CC BY
21
УДК 621.9; 658.5
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СВЕРЛЕНИЯ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОТС
Т.Г. Ивченко, И.А. Петряева, А.Н. Михайлов
Предложена методика оценки эффективности сверления с использованием СОТС по критериям повышения производительности и снижения себестоимости обработки. Методика основана на оценке возможностей интенсификации оптимальных режимов резания за счет повышения стойкости инструмента и снижения сил резания. Выполнен сравнительный анализ возможностей повышения производительности и снижения себестоимости сверления различных труднообрабатываемых материалов при использовании различных СОТС.
Ключевые слова: сверление, стойкость, скорость резания, подача, производительность, себестоимость.
Низкая обрабатываемость специальных марок нержавеющих, жаропрочных и высокопрочных сталей и сплавов, широко распрстраненных в деталях и узлах современных машин, обуславливает высокую трудоемкость и низкую себестоимость их изготовления. Использование смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) при обработке этих материалов - наиболее распространенный способ интенсификации процесса резания и повышения его эффективности.
Несмотря на то, что в настоящее время накоплен достаточный опыт применения СОТС при обработке резанием [1], рациональный выбор СОТС вследствие большого разнообразия самих СОТС и способов их подачи в зону резания, весьма затруднен.
При анализе эффективности обработки с использованием СОТС наиболее распространены критерии повышения стойкости, снижения сил и температур резания, уменьшения шероховатости обработанной поверхности, определяемые, как правило, экспериментальным путем [2, 3].
Не менее важна оценка возможностей интенсификации процесса резания при использовании СОТС, выполняемая на основании оптимизации режимов резания по различным критериям. Наиболее объективной является количественная оценка эффективности использования СОТС по критериям повышения производительности и снижения себестоимости в различных условиях обработки [4, 5]. Представляет интерес дальнейшее развитие этой методики применительно к операциям сверления.
Цель работы - оценка возможностей интенсификации режимов резания и повышения эффективности сверления различных труднообрабатываемых материалов при использовании различных СОТС.
При сверлении с использованием СОТС достигаются повышение стойкости сверл Т и снижение крутящего момента МКР:
Т = (суКуКтО^ /уБУу 1 т ; ЫКр = СмКрКмБ^м , (1)
где КТ, КМ - коэффициенты повышения стойкости сверла и снижения крутящего момента при сверлении с использованием СОТС; О - диаметр сверла; Су, Ку, т, ду, уу - коэффициенты и показатели, характеризующие влияние стойкости Т, диаметра О и подачи £ на скорость резания V; См, КР, Ям, ум - коэффициенты и показатели степеней, характеризующие влияние диаметра О и подачи £ на крутящий момент МКР при сверлении.
Оценка возможностей интенсификации процесса сверления с использованием СОТС осуществляется на основе оптимизации режимов резания по критериям производительности и себестоимости.
Целевые функции, выражающие зависимость критериев оптимизации (максимальной производительности Р и минимальной себестоимости С) от скорости резания V и подачи £, при сверлении с использованием СОТС имеют вид
Р(У,£) — УЯ; С) — V-1£-1 + МК-1Уку 8кя , (2)
гдеМ — (гс + Л/А)!/СуКуОЯ 1 т; ку = 1/т - 1; к£ = уМ - 1; А - стоимость станко-минуты, Аи - стоимость одного периода стойкости сверла; 1с - время смены инструмента.
Основным ограничением при сверлении (при достаточной жесткости сверла) является ограничение по прочности
4К£ > 1,13СмКмОЯм БУм /ж, (3)
где о - предел прочности материала сверла; К£.~ 1.5...2.0- коэффициент запаса прочности; Ж=0,020 - момент сопротивления сверла.
Установлены аналитические зависимости подач 8о и скоростей резания, оптимальных по критерию производительности УоР и себестоимости УоС от параметров сверления [3]:
1/ум ; у — СуКуКтОЯу у = КусСуКуКтОЯу
' гР тт£УУ ' гС тт£УУ '
=
/0,012о03-дм Л
СМКМК£
где КуС - коэффициент, учитывающий различие оптимальных по различным критериям (производительности и себестоимости) скоростей резания: Кус = [т/(1-т)(^+Аи/А)]т.
В результате анализа полученных зависимостей (4) определены коэффициенты интенсификации режимов резания за счет использования СОТС: коэффициенты изменения подач К£, а также скоростей резания для критериев максимальной производительности КуР и минимальной себестоимости Кус:
V — V-1/Ум • г —Vт1<гуу1ум • г- — V-т^-уу/ум (5)
К£1 — Км ; КУР — КТКм ; КУС — КТ Км . (5)
На основании указанных коэффициентов интенсификации режимов резания - подачи и скорости (5) - установлены коэффициенты повышения производительности КР = Р(У,8)СОТС/Р(У,8) и снижения себестоимости
Кс = С(У8)СоТС/С(У8) сверления с использованием СОТС в сравнении с обработкой без СОТС:
(Уг -1) (1-Уг)
Кр = К?КмУм ; Кс = К- тКмУм . (6)
Достоинством установленных коэффициентов интенсификации режимов резания и повышения эффективности обработки является возможность их оценки для любых условий обработки только по коэффициентам повышения стойкости и снижения крутящих моментов, представленным в справочно-нормативной литературе [1], либо определяемых экспериментальным путем.
