CC BY
9
УДК 621.91.01
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-595-600
МЕТОДИКА НАЗНАЧЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ И ПЕРИОДИЧНОСТИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА С УЧЕТОМ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ
ПРОЦЕССОВ РЕЗАНИЯ
А.В. Анцев, Е.С. Янов
В статье рассмотрена методика назначения рациональных режимов резания и периодичности восстановления режущего инструмента с учетом вариабельности процессов резания в конкретных производственных условиях. В качестве критерия оптимальности режимов резания и периодичности восстановления режущего инструмента используются удельные затраты, то есть затраты, связанные с обработкой резанием, восстановлением режущего инструмента и возможным браком при работе отказавшим режущим инструментом, приходящиеся на одну обработанную деталь. Для учета вариабельности процесса резания в качестве функции надежности инструмента предлагается использовать функцию надежности на основе обобщенной стохастической модели отказа режущего инструмента, позволяющую учитывать вариабельность периода стойкости режущего инструмента, вызванную вариабельностью характеристик инструмента и обрабатываемых заготовок и стохастическим характером процесса резания. Назначение рациональных режимов резания и экономически целесообразной периодичности восстановления режущего инструмента с учетом вариабельности процессов резания в зависимости от производственных условий может проводиться одним из трех способов: использованием рациональных режимов резания из аналогичных производственных условий, назначением режимов резания по нормативам или путем экстраполяции режимов резания по опыту близких производственных условий или с помощью проведения стойкостных экспериментов. Применение рациональных режимов резания и периодичности восстановления режущего инструмента с учетом вариабельности процессов резания позволит повысить эффективность процессов обработки.
Ключевые слова: режущий инструмент, рациональный режим резания, периодичность восстановления, вариабельность процесса резания, производственные условия, методика назначения.
Режущий инструмент в технологической системе операции среди других ее элементов, от которых зависит производительность, экономичность и надежность обработки, имеет минимальную наработку между отказами, определяемую периодом стойкости [1, 2], но при этом оказывает существенное влияние на эффективность процесса резания [3, 4]. К факторам, определяющим указанные важнейшие показатели резания, относятся марка инструментального материала, размеры и геометрия режущего инструмента, жесткость инструмента и технология его изготовления, условия обработки и др. Среди этих факторов выделяются факторы, связанные с условиями обработки, включая параметры режима резания, диагностирование состояния инструмента при обработке, назначение периодичности восстановления инструмента, т. е. составляющие стратегию эксплуатации режущего инструмента, в общем виде представляющую собой совокупность принципов и правил, обеспечивающих заданное управление процессом эксплуатации режущего инструмента путем назначения оптимальных его режимов работы и работ по его восстановлению в соответствии с техническим состоянием [5]. Поэтому задачу повышения производительности, экономичности и надежности обработки резанием необходимо решать как задачу комплексного применения методики назначения рациональных режимов резания и периодичности восстановления режущего инструмента.
Скорость тая производительнее!w
Скорость резанин
Рис. 1. Определение зоны рациональных режимов резания
595
При оптимизации режимов резания подачу £ и глубину резания И назначают максимально возможными исходя из технических (точность обработки, качество обрабатываемой поверхности, величина припуска и т. д.) и технологических (мощность привода главного движения и приводов подачи, жесткость металлорежущего станка, геометрия режущего инструмента, применяемая технологическая оснастка и т. д.) ограничений. Таким образом, для оптимизации остается лишь скорость резания. Поэтому оптимальный режим резания находится путем определения скорости резания, сводящей к минимуму удельные затраты с учетом технологических и конструктивных ограничений металлорежущего станка [6]. Скорость резания не влияет на постоянные затраты при металлообработке (на оборудование, оплату труда, содержание зданий и сооружений), но при увеличении скорости резания увеличивается количество деталей, производимых за час и, следовательно, уменьшается стоимость станкочаса. Однако при увеличении скорости резания снижается стойкость инструмента, поэтому затраты на инструмент, входящие наряду с затратами на обрабатываемые заготовки в переменные затраты при металлообработке, увеличиваются. Если сложить все затраты, то получается кривая суммарных производственных затрат (рис.
