CC BY
138
УДК 681.322
B. В. Жмурин, студент,
C. В. Сальников, д-р техн. наук, проф.,
(4872) 35-18-87 (Россия, Тула, ТулГУ)
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ
Рассмотрены критерии оценки эффективности режимов резания. Проведен подробный анализ каждого критерия. Предложен критерии оценки, который позволил оперативно корректироватърежимырезания, по данным взятых из управляющей программы станка с ЧПУ.
Ключевые слова: высокоскоростное фрезерование, критерии оценки режимов резания, повышение производительности, экономические критерии, силовые критерии, энергетические критерии, ограничивающие факторы.
В условиях рыночной экономики при оценке эффективности производственного и технологического процесса на первое место выходят такие показатели, как себестоимость, качество продукции и производительность процесса.
В настоящее время накоплен значительный опыт в вопросах повышения эффективности процесса резания с точки зрения различных взглядов и исходных предположений. При этом разработан целый ряд способов повышения эффективности процесса резания, каждый из которых в той или иной степени доказал свою жизнеспособность. Однако большинство из разработанных способов позволяет улучшить какой-то один из показателей эффективности, не влияя на другие. В большинстве случаев это оправдано и вполне отвечает требованиям экономической целесообразности. Однако есть отдельные случаи, когда крайне важно улучшить сразу несколько показателей эффективности, как в случае высокоскоростной обработки.
К таким случаям относится высокоскоростное фрезерование фасонных поверхностей. Их обработка характеризуется повышенным износом инструмента, высокими требованиями к точности и качеству поверхности, а также широким диапазоном возможных скоростей резания.
Целью данной работы является изучение критериев оценки режимов резания с целью повышения эффективности высокоскоростного фрезерования крупногабаритных деталей с фасонной поверхностью обработки.
Критерии оценки режимов резания условно можно разделить на три основные группы: экономические, силовые и энергетические. Экономическая группа критериев включает в себя следующие параметры оценки: минимальная стоимость обработки, минимальная стоимость технологической операции, минимальные затраты на удаление единицы объема припуска и обеспечение максимальной сменной выработки. Силовые критерии оценивают режимы с точки зрения силы резания, точности выполнения размеров
и качества получаемой поверхности. Группа энергетических критериев производит оценку с позиции затрат энергии на обработку детали, оценку потерь энергии при обработки и т. д.
В различных производственных условиях названные выше факторы выступают как факторы оптимизации, т. е. такие, которым стараются придать экстремальные или предельные значения, а также как ограничивающие факторы, определяющие условия или границы, в которых возможна оптимизация. Оптимальным является тот вариант режимов резания, при котором рассчитанные или выбранные значения режимных параметров: а) практически могут быть реализованы на имеющихся металлорежущих станках; б) удовлетворяют требованиям всех ограничивающих факторов, включенных в техническое задание; в) в наибольшей практически достижимой степени позволяют достичь максимальных или минимальных значений оптимизируемых факторов [1].
Наличие в условиях реального производства большого количества ограничивающих факторов значительно усложняет задачу оптимизации, и поэтому полную оптимизацию удается осуществить редко. Чаще при определении режимов резания проводят частичную оптимизацию, учитывая наиболее существенные ограничивающие факторы. Наиболее простой задачей является определение режимов обработки, при которых фактор оптимизации имеет экстремальное значение, а ограничивающие факторы совсем не учитываются [1]. На практике оценка режимов резания производится по какому-то одному критерию, а остальные не учитываются. Рассмотрим каждый из перечисленных критериев подробно.
Критерий минимальной стоимости обработки. Обеспечение минимальной себестоимости изготовления является одним из основных факторов для обеспечения выпуска конкурентоспособной продукции.
Себестоимость изготовления изделия изменяется при изменении скорости резания, с её увеличением себестоимость увеличивается. При скорости резания равной минимальной себестоимости достигается наименьшая себестоимость обработки, при большей скорости цеховая себестоимость возрастает [1].
