CC BY
127
УДК 621.9; 658.5
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ С ИЗНОСОСТОЙКИМИ ПОКРЫТИЯМИ
Т.Г. Ивченко, И.А. Петряева, А.Н. Михайлов
Предложена методика оценки эффективности режущих инструментов с износостойкими покрытиями по критериям повышения производительности и снижения себестоимости обработки. Методика основана на оценке возможностей интенсификации оптимальных режимов резания за счет повышения стойкости инструмента с износостойкими покрытиями, снижения температуры резания и шероховатости обработанной поверхности. Выполнен сравнительный анализ возможностей повышения производительности и снижения себестоимости за счет применения инструментов с износостойкими покрытиями при чистовом точении.
Ключевые слова: инструмент, покрытия, скорость резания, подача, производительность, себестоимость, оптимизация.
Режущие инструменты с износостойкими покрытиями имеют широкое распространение в современном машиностроительном производстве.
Многочисленные исследования в направлении совершенствования вида, структуры, технологии нанесения износостойких покрытий существенно повысили эффективность их использования для различных типов инструментов и видов обработки [1].
При эксплуатации инструментов с износостойкими покрытиями весьма актуально определение рациональной области и режимов их применения. Эта задача успешно решается на основе линейной и нелинейной оптимизации режимов резания по различным критериям [2].
Основную трудность при определении оптимальных режимов обработки инструментами с износостойкими покрытиями представляет обоснование технических ограничений. При исследовании работоспособности инструментов с износостойкими покрытиями основное внимание уделяется вопросам повышения стойкости, что позволяет обосновать ограничения по режущим возможностям инструмента. Однако информация по другим ограничениям (по температуре, по шероховатости обработанной поверхности) практически отсутствует, что требует проведения специальных как теоретических, так и экспериментальных исследований [3, 4, 5].
Практический интерес представляет использование результатов оптимизации для оценки возможностей повышения производительности и снижения себестоимости обработки инструментами с износостойкими покрытиями.
Цель представляемой работы - оценка эффективности использования инструментов с износостойкими покрытиями на основе оптимизации режимов резания по критериям производительности и себестоимости.
Эффективность обработки твердосплавными режущими инструментами с износостойкими покрытиями достигается за счет повышения стойкости инструмента Тп, снижения температуры резания 0п и шероховатости обработанной поверхности Яап в сравнении с соответствующими показателями Т, 0 и Яа для инструментов без покрытий:
Тп = КТТ = Кт СУКУ У8у* гХу
т
1п-кт1 ~ктсуку I ®п = К00 = К0С0Ур8УЧх*;
Яап = КЯЯа = КЯСЯ£Уг , где КТ, К0, Кя - коэффициенты повышения стойкости режущего инструмента Т, снижения температуры резания 0 и шероховатости обработанной поверхности Яа; Су, Ку - коэффициенты и XV, уу, т - показатели, характеризующие степень влияния глубины I, подачи £ и стойкости Т на скорость резания У; С0, - коэффициент и пь у, хг - показатели степени, учитывающие влияние скорости резания У, подачи £ и глубины резания ? на температуру резания 0; Ся - коэффициент и уг - показатель степени, учитывающий влияние подачи £ на шероховатость обработанной поверхности Яа.
Целевые функции, выражающие зависимость критериев оптимизации (максимальной производительности Р и минимальной себестоимости С) от скорости резания V и подачи £, при обработке инструментами с износостойкими покрытиями представляются в виде
р(у,£) = У£; С(V,£) = У-1£+ ЫК^К^^У^ , (1)
где Ы = (гс + Ли/Л)({Ху /СУКУ ^т; ку = 1/т - 1; = уМ - 1; А - стоимость станко - минуты, Аи - стоимость одного периода стойкости инструмента; 1с - время смены инструмента.
В качестве ограничений используются ограничения по режущим возможностям инструмента (Т<То), по температуре резания (0<0о) и по шероховатости обработанной поверхности (Яа < Яао). То, 0о Яао - предельно допустимые для заданных условий значения стойкости инструмента, температуры резания и шероховатости обработанной поверхности.
С использованием методов линейного и геометрического программирования установлены аналитические зависимости, оптимальные по различным критериям подач 8о и скоростей резания Уо , от параметров процесса чистового точения [2].
Оптимальная подача при чистовом точении 8о независимо от критерия оптимизации определяется, исходя из предельно допустимой для заданных условий шероховатости обработанной поверхности Яао:
^ =(Яаа/КяСя )1 Уг . (2)
Оптимальная скорость резания Уо определяется с учетом температурных ограничений. Необходимость учета температурных ограничений определяется на основании граничного значения коэффициента снижения температуры резания при превышении ею допустимого уровня во:
Кво = 0о/0(ГоД).