1) [7].
С увеличением скорости резания повышается производительность обработки пока не будет достигнут уровень, когда будет затрачиваться непропорционально много времени на смену инструмента и производительность начнёт снижаться. Самая нижняя точка на кривой производственных затрат соответствует экономической скорости резания. Самая верхняя точка на кривой количества деталей в час соответствует скорости резания, обеспечивающей максимальную производительность. Скорость резания между этими двумя точками представляет собой зону высокой эффективности, в которой и следует работать [7].
Сложность решения задачи обоснованного назначения условий обработки режущим инструментом обусловлена стохастическим характером процесса резания, приводящим к вариабельности периода стойкости инструмента. При этом вариабельность периода стойкости обусловливается вариабельностью параметров режущего инструмента, вариабельностью параметров обрабатываемых заготовок и спецификой конкретного машиностроительного производства. Из-за разброса периода стойкости режущего инструмента в среднем режимы резания занижаются технологами до 40 % [8]. Поэтому учет вариабельности процесса резания в конкретных производственных условиях позволяет значительно повысить эффективность процесса обработки.
В качестве критерия оптимальности режимов резания и периодичности восстановления режущего инструмента используются удельные затраты ®, то есть затраты, связанные с обработкой резанием, восстановлением режущего инструмента и возможным браком при работе отказавшим режущим инструментом, приходящиеся на одну обработанную деталь [9]. Причем, если удельные затраты измеряются единицами времени, то оптимальные значения V, £ и И соответствуют наибольшей производительности, а если удельные затраты измеряются денежными единицами, то оптимальные значения V, £ и И соответствуют минимуму себестоимости. Кроме режимов резания на удельные затраты влияют также параметры порядка восстановления режущего инструмента.
В случае принудительного восстановления режущего инструмента после ^ обработанных деталей или времени резания удельные затраты
= + 2б + 2в , (1)
где 2о - затраты на обработку партии деталей за период - затраты, связанные с возможным бра-
ком за время обработки tп деталей, Zв - затраты, связанные с восстановлением режущего инструмента,
под которым понимается приведение рабочей части режущего инструмента (лезвия) в работоспособное состояние путем подналадки (ввода нового корректора), переворотом или заменой износившихся сменных режущих пластин, переточкой лезвийного инструмента и другими методами.
Таким образом критерий оптимальности - это переменная часть себестоимости обработки или часть времени технологического перехода, зависящая от режима резания и порядка восстановления режущего инструмента.
Затраты Z о зависят от числа обработанных деталей до момента отказа режущего инструмента и учитывают стоимость минуты работы металлорежущего станка и выбранные режимы резания. Затраты 2о пропорциональны числу tп обработанных деталей и поэтому 2о = ¿рез • ¿п или 2о = ¿рез • tn • Ссм в
зависимости от варианта измерения затрат (затраты времени или затраты в рублях), где Ссм - себестоимость станкоминуты, рассчитываемая, например, по методике [10].
Время резания tрез зависит от режима резания. Например, при точении вала диаметром О на
длине I с подачей £ и скоростью резания V
(2)
t =-- (2)
рез 1000^
Затраты зависят от числа обработанных деталей с момента отказа до восстановления режущего инструмента. Для вычисления 2б в первом варианте и Тп во втором варианте необходимо использовать функцию надежности Р(() инструмента.
