CC BY
4УДК 621.914.1
Немцова Е.В.
аспирант кафедры машиностроения Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» (г. Москва, Россия)
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ НА МНОГОЦЕЛЕВЫХ СТАНКАХ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ОПЕРАТИВНОГО ВРЕМЕНИ
Аннотация: настоящая статья посвящена комплексному анализу и разработке эффективных способов организации технологического процесса фрезерной обработки деталей на многоцелевых станках. В статье анализируются и рассматриваются способы, обеспечивающие разбиение технологического припуска на обработку деталей на многоцелевых станках и построение траектории режущего инструмента при обработке корпусных деталей. Предложены варианты, выявлены и рассмотрены особенности стратегий обработки. Выявлены основные методики подхода к анализу траектории движения режущего инструмента. Произведены обобщенные расчеты для основных вариантов обработки. Особое внимание в статье уделяется вопросам износа инструмента и его влиянию на оперативное время обработки. На основе теоретических и экспериментальных исследований предложен алгоритм выбора оптимальной схемы фрезерования, обеспечивающей сокращение времени обработки и повышение производительности технологического процесса. Разработанные в статье подходы и рекомендации будут полезны специалистам в области технологии машиностроения, а также инженерам-практикам, занимающимся совершенствованием технологических процессов механообработки деталей на многоцелевом оборудовании.
Ключевые слова: анализ, фрезерование, режущий инструмент, корпусные детали, алгоритм, траектория, формула, припуск, оптимизация оперативного времени.
Введение.
Одним из самых распространенных методов обработки, включающим в - 1701 -
себя большую вариативность приемов, подходов, специализированного оборудования и инструмента является фрезерование. Распространенность фрезерования обусловлена тем, что с помощью фрезерования возможно получение различных видов поверхностей - как сложных наружных и внутренних контуров, резьб, так и отверстий, фасонных поверхностей и проч. Возможности оборудования фрезерной группы повышаются при использовании станков с ЧПУ, в частности многоцелевых (МЦ), взамен универсальных станков. На производительность фрезерования влияет множество факторов, среди них: материал инструмента и обрабатываемой заготовки, возможности применяемого оборудования, режимы, глубина резания и т.д.
Между основными параметрами, на основании которых определяется эффективность процесса обработки, такими как скорость резания, мощность резания и величина припуска, снимаемого за проход инструмента существует математическая взаимосвязь.
Целью данного исследования заключается в разработке и обосновании новых, более эффективных способов организации технологического процесса фрезерной обработки деталей на многоцелевых станках, обеспечивающих сокращение оперативного времени обработки.
Говоря о режимах обработки, невозможно не рассматривать силу резания, возникающую в момент контакта заготовки и инструмента. При подборе и вычислении режимов фрезерной обработки чаще всего используют тангенциальную составляющую силы резания (Р2, Н):
Р2 = С • гх • Бух • Вг • Б* (1)
Поскольку состояние режущего инструмента оказывает прямое влияние на силу резания, то обосновано будет учесть воздействие износа инструмента в процессе резания на Р2:
Рг = (2)
Стоит конкретизировать используемый инструмент. В рассматриваемой задаче это - твердосплавная фреза с основной режущей частью по цилиндрической поверхности и вспомогательной по диаметру:
1702
Рисунок 1. Твердосплавная концевая фреза.
Значительное влияние на силу резания оказывают подача (Б) и глубина резания, причем, согласно исследованиям, влияние глубины резания (1) на силу резания превышает влияние подачи. Определение режимов резания начинают с выбора толщины слоя материала, снимаемого за один проход инструмента -глубины резания.
На многоцелевых станках с ЧПУ сверлильно-расточной и фрезерной групп обрабатывают детали машин широкой номенклатуры. Типы деталей определяются в значительной степени специализацией предприятий с отраслевой направленностью. Типовыми деталями для различных отраслей являются стойки, рамы, кронштейны, станины, корпуса, крышки, плиты и т.п.
Самым распространенным инструментом, используемым для обработки на многоцелевых станках, остаются различные виды фрез, например торцевые для обработки поверхностей под установочные базы, отрезные для отрезки деталей, концевые и грибковые для контурной и фасонной обработки и проч. Также широкое применение получили расточные головки и сверла.
К наиболее характерным технологическим видам обработки (переходам) корпусных деталей относят:
а) контурное фрезерование,
б) фрезерование плоскостей черновое (с глубиной резания до 10-12 мм), получистовое и чистовое,
в) фрезерование пазов и уступов,
г) сверление крепежных и основных отверстий,
1703
д) развертывание отверстий по 7-8 квалитетам точности,
е) растачивание получистовое (припуск 3-15 мм) и чистовое (припуск 1-2
мм),
ж) нарезание резьбы в отверстиях [1].