При отсутствии температурных ограничений оптимальные скорости резания определяются с учетом критерия оптимизации: УоР - для критерия максимальной производительности, УоС - для критерия минимальной себестоимости:
УоР =
(в/к&свх*8У1 п при КвоР £ 1;
СуКуК™ Iтт1Ху при КвоР > 1;
(3)
КвоР = во/(суКуКт/Тт где КвоР - граничное значение коэффициента снижения температуры резания в, определяющее необходимость учета температурных ограничений при расчете оптимальной по производительности скорости резания уоР.
РаСрКк)(У* -У* Ууг ,
УоС
в/Квсвх*8$1 * при Квос £ 1;
т(1 -т)МК- при КвоС > 1;
(4)
КвоС = во/СвК0х* (т/(1 - тМК-Т* СрКрРа/УЛ)Ьг КвоС - граничное значение коэффициента снижения температуры резания в, определяющее необходимость учета температурных ограничений при расчете оптимальной по себестоимости скорости резания уоС.
С использованием зависимостей (3)-(4) установлены коэффициенты изменения подач Кз и скоростей резания Ку, позволяющие оценить возможность интенсификации режимов резания за счет использования инструментов с покрытиями:
Кз = К
-V Уг я
К
У
Кв1 п*К^/угп*, при Кво £ 1; КтК^Уг, при Кво > 1.
(5)
С учетом (5) установлены коэффициенты повышения производительности КР и снижения себестоимости КС, оценивающие эффективность использования инструментов с износостойкими покрытиями:
Кр =
Кв,1п'К)!УЛ при Кв_„ £ 1;
0
( Уг -1)1 Уг
ут КТ Кя
при К
воР
воР > 1.
(6)
<
Кс =
К0 -К^П"-* >'у'"' при Квс £ 1; К-'КЦ-*17* при Коос > 1.
(7)
Закономерности изменения стойкости инструмента, температуры резания и шероховатости обработанной поверхности в зависимости от режимов резания инструментами с покрытиями определяются экспериментально [4, 5].
На основании экспериментальных исследований инструментов с покрытиями в сравнении с инструментами без покрытий (обрабатываемый материал - сталь 45; инструментальный материал - твердый сплав Т15К6; покрытия - карбид титана ТЮ и нитрид титана ПК) установлены коэффициенты повышения стойкости инструмента КТ = ТТ15К6+Т1С, ш/Тп5Кб, снижения температуры резания К0 = &Г15К6+Тс, &Г15К6 и шероховатости поверхности Кя = ЯаГ15Кб+тс, т/яаГ15Кб, представленные на рис. 1.
Ж
0.5 0.3 0.7 0.6
3 4 V. м/с 2
а)
Т15К
Т15К6- ТЩГ
/ЯШ 6+Т\С
Т15К 5+Т1М
ш
я
0.9 0.3 0.7
2.5 ^ 3 ^м/с Ш
0.6
/П5К )+Ш
Т15К6-"
НГч
0.1 0.2 0.3 Щмм/об
Рис. 1. Графики зависимости коэффициентов повышения стойкости
от режимов резания: а - КТ - инструмента; б - К0 - снижения температуры резания; в - Кя - шероховатости обработанной поверхности,
Для упрощения расчетов приняты средние из указанного на рис. 1 диапазона изменения значения коэффициентов: КГ Г15К6+Тс = 2;
КГ Г15К6+Ш = 4; Кв Г15К6+Т1С = 0,9; Кв Г15К6+Ш = 0,8; КЯ Г15К6+Т1С = 0,9; КЯ Г15К6+Ш = 0,85
Зависимости стойкости режущего инструмента Г, температуры резания 0 и шероховатости обработанной поверхности Яа от режимов резания с учетом установленных коэффициентов могут быть представлены следующим образом [4]:
Т = КТ0'15Г2; 0 = К054,5Ко0'550'2; Яа = Кя 17,551'6.
Анализ необходимости учета температурных ограничений весьма важен для правильного расчета оптимальных режимов резания. На рис. 2 в виде линий уровня представлены двухпараметрические графики граничных коэффициентов снижения температуры резания в зависимости от шероховатости обработанной поверхности и глубины резания Ко>оР(Ка,£) и К&оС(Яа^), рассчитанные по формулам (3)-(4).