Для учета вариабельности процесса резания в качестве функции надежности Р^) инструмента предлагается использовать функцию надежности на основе обобщенной стохастической модели отказа режущего инструмента, предложенной в работе [11]:
ч г А 1 Т1 г (1па - 1па)\ Ь -М . 1 (3)
P(t) = ехр[-(-Г ] ехр[ -•Ф (-Г)Ф, (3)
г \2%8а 0 а 252
где а - средняя интенсивность изнашивания инструмента, Ф * (х) - функция распределения нормированной нормальной случайной величины, Ь - предельно допустимый уровень износа режущего инструмента, а, CTЛY , 5 а, г , Р - параметры функции надежности, учитывающие разброс параметров заготовки, параметров
режущего инструмента и времени разрушения режущего лезвия в конкретных производственных условиях.
Обобщенная стохастическая модель отказов режущего инструмента позволяет учитывать вариабельность периода стойкости режущего инструмента, вызванную вариабельностью характеристик инструмента и обрабатываемых заготовок и стохастическим характером процесса резания.
Среднее время безотказной работы за период tп определяется можно определить
_ (и
гп = |Р(()Л,
0
а среднее время работы отказавшим режущим инструментом за тот же период по формуле
т = (п -Тп. _
Затраты из-за брака пропорциональны числу обработанных деталей за время т, т. е.
7б =т/''рез • Сб, (4)
где Сб - стоимость брака на единицу наработки. Если критерий оптимальности - удельные затраты времени, то Сб = сп, а если затраты в рублях, то Сб = сп • Ссм, где сп - средние затраты времени на исправление брака одной детали на технологическом переходе. Затраты 2в рассчитывают по формуле
2в = (в • Ссм + СиЧ. (5)
Здесь (в - средние затраты времени, связанные с восстановлением режущего инструмента, Си
- цена режущего инструмента, пг - число переточек. При сменной пластине Си - цена сменной пластины, а пг - число режущих граней пластины. Если ® - удельные затраты времени, то
7 = t ^в 'в •
На параметры режима резания V, £ и И накладываются ограничения: скорость резания утш < V < vmax (или частота вращения шпинделя пшп.тш < пшп. < пшп.тах), подача
£тт < £ < £тах, глубина резания йт^п < И < Итах. Также при оптимизации режимов резания при токарной обработке учитываются следующие ограничения [12]: Л"эст - эффективная мощность станка, Яадоп - допускаемое значение шероховатости обрабатываемой поверхности, Рмп - максимальная сила резания, допускаемая прочностью самого слабого звена механизма подачи станка, Мшп - максимальный крутящий момент шпинделя. Оценка значений соответствующих ограничений в зависимости от параметров режима резания производится по известным зависимостям теории резания, например, случай токарной обработки рассмотрен в работах [13, 14].
Назначение рациональных режимов резания и экономически целесообразной периодичности восстановления режущего инструмента с учетом вариабельности процессов резания в конкретных производственных условиях предлагается проводить по следующей методике (рис. 2).
На первом шаге происходит определение конкретных условий обработки: параметры металлорежущего станка и приспособлений (точность станка, жесткость станка и др.), инструмента (геометрия инструмента, материал инструмента и др.) и заготовки (твердость материала заготовки и др.).
На основе анализа конкретных производственных условий происходит поиск аналогичных производственных условий обработки в базе данных. Если аналогичные производственные условия обработки найдены, то из базы данных выбираются хранящиеся там рациональные режимы резания и экономически целесообразная периодичность восстановления режущего инструмента и происходит обработка детали. При необходимости можно собирать статистические данные в процессе резания, в том числе и с помощью косвенных методов контроля состояния режущего инструмента, с последующим сохранением собранных данных в базе данных для расширения базы данных производственных условий.
Если аналогичные производственные условия обработки в базе данных отсутствуют, то возможны два варианта. В случае если нет возможности провести стойкостной эксперимент в процессе обработки (например, в условиях штучного производства), то режимы резания назначаются в соответствии
с принятыми на предприятии нормативами и производится обработка детали со сбором статистических данных и сохранением собранной информации в базе данных. По мере накопления таких разрозненных данных для различных производственных условий возможна экстраполяция собранных статистических данных на новые производственные условия [15].