Если в качестве исходной принять данную скорость, то режимы резания, рассчитанные при этой скорости можно назвать экономичными [1]. Основное снижение себестоимости происходит за счет повышения периода стойкости инструмента. Это позволяет снизить затраты на режущий инструмент, сократить простои оборудования вызванные заменой инструмента.
Несмотря на все плюсы, данный критерий оценки имеет существенные недостатки. Основным является резкое сокращение производительности, так как повышение стойкости инструмента приводит к снижению скорости резания, а, следовательно, к увеличению машинного времени обработки. Ещё одним существенным недостатком данного критерия является невозможность оперативно корректировать режимы, так как тех-
нологу необходимы данные о стоимости инструмента, тарифных ставок основных рабочих, стоимость станко-часа и т. д. Особенно это недостаток остро ощутим при единичном и мелкосерийном производстве, когда необходимо как можно быстрее производить технологическую подготовку производства.
Критерий минимальной технологической себестоимости операции. Технологическая себестоимость выполнения операции, зависит непосредственно от режима резания. Для снижения стоимости операции назначают скорость резания, которая соответствует максимальному экономическому периоду стойкости инструмента [1].
Недостатком данного критерия является сокращение производительности вследствие занижения скорости резания и простой оборудования на следующих этапах обработки (термообработка, сварка, гальваника).
Критерий оценки режимов резания по максимальной сменной выработки. Норма сменной выработки-это количество однотипных заготовок, обработанных за рабочую смену по рассчитанным режимам резания. Повышение сменной выработки достигается повышением производительности труда, которое достигается путем сокращения машинного времени. Как правило, его сокращение получается путем интенсификации режимов резания.
Существенным недостатком данного критерия является следующее: стремление повысить сменную выработку приводит к увеличению себестоимости изготовления так как возрастают затраты на инструмент и его установку. Необоснованное увеличение сменной выработки в условиях единичного и мелкосерийного производства приводит к перегрузке одних станков и недозагрузки других.
Критерий оценки режимов резания по точности и качеству поверхности обработанной детали. Режимы резания, обеспечивающие заданные параметры поверхностного слоя и точности обработки, определяются следующими параметрами: геометрией режущего инструмента, габаритами заготовки, температурой в зоне резания и т. д. Одним из основных параметров определяющим качество поверхности является оптимальная скоростью резания. Она обеспечивает наибольшую размерную стойкость инструмента и его минимальный износ.
Снижение или повышение скорости резания по сравнению с оптимальной приводит к значительному увеличению интенсивности износа и снижению размерной стойкости инструмента, что оказывает влияние на параметры качества поверхностного слоя и точность обработки [2].
Оптимизацию по критерию точности обработки и параметров качества поверхностного слоя необходимо применять при проектировании новых технологических процессов, в действующем производстве оценка режимов, поэтому критерию малоэффективна.
Данный критерий требует длительных и трудоемких расчетов, необходимость учитывать геометрические параметры инструмента, а именно
главный угол в плане, вспомогательный угол в плане, угол наклона главной режущей кромки и. т. д.
Минимум приведенных затрат на удаление единицы объема припуска. В качестве критерия оптимальности принят минимум приведенных затрат на удаление единицы объема припуска (эти затраты будем называть удельными). Сущность данного критерия заключается в следующем: удельные затраты рассчитываются исходя из скорости резания, подачи, глубины резания и степенных показателей учитывающие стойкость инструмента. Реальные значения скорости резания и подачи, которые могут быть использованы на станке, образуют область, границами которой служат линии технических ограничений, определяемые кинематическими возможностями станка, его прочностью и жесткостью, требуемой точностью и качеством обработки, а также прочностью и жесткостью инструмента. Образованный замкнутый контур называется блокирующим. По оси абсцисс откладываются скорости резания, а по оси ординат скорости подачи, таким образом, координаты точки определяют режимы резания. Точки, которые лежат внутри блокирующей области определяют оптимальные режимы резания.