12 3 4 1 2 3 4 л^^мкм
а) 6)
Рис. 2. Графики граничных значений коэффициентов снижения температуры резания, определяющих необходимость учета температурных ограничений при расчете оптимальной скорости резания в зависимости от глубины резания * и шероховатости поверхности Яя:а - КвоР - по критериям производительности;
б - КвоС - по себестоимости
Значения коэффициентов снижения температуры резания на линиях 1(Т15К6), 2(Т15К6+ТЮ), 3(Т15К6+Т1К) соответствуют уровню К&оР = 1, К©оС= 1. Заштрихованные области слева от этих линий характеризуют сочетания шероховатостей обработанной поверхности и глубин резания, при которых К&оР <1, К&оС <1 и температурные ограничения отсутствуют. Справа от этих линий располагаются области, в которых К&оР >1 и К&оС >1, что свидетельствует о необходимости учета температурных ограничений.
В качестве примера рассмотрены два варианта обработки стали 45: без учета и с учетом температурных ограничений.
При заданной шероховатости обработанной поверхности Яао.= = 2,5 мкм и глубине резания ? = 1мм температурные ограничения отсутствуют (граничные значения коэффициентов снижения температуры резания
К&оТ15К6 = 1,38; К@о Т15К6+ПС = 1,22; К@о Т15К6+Ш = 1,36).
194
Для этих условий установлены следующие значения оптимальных подач (2): 8оП5Кб = 0,30 мм/об; 8отшб+тс = 0,32 мм/об; 8ошкб+т = = 0,33 мм/об.
Оптимальные скорости резания У0 для инструментов с покрытиями определяются в зависимости от коэффициентов повышения стойкости инструмента Кт и снижения шероховатости обработанной поверхности Кк: - для критерия производительности (3) УоР Т15К6. = 4,9 м/с; УоР Т15К6+ТС = = 5,5 м/с; УоР Т15К6+ш = 6,3 м/с; для критерия себестоимости (4) УоС Т15К6 = = 3,9 м/с; УоС т15Кб+тс = 4,5 м/с; УоС п5Кб+ш = 5,1 м/с.
Для заданных условий обработки установлены следующие коэффициенты повышения производительности КР и снижения себестоимости КС:
КР1 Т15К6+ТС = 1,21; КР2 Т15К6+Ш = 1,43; КС1 Т15К6+ТС = 0,83; КС2 Т15К6+Ш = 0,70.
Рис. 3. Графики изменения целевых функций себестоимости С и производительности Р (без учета температурных ограничений) в зависимости от скорости резания V, а также коэффициентов снижения себестоимости КС и повышения производительности КР (а); от коэффициента повышения стойкости инструмента КТ (б)
Закономерности изменения целевых функций себестоимости С и производительности Р (1) в зависимости от скорости резания V для инструментов с покрытиями представлены на рис. 3 а. Графики изменения коэффициентов КР (6) и КС (7) в зависимости от коэффициентов повышения стойкости инструмента КТ для различных значений коэффициента снижения шероховатости обработанной поверхности Кк представлены на рис. 3, б.
При заданной шероховатости обработанной поверхности Яао = = 3,2 мкм и глубине резания ? = 3 мм необходимо учитывать температурные ограничения (граничные значения коэффициентов снижения температуры резания К&опзКб = 0,84; К@о т15К6+тс = 0,85; К во пзш+т = 0,88).
Для этих условий установлены следующие значения оптимальных подач (2): БоТ15Кб = 0,35 мм/об; 8оТ15К6+тс = 0,37 мм/об; Бот^Кб+ш = = 0,38 мм/об.
Закономерности изменения целевых функций себестоимости С и производительности Р (1) в зависимости от скорости резания V для инструментов с покрытиями представлены на рис. 4, а. Графики изменения коэффициентов КР (6) и КС (7) в зависимости от коэффициентов снижения температуры резания Кв для различных значений коэффициента снижения шероховатости обработанной поверхности Кк представлены на рис. 4, б.
1 2 КРП Щ* 5 Щс 0.75 0.8 0.35 0 9 0.95 Ж
а) 6)
Рис. 4. Графики изменения целевых функций себестоимости С и производительности Р (сучетом температурных ограничений) в зависимости от скорости резания V, а также коэффициентов снижения себестоимости КС и повышения производительности КР (а); от коэффициента снижения температуры резания Кв (б)
Оптимальные скорости резания vо для инструментов с покрытиями определяются с учетом температурных ограничений в зависимости от коэффициентов снижения температуры резания Кв и шероховатости обработанной поверхности Кк и одинаковы для критериев производительности (3) и себестоимости (4): vор т15к6 = vоc т15к6 = 2,9 м/с; vор т15К6+тс = vоc т15К6+тс = = 3,4 м/с; vоp т15к6+ш = vоc т15К6+ш = 4,1 м/с.