Рис. 2. Алгоритм назначения рациональных режимов резания и экономически целесообразной периодичности восстановления режущего инструмента
Если есть возможность проведения стойкостного эксперимента, то начинается процедура оценки рациональных режимов резания и экономически целесообразной периодичности восстановления режущего инструмента с учетом вариабельности процессов резания в конкретных производственных условиях (рис. 3).
Процедура оценки рациональных режимов резания и экономически целесообразной периодичности восстановления режущего инструмента с учетом вариабельности процессов резания в конкретных производственных условиях работает следующим образом. Сначала разрабатывается план дробнофак-торного эксперимента, варьирующего параметры режимов резания. Чтобы получить зависимость параметров а, С/у, 5а, г, ¡3 функции надежности режущего инструмента от режимов резания в конкретных производственных условиях обработки необходимо иметь статистические данные следующего типа: [V; , $, Н1 ИВ, у ), . = 1,...,М1), ^ Л, = 1,..., N. (6)
Здесь предполагается, что каждый из N режущих инструментов испытывается при своей комбинации режима резания: скорости резания V,, подачи , глубины резания ^, твердости обрабатываемой заготовки ИВ;. Но для каждого режущего инструмента М; раз (М; > 1) контролируется износ Уц ) по-
I II // V // /
сле наработки ;. - назначенная периодичность восстановления ; -го режущего инструмента, а Т( -фактическая наработка этого режущего инструмента. Т' = Т, если внезапный отказ произошел раньше , и Т' = ¿т если испытание этого режущего инструмента завершается по достижению наработки
до наступления внезапного отказа.
В соответствии с разработанным планом проводится обработка деталей на разных режимах резания с сохранением собранных статистических данных в базе данных. После окончания эксперимента на основе собранных статистических данных происходит оценка зависимости параметров а, С/у, , г, 3 функции надежности режущего инструмента от режимов резания в конкретных производственных условиях обработки. Затем вводятся ограничения модели и начинается перебор возможных режимов резания и периодичности восстановления режущего инструмента.
Для выбранных вариантов режима резания и периодичности восстановления режущего инструмента рассчитывается целевая функция ®. Лучшие варианты режимов резания и периодичности восстановления режущего инструмента запоминаются, и когда поиск рациональных режимов завершает-
598
ся, то рациональный режим резания и экономически целесообразная периодичность восстановления режущего инструмента, учитывающие вариабельность процесса резания в конкретных производственных условиях, с минимальным значением целевой функции сохраняются в базе данных и используются в процессе обработки.
Рис. 3. Алгоритм процедуры проведения стойкостного эксперимента и оценки рациональных режимов резания и экономически целесообразной периодичности восстановления режущего
инструмента
Применение рациональных режимов резания и периодичности восстановления режущего инструмента с учетом вариабельности процессов резания позволит повысить эффективность процессов обработки путем увеличения коэффициента использования металлорежущих станков из-за снижения вспомогательного времени, требуемого на восстановление лезвийного инструмента, снижения основного времени, необходимого на изготовление деталей машин и снижения уровня брака, связанного с отказом лезвийного инструмента во время обработки, из-за совместного влияния вариабельности параметров лезвийного инструмента и обрабатываемых заготовок.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - докторов наук МД-4372.2022.4.
Список литературы
1. Бондарь Н.Ю., Максимчук И.В. Система контроля работоспособности фрез на станках с ЧПУ [Электронный ресурс] // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 6. Ч. 1. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/06/34050 (дата обращения 12.11.2022).
2. Старков B.K. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве. М.: Машиностроение, 1989. 296 с.
3. Потапов В.А. Дорогостоящие режущие инструменты - средство снижения расходов на механическую обработку // Машиностроитель. 1996. № 4. С. 13-15.
4. Ghasempoor A, Moore T.N., Jeswiet J. On-line wear estimation using neural networks // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. 1998. Vol. 212. P. 105-112.
5. Маркин И.Н. Стратегии эксплуатации и организации системы технического обслуживания и ремонта сложных технических систем // Наука и техника транспорта. 2016. № 3. С. 53-55.