Проведение расчетов требует большого объема информации и справочных данных о станке. Данный критерий не дает однозначности принятия решения по оценки режимов резания, а лишь даёт примерную область эффективных режимов обработки. Для применения рассмотренного критерия на практике нужны сложные графические построения области возможных значений и блокирующей области. Практическое применение данного критерия возможно в условиях крупносерийного и массового производства, в единичном и мелкосерийном он неэффективен, так как требует длительных расчетов и графических построений, и этим он теряет оперативность корректировки режимов резания.
В условиях современного производства критерий оценки эффективности режимов резания должен отвечать следующим требованиям: оперативно корректировать режимы, производить оптимизацию по нескольким критериям, возможность применения в любых типах производства (единичном, серийном, массовом), простота применения и минимум исходной информации.
Перечисленным выше требованиям наиболее полно из известных критериев соответствует энергетический критерий оценки режимов резания. Предложенный критерий можно применять для оценки, как токарной, так и фрезерной обработки.
Расход энергии на резание зависит от многих факторов. К основным факторам относятся вид обрабатываемого материала, вид и назначение режущего инструмента, и режимы резания. В качестве меры энергозатрат на обработку металлов резанием служит удельная величина, равная по
числовому значению отношению энергии, затраченной в течение 1 ч на срезание стружки, к массе стружки:
2 Р■ V
Э = 1,67 -10---------, (1)
тЧАС
где тщ^с — масса слоя металла, срезаемого с заготовки за 1 ч непрерывной работы лезвия инструмента, кг; Р - сила резания, Н; V -скорость резания, м/мин [1].
При фрезеровании масса стружки, срезаемой за 1 ч непрерывной работы инструмента, равная массе слоя шириной В, толщиной 1 и длиной
1 = 60 • • 2 • п , определяется по формуле
г 1П-8 В • 1 • Б2 ■ 2 ■п 'Р /ОЛ
тЧАС = 6 ‘10--------------------, (2)
{%■ Б)
где р - плотность обрабатываемого материала, кг/м ,— подача, мм/зуб;
2 — число зубьев фрезы.
Заменив частоту вращения скоростью резания, получим выражение
с. т-5 В ■ 1 • V • • 2 -р . л
тчАС = 6 10 5--------------------. (3)
(л-Б)
Общий вид уравнения, выражающего величину энергозатрат на срезание с заготовки металла массой 1 кг за 1 ч непрерывной работы инструмента, получаем, подставив выражение (3) в формулу (1):
3 Р • Б -л
Э = 0,278 • 10_3--------------. (4)
В ■ 1 ■ 2 -р
Из этих уравнений видно, что энергозатраты не зависят от скорости резания V. Для анализа зависимости значения энергозатрат от режимных параметров 1, Б, НВ и диаметра Б в уравнении (4) сила резания Р заменена экспериментальной зависимостью, которая описывает изменение силы резания при изменении скорости резания [1]:
Сэ -(НВ/200)2
Э = г ^ -----й, (5)
1 х _ 51-У . (1 _ А) .р Б _ где С3 = 0,278 • Ср.
Энергия в зоне резания распределяется следующим образом: около 5 % в процессе резания тратится на образование внутренних остаточных напряжений, а также на упрочнение пластически деформированного металла стружки и поверхностного слоя обрабатываемой заготовки. Остальная часть - примерно 95 % затраченной при резании энергии - выделяется в зоне резания в виде теплоты [1].
Рассмотренный критерий не учитывает изменение скорости резания при расчете энергозатрат. Затраты энергии определяются исходя из скорости подачи, глубины резания и твердости материала. По перечисленным
параметрам определенные энергетические затраты не изменяются при изменении скорости резания, а следовательно, значение энергии весьма приблизительное.
