперимента и представления функции отклика (величины фаски износа по задней поверхности зуба) полиномом.

Полным факторным экспериментом (ПФЭ) называется такой эксперимент, при реализации которого определяется значение параметра оптимизации при всех возможных сочетаниях уровней варьирования факторов.

Суть метода состоит в том, что экспериментатор изменяет условия по специально разработанной программе и фиксирует только те результаты, которые получены при этих заранее предусмотренных условиях. Эксперимент нужен только для того, чтобы найти численное значение коэффициентов полинома и найти такой полином, который содержит как можно меньше коэффициентов, но удовлетворяет требованиям, предъявленным к модели, т. е. оптимальная полиноминальная модель содержит минимум коэффициентов, но адекватно описывает эксперимент.

Число опытов (Ы) в ПФЭ зависит от числа уровней (р) и числа исследуемых факторов (к) и равно N = рк. Планирование, проведение и обработка результатов ПФЭ состоит из следующих обязательных этапов:

- выбор факторов, т. е. анализ всех «подозреваемых» факторов, которые могут влиять на параметр оптимизации (отклик) или процесс;

- выбор основного уровня и интервалов варьирования факторов, включаемых в эксперимент;

- кодирование факторов;

- составление план матрицы эксперимента;

- рандомизация опытов, последовательность проведения опытов;

- реализация плана эксперимента;

- расчет коэффициентов регрессионной модели;

- проверка воспроизводимости (ошибка) опытов;

- оценка значимости коэффициентов регрессии;

- проверка адекватности линейной модели (статистический анализ уравнения);

- графическое представление зависимости отклика от выбранных факторов [3].

Анализ факторов показывает, что скорость (Х1) резания оказывает наиболее существенное влияние на стойкость инструмента, стойкость прямо пропорционально уменьшается по мере увеличения скорости резания. Следующим по важности фактором является подача на зуб (х2), по мере увеличения подачи на зуб при прочих постоянных условиях происходит снижение стойкости. По мере увеличения глубины резания (х3) при прочих постоянных условиях происходит снижение стойкости.

Кодирование факторов необходимо, для перевода натуральных факторов (имеющих каждый свою размерность) в безразмерные величины (х), чтобы была возможность построить стандартную ортогональную план-матрицу эксперимента.

После реализации плана эксперимента в соответствии с матрицей планирования составляется уравнение регрессии:

у = Ь0 + Ъххх + Ь2 х2 + Ь3 Х3 + Ь12 Х1 х2 + (1)

+ Ъ23 Х1Х3 + Ъ23 Х2 Х3 + Ъ?123 Х1Х2,

где у - параметр оптимизации; Ъ0, Ъь Ъ2, Ъ3, Ъ12, Ъ13, Ъ23, Ъ123 - коэффициенты уравнения; хь х2, х3 - значения факторов.

В целом после проведения эксперимента и получения уравнения регрессии необходимо:

- рассчитать среднеарифметическое значение откликов для каждого варианта опыта по уравнению регрессии, из которого исключены незначимые коэффициенты;

- найти разность результатов эксперимента и их среднего значения;

- рассчитать дисперсию адекватности s2Д ;

- рассчитать критерий Фишера;

- сравнить полученное значение критерия Фишера с табличным значением и сделать вывод об адекватности уравнения;

- осуществить перевод факторов в уравнении регрессии из кодированного значения в натуральное и преобразовать уравнение;

- построить графические зависимости отклика от факторов (величины фаски износа по задней поверхности от режимов резания (скорости, подачи и ширины резания) и времени работы инструмента) [3].

1. Предложенный авторами метод исследования стойкости режущего инструмента, базирующийся на принципах планирования полного факторного эксперимента и представлении функции отклика полиномом, позволяет с требуемой точностью прогнозировать значение величины фаски износа по задней поверхности зуба в зависимости от влияющих факторов, например, режимов резания (скорости резания, подачи на зуб, глубины и ширины резания и т. п.), что позволяет определить оптимальные режимы резания по критерию максимальной производительности для конкретной технологической системы с учётом экономически приемлемой стойкости инструмента.

2. Предложенный авторами метод может применяться при исследовании стойкости и определении оптимальных режимов резания режущего инструмента широкой номенклатуры, в том числе монолитных твердосплавных концевых фрез производства АО «ИСС» им. М. Ф. Решетнева».

3. Эффективность вышеуказанного метода исследования стойкости с помощью ПФЭ можно повысить при условии дополнительного определения в качестве параметра оптимизации сил резания и вибраций режущего инструмента.

Библиографические ссылки

1. Маслов А. Р. Резание металлов в современном машиностроении // ИТО. 2008. 300 с.

2. GARANT Tool Scout «Интеллектуальный выбор инструмента и подбор режимов резания». 2015. 1061 с.

3. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. 2-е изд. М. : Наука, 1976. 279 с.

References

1. Maslov A. P. Rezanie metallov v sovremennom mashinostroeny // ITO. 2008. 300 p.

2. GARANT Tool Scout «Intelektualniy vibor instrumenta i podbor rejimov rezania». 2015. 1061 p.

3. Adler U. Planirovanie experimenta pri poiske optimalnih usloviy (vtoroeizdnie). Moscow : Nauka, 1076, 279 p.

© Шмелев Н. Н., Гордовенко М. А., Вакулин М. С., 2016