6. Анцев А.В. Управление надежностью режущего инструмента с учетом фактора случайности процесса резания // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2018. № 4-2 (330). С. 90-102.
7. Sandvik Coromant. Руководство по металлообработке. Стокгольм: AB Sandvik Coromant, 2006. 564 с.
8. Колесников В.И. Повышение производительности и точности операций контурного фрезерования на станках с ЧПУ путем стабилизации силы резания: автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.02.08 / Колесников Владимир Иванович. Челябинск, 1988. 18 с.
9. Пасько Н.И., Анцев А.В. Оптимизация планово-предупредительной замены режущего инструмента по данным об износе и наработке // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. № 5-2. С. 257-265.
10. Темчин Г.И. Многоинструментальные наладки. Теория и расчет. М.: Машгиз, 1963. 443 с.
11. Пасько Н.И., Анцев А.В., Анцева Н.В., Сальников С.В. Обобщенная стохастическая модель отказов режущего инструмента и ее применение. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 174 с.
12. Анцев А.В. Оптимизация режима эксплуатации лезвийных инструментов с учетом стохастического характера процесса резания // Фундаментальные основы физики, химии и динамики наукоёмких технологических систем формообразования и сборки изделий: сб. тр. науч. симпозиума технологов-машиностроителей / Донской гос. техн. ун-т. - Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2019. - С. 397-404.
13. Нгуен В.К. Общая методология оптимизации режимов резания // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. № 6-2. С. 253-264.
14. Нгуен В.К., Ямников А.С. Методология оптимизации режимов резания // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2012. № 1 (291). С. 56-63.
15. Анцев А.В., Арсеньева А.А., Янов Е.С. Априорная оценка параметров обобщенной стохастической модели отказов режущего инструмента на основе данных об уровне вибрации в процессе резания // Фундаментальные основы физики, химии и механики наукоемких технологических систем формообразования и сборки изделий : сборник трудов международного научного симпозиума технологов-машиностроителей / под редакцией В.А. Лебедева. Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2022. С 150-155.
Анцев Александр Витальевич, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, a. [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Янов Евгений Сергеевич, канд. техн. наук, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE METHOD FOR ASSIGNING RA TIONAL CUTTING MODES AND THE FREQUENCY OF CUTTING TOOL RESTORATION TAKING INTO ACCOUNT THE VARIABILITY OF CUTTING PROCESSES
A.V. Antsev, E.S. Yanov
The article considers the method of assigning rational cutting modes and the frequency of restoration of the cutting tool, taking into account the variability of cutting processes in specific production conditions. As a criterion for the optimal cutting modes and the frequency of restoration of the cutting tool, unit costs are used, i.e. the costs associated with cutting, restoration of the cutting tool and possible manufacturing defect when working with a failed cutting tool per one machined part. To take into account the variability of the cutting process as a tool reliability function, it is proposed to use the reliability function based on a generalized stochastic model of cutting tool failure, which allows taking into account the variability of the cutting tool life period caused by the variability of the properties of the tool and workpieces and the stochastic nature of the cutting process. The assigning of rational cutting modes and economically viable frequency of restoration of the cutting tool, taking into account the variability of cutting processes depending on production conditions, can be carried out in one of three ways: using rational cutting conditions from similar production conditions, assigning cutting conditions according to standards, or by extrapolating cutting conditions from the experience of relatives production conditions or by carrying out resistance experiments. The use of rational cutting modes and the frequency of restoration of the cutting tool, taking into account the variability of cutting processes, will improve the efficiency of machining processes.
Key words: cutting tool, rational cutting mode, recovery frequency, cutting process variability, production conditions, method of appointment.
Antsev Alexander Vitalyievich, doctor of technical science, docent, head of the department, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Yanov Evgeny Sergeevich, candidate of technical sciences, [email protected], Russia, Tula, Tula State
University