При выборе инструмента для обработки поверхностей детали руководствуются в первую очередь требованиями к точности и взаимному расположению элементов детали, видом поверхности, возможностями оборудования обработки, серийности детали. Обработку корпусных деталей обычно начинают с обработки базовых плоскостей, которые затем служат началом отсчета координат положения основных или крепежных отверстий, длин отверстий и их торцов, пазов и т.д.
Для обработки базовых плоскостей обычно применяют торцовые фрезы двух типов: черновые и чистовые с механическим креплением сменных многогранных пластин. Для чистовой обработки рекомендуются фрезы, у которых режущие пластины имеют широкие «зачистные» фаски [1].
Также отдают предпочтение инструменту, обеспечивающему наибольшую производительность обработки за один рабочий ход. Примером такого инструмента могут служить ступенчатые сверла.
Основные формулы при фрезеровании.
Глубина резания X (мм) при фрезеровании определяется припуском на механическую обработку и видом обрабатываемой поверхности (плоскость, отверстие, паз, сложная фасонная поверхность).
При черновом и получистовом фрезеровании подача - величина перемещения инструмента назначается по справочным таблицам [2]. Взаимосвязь подачи и глубины резания прослеживается в формуле определения скорости резания и может быть выражена оттуда:
Су • Б4 • Ки • Км • К«, V =-^-, (3)
тт • гх • • гп • вг
где:
В - ширина фрезы, мм,
1704
Э - наружный диаметр фрезы, мм,
Т - стойкость фрезы, мин,
X - глубина резания, мм,
Sz - подача на зуб, мм/зуб,
Су, Ки, Км, Кф - коэффициенты,
q, т, х, у, п, ъ - показатели степени (1)
Следовательно,
_ Су • Рч • Ки • Км • Кф 2 _ у • Тт • • В2 ( 4
Подставим полученную формулу в выражение (2):
рг _ с^е^^в^^^^^к^,
где:
С - коэффициент, учитывающий материал заготовки и условия обработки,
Э - наружный диаметр фрезы, мм,
Т - стойкость фрезы, мин,
X - глубина резания, мм,
Бъ - подача на зуб, мм/зуб,
Су, Ки, Км, Кф - коэффициенты,
q1, ъ1 - показатели степени
Следовательно:
_ Су • Рч • Ки • Км • К^ • С • В2г • • н3 (5)
р7 _ —--—-—£-3 (6)
С„ • Ба • К, • Км • Кю • С • Вь •
Р7 _ —--—--£-3 (7)
Затем обратимся к мощности, выразив Ыэ через Р2:
Ыэ _ Рг •у
ы _ Су-Ра-Ки-Км-К(р-С-Въ ^ (8)
э V • Тт • 2п ( 4
1705
Cv • Da • К-,, • Км • Кт • С • ВЪ
Ъ = --Т^--(9)
Основное технологическое время определяется выражением:
Lp. х.
toT = "Г--i (10)
$о = S^z (11)
Sm = So• п, (12)
где:
Ьр.х - длина рабочего хода фрезы (за один проход), мм, i - число проходов, Sm - минутная подача мм/мин, Sz - подача на зуб фрезы об/зуб, Sо - оборотная подача об/мин. Основное технологическое время за один проход:
Lp. х.
tOCH ~S (13)
Sm
Lpx • тт • tx+y • Sz • Bz п t = -—----(14)
осн Z 1-nC^HBx-1000- Cv^D(«-1+z) •Ku^KM^K(p K J
Lpx •T™ •ti •S? • Bz n
t = -—----(15)
осн zl C • HBX • 1000 • Cv • Da • Ku • KM • K(p y J
Полное оперативное время является суммой основного технологического и вспомогательного времен:
t оп t осн + t в (16)
Из формул следует, что основное технологическое время при обработке детали находится в прямой зависимости от длины рабочего хода (иначе пути, проходимого инструментом) и глубины врезания фрезы в материал - величины припуска, снимаемого за проход.
В исследованиях будем рассматривать повышение эффективности чернового и получистового фрезерования деталей типа корпус и каретка штока. Рассмотрим деталь сложной конфигурации с большим числом обрабатываемых поверхностей:
1706
Рисунок 2. Модель каретки штока. Первый из вариантов обработки некоторых групп поверхностей детали будет выглядеть так:
Рисунок 3. Заготовка детали.
1707
Методология исследования.