196
Учет температурных ограничений существенно ограничивает оптимальную скорость резания V0. Определение оптимальных скоростей резания без учета температурных ограничений в указанных условиях привели бы к их завышенному уровню в сравнении с рассчитанными значениями: для критерия производительности (3) VоР Т15К6.= 4,0 м/с; VоР Т15К6+ТС = = 4,6 м/с; VоР Т15К6+ш = 5,2 м/с; для критерия себестоимости (4) VоС Т15К6 = = 3,2 м/с; Vоc т15Кб+тс = 3,7 м/с; Vоc шкб+ш = 4,2 м/с.
Для заданных условий обработки установлены следующие коэффициенты повышения производительности КР и снижения себестоимости КС:
КР1 Т15К6+ТС = 1,23; КР2 Т15К6+Ш = 1,54; КС1 Т15К6+ТС = 0,81; КС2 Т15К6+Ш = 0,65.
Таким образом, разработана методика оценки эффективности использования инструментов с покрытиями, которая на основании установленных зависимостей (6) и (7) позволяет для любых условий обработки инструментами с различными износостойкими покрытиями количественно оценивать возможности повышения производительности КР и снижения себестоимости КС по известным коэффициентам повышения стойкости инструмента КТ, снижения температуры резания Кв и снижения шероховатости обработанной поверхности Кк.
На основании разработанной методики обоснована более высокая эффективность чистового точения твердосплавными инструментами с покрытиями, причем покрытие из нитрида титана ПК более эффективно, чем покрытие из карбида титана ТЮ. Покрытие из карбида титана НС обеспечивает повышение производительность и снижение себестоимость в сравнении с инструментами без покрытий в 1,2 раза; покрытие из нитрида титана Т1К - более чем в 1,5 раза.
Список литературы
1. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойким покрытием. М.: Машиностроение, 1993. 368 с.
2. Ивченко Т.Г. Использование мультипликативных критериев при оптимизации режимов резания // Надшшсть шструменту та ошгашзащя технолопчних систем. Вип.30. Краматорськ: ДДМА, 2012. С. 325 - 330.
3. Ивченко Т.Г., Петряева И. А. Исследование тепловых потоков и температур резания при обработке инструментами с износостойкими покрытиями // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Вып. 1(51). Донецк: ДонНТУ, 2015. С. 84 - 89.
4. Михайлов А.Н., Петряева И.А., Ивченко Т.Г. Многокритериальная оптимизация режимов резания при точении инструментами с покрытиями // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч.1. С. 159 - 166.
197
5. Петряева И. А., Ивченко Т.Г. Оценка эффективности использования инструментов с покрытиями при чистовом точении фасонных поверхностей // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Вып. 4(55). Донецк: ДонНТУ, 2016. С. 62 - 69.
Ивченко Татьяна Георгиевна, канд. техн. наук, доц.,. ivchenco.sovet@gmail.com, Донецкая народная республика, Донецк, Донецкий национальный технический университет,
Петряева Ирина Алексеевна, ассистент, irina_petryaeva@mail. ru, Донецкая народная республика, Донецк, Донецкий национальный технический университет,
Михайлов Александр Николаевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, tm@fimm.donntu. org, Донецкая народная республика, Донецк, Донецкий национальный технический университет
ESTIMATION OF EFFICIENCY OF THE CUTTING TOOLS WITH WEARPROOF
COVERAGES APPLICATION
T.G. Ivchenko, I.A. Petryaeva, A.N. Mikhailov
It is offered the method of estimation of efficiency of the cutting tools with wearproof coverage's on the criteria of the productivity increase and prime price decline of the machining. The method is based on the estimation of the possibilities of the optimum cutting regimes intensification due to the increase of the tool with wearproof coverages life, declines of cutting temperature and roughness of the treated surface. The comparative analysis of possibilities of the productivity increase and prime price decline is executed due to the cutting tools with wearproof coverage's application at finish turning.
Key words: cutting tool, wearproof coverage, cutting speed, feed, productivity, prime price, optimization.
Ivchenko Tatiana Georgievna, candidate of technical sciences, docent, ivchenco. sovet@gmail. com, Donetsk people republic, Donetsk, Donetsk National Technical University,
Petryaeva Irina Alexceevna, assistant, irina_petryaeva@mail.ru, Donetsk people republic, Donetsk, Donetsk National Technical University,
Mikhailov Alexcandr Nicolayevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, tm@fimm. donntu. org, Donetsk people republic, Donetsk, Donetsk National Technical University