Для точного определения энергозатрат использована зависимость изменения мощности резания от скорости [3]. Энергию, затрачиваемую на обработку, определяем по формуле
Е = T ■ P, Дж, (6)
где Т - время механической обработки, с; P - мощность, затрачиваемая на обработку, кВт.
На основании рассмотренных теоретических исследований проведено имитационное моделирование и по его результатам разработана методика назначения режимов резания. В качестве критерия оптимальности использован энергетический критерий [3].
Для проверки адекватности разработанной методики были проведены экспериментальные исследования в условиях реального производства. На станке мод. УМБ 600 произведена обработка детали типа «Скоба». Исследованы четыре способа задания режимов обработки: по классической теории (Барановский); по методике БЕСО (с применением экономичных режимов), по методике БЕСО (для режимов, максимально использующих ресурсы режущего инструмента) и по предлагаемой методике [3].
Замер машинного времени обработки детали производился непосредственно на станке путем хронометрирования, затрачиваемая энергия определялась по показаниям электронного счетчика [3].
Замер машинного времени показал, что наименьшее время обработки - при режимах, назначенных по разработанной методике. Применение режимов назначенных по предложенной методике, сократило время машинной обработки на 25 %.
Для определения целесообразности практического применения разработанной методики в реальных производственных условиях произведен расчет её экономической эффективности [3]. При расчете экономической эффективности учитывались затраты на приобретение материала, затраты на инструмент, расходы на заработную плату, затрачиваемую на единицу продукции, затраты на электроэнергию [3].
Расчет себестоимости изготовления показал, что затраты на производство при назначении режимов резания по предложенной методики позволяют снизить затраты на обработку на 25.. .30 % [3].
Из вышеизложенного можно сделать следующий вывод: учет энергетической составляющей процесса резания позволяет назначать рациональные варианты режимов резания, которые обеспечивают оптимальные затраты на реализацию технологических процессов.
Список литературы
1. Грановский Г. И. Резание металлов. М.: Высшая школа. 1985.
304 с.
2. Безъязычный В. Ф. Аверьянов И. Н. Кордюков А. В. Расчет режимов резания: учеб. пособие. Рыбинск, 2009, 185 с.
3. Жмурин В. В., Сальников В. С. Энергетический критерий оценки эффективности режимов резания // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2010. № 2. С. 114—120.
V. Zhmurin, V. Salnikov
CRITERIA OF THE ESTIMATION OF EFFICIENCY OF PROCESS OF CUTTING The criteria for evaluating the effectiveness of the cutting is discussed. The detailed analysis of each criterion is presented. The criterion of evaluation, which allowed fast correct cutting data, according to data collected from the control program CNC machine is proposed.
Key words: high speed milling, the evaluation criteria of the cutting conditions, increase productivity, economic criteria, weight the criteria, energy criteria, limiting factors.
Получено 12.11.10
УДК 658.562:001.893
С. В. Тульчев, гл. технолог (48753)46675, office@aztpa.ru (Россия, Алексин, ОАО «Тяжпромарматура»),
О. А. Ямникова, д-р техн. наук, проф., Yamnikova Olga@mail.ru,
А. Н. Иноземцев, д-р техн. наук, проф., (84872) 35-18-87, zem@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ТИПА «ВАЛ»
Рассматривается повышение качества конструкторских проектных решении в машиностроении на основе проведения комплексной квалиметрической оценки технологичности детали типа "вал", учитывающей себестоимость, трудоемкость, конструкторскую и технологическуюунификацию элементов детали.
Ключевые слова: технологичность, трудоемкость, унификация, проектирование, вал.
Обеспечение технологичности конструкции изделия на этапе проектирования - значительная и в то же время наиболее сложная задача конструктора. Если соответствие проекта машины заданному функциональному назначению легко оценить объективными численными показателями, то такое сложное и многофакторное понятие, как «технологичность», весьма затруднительно оценить количественно. Отсутствие общепринятых