В качестве методов исследования были выбраны два: обобщенные вычисления на основе данных теоретической базы и последующее моделирование с заданием требуемых входных параметров. При проведении эксперимента основным изменяемым параметром будет величина снимаемого припуска, эффективность сформулированной стратегии будет оцениваться, исходя из того, удается ли достигнуть требуемых показателей точности при снятии припуска за один проход инструмента или же приходится производить глубина срезаемого слоя не требует неоднократного удаления материала. Всего для анализа и составления необходимого алгоритма будет представлено три стратегии обработки.
Стратегия 1.
По стратегии 1 за один проход инструмента предполагается снимать весь технологический припуск.
Рисунок 4. Модель корпуса.
1708
Рисунок 5. Контуры обработки по стратегии 1. 1 - фрезерование округлого кармана по дуге, 2 - фрезерование прямоугольного
кармана.
бспамогательиыи ход инструмента \ |
рпдочии код инструмента
Рисунок 6. Обработка детали по осям Х, У.
Стратегия 2.
Вторым способом будет фрезерование выбранных поверхностей по спирали.
1709
Рисунок 7. Контуры обработки по стратегии 2.
Стратегия 3.
Стратегия 3 подразумевает постепенное (зигзагообразное) врезание в металл и фрезерование контура петлями (см. рис. 8, 9).
Рисунок 8. Зигзагообразная схема врезания инструмента в материал.
1710
Эффективность приведенных выше стратегий будет оцениваться по двум основным параметрам - наименьшему пути движения инструмента и наибольшему по толщине слою срезаемого материала за проход. Ограничением для глубины врезания будут служить стойкость инструмента [3] и свойства материала [4] детали. Стратегии фрезерования могут комбинироваться и должны дополнять друг друга в процессе выработки режущим инструментом его ресурса.
Для выбора стратегии, наиболее подходящей в каждой конкретной ситуации составлен алгоритм:
1711
Рисунок 10. Алгоритм выбора стратегии обработки. Износ фрезы [5], влияющий на режимы резания, выразить как
1712
зависимость на 1-ом проходе от суммарного основного времени и стойкости инструмента. В общем виде это можно представить:
где:
ъ - число зубьев фрезы,
10 - основное время, мин,
Т - стойкость фрезы, мин,
Ид - допустимая величина износа инструмента.
Заключение.
Теоретические изыскания по данной теме следует расширить до оптимизации не только основного оперативного, но и вспомогательного времени, включающего в себя время холостых перемещений инструмента. Для оптимизации основного технологического времени предстоит выразить подачу через глубину резания и найти частную производную по времени.
1. Маслов А.Р., Тивирев Е.Г. Инструментальные системы машиностроительного производства: учебное пособие - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2021. - 24 с;
2. Попок Н.Н., Анисимов В.С. Динамика механической обработки концевыми фрезами на станке с ЧПУ // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия B. Промышленность. Прикладные науки, 2024. - 28 - 33 с;
3. Трушин Н.Н., Лисицин В.Н. Лазарев А.Ю. Восстановление зависимости периода стойкости концевой фрезы при обработке стеклотекстолита на основе многофакторного эксперимента // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2022. - 239 - 243 с;
4. Верещака А.С., Кушнер B.C. Резание материалов.: Учебник - М.: Высшая школа, 2009. - 535 с;
(17)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1713
5. Износ режущего инструмента.
https://studref.com/607296/tehnika/iznos_rezhuschego_instrumenta (дата обращения 11.05.2024)
Nemtsova E.V.
Moscow State Technological University STANKIN (Moscow, Russia)
INCREASING THE EFFICIENCY OF MANUFACTURING CASE PARTS ON MULTI-PURPOSE MACHINES BY OPTIMIZING OPERATING TIME
Abstract: this article is devoted to the comprehensive analysis and development of effective ways to organize the technological process of milling parts on multi-purpose machines. The article analyzes and discusses methods for dividing the technological allowance for processing parts on multi-purpose machines and building the trajectory of the cutting tool when processing body parts. Variants are proposed, the features of processing strategies are identified and considered. The main methods of the approach to the analysis of the trajectory of the cutting tool are revealed. Generalized calculations have been made for the main processing options. The article pays special attention to the issues of tool wear and its impact on the operational processing time. Based on theoretical and experimental studies, an algorithm for choosing the optimal milling scheme is proposed, which ensures a reduction in processing time and an increase in the productivity of the technological process. The approaches and recommendations developed in the article will be useful to specialists in the field of mechanical engineering technology, as well as to practical engineers engaged in improving the technological processes of machining parts on multi-purpose equipment.
Keywords: analysis, milling, cutting tools, body parts, algorithm, trajectory, formula, allowance, optimization of operational time.
1714