Результаты экспериментальных исследований влияния различных СОТС на стойкость сверл и крутящий момент при сверлении приведены для следующих материалов: сталь 2Х13, сталь Х18Н9Т, сплав ЭИ654 (45Х14Н14В2М).
В экспериментах использовались СОТС: 5 %-ные водные эмульсии из эмульсулов:
1 - эмульсол Э-2 с преимущественно охлаждающим эффектом;
2 - эмульсол НГЛ-205, состоящий из масляного раствора сульфона-та натрия и пассивирующих добавок водорастворимых ингибиторов коррозии - нитрита натрия и тринатрийфосфата - с охлаждающим и частично смазывающим эффектом;
3 - эмульсол СДМу, содержащий масло, сульфонат натрия, растворимые ингибиторы коррозии и небольшое количество (до 3 %) дисульфида молибдена, прошедшего ультразвуковую обработку, с усиленным смазывающим действием.
В результате испытаний (рис. 1) экспериментально определены степень влияния скорости резания V на стойкость инструмента Т и коэффициенты повышения стойкости Кт (табл. 1), а также коэффициенты снижения крутящего момента Км (табл. 2) при использовании различных СОТС (сверло Р18 диаметром Б = 10,5 мм; подача £ = 0,09 мм/об).
20 30 У'м/шнн 10 20 ТДРИГЙ'Ц >5: 6 7 8 10 ^м/мин
а) ' а в)
Рис. 1. Графики зависимости стойкости сверл Т от скорости резания V для различных СОТС и обрабатываемых материалов: а - сталь 2Х13; б - сталь Х18Н9Т; в - сплав ЭИ654
164
Таблица 1
Коэффициенты повышения стойкости сверл КТ
Обрабатываемый материал Показатель степени т Коэффициенты повышения стойкости сверл КТ для различных СОТС
Э-2 НГЛ-2О5 СДМу
Сталь 2Х13 0,15 1,2 1,8 3,2
Сталь Х18Н9Т 0,25 1,3 2,2 4,3
ЭИ654 0,4 1,1 1,4 1,9
Таблица 2
Коэффициенты снижения крутящего момента при сверлении Км
Обрабатываемый материал Коэффициенты снижения крутящего момента Км при сверлении для различных СОТС
Э-2 НГЛ-2О5 СДМу
Сталь 2Х13 1 0,9 0,85
Сталь Х18Н9Т 1 0,9 0,85
ЭИ654 1 1 0,95
При сверлении с использованием в качестве СОТС эмульсола Э-2 с преимущественно охлаждающим эффектом обеспечивается минимальное повышение стойкости в сравнении со стойкостью при обработке без СОТС и не наблюдается снижение крутящего момента.
При использовании эмульсола НГЛ-2О5 к охлаждающему эффекту добавляется эффект смазывающий, что усиливает повышение стойкости и снижение крутящего момента.
Наибольший эффект повышения стойкости инструмента и снижения крутящего момента наблюдается при использовании эмульсола СДМу с усиленным смазывающим действием.
Представленные на рис. 2 и рис. 3 графики позволяют для различных обрабатываемых материалов количественно оценить влияние коэффициента повышения стойкости КТ, а также коэффициента снижения крутящего момента Км на коэффициенты повышения производительности КР и снижения себестоимости Кс сверления с использованием СОТС.
Рис. 2. Графики зависимости коэффициентов повышения производительности КР (а) и снижения себестоимости Кс (б) от коэффициента повышения стойкости КТ при сверлении с использованием СОТС
165
Ер
'¿8
1.6 1.4 1.2 ;
[
Рис. 3. Графики зависимости коэффициентов повышения производительности КР (а) и снижения себестоимости Кс (б) от коэффициента снижения крутящего момента Км при сверлении с использованием СОТС
Коэффициенты повышения производительности КР и снижения себестоимости Кс с учетом одновременного изменения коэффициентов повышения стойкости КТ и снижения крутящего момента Км при сверлении с использованием СОТС, установленных по результатам экспериментальных исследований, представлены в табл. 3.
Таблица 3
Коэффициенты повышения эффективности сверления с использованием СОТС
Обрабатываемый материал Коэффициенты повышения производительности КР и снижения себестоимости Кс сверления для различных СОТС
Э-2 НГЛ-2О5 СДМу
Кр Кс Кр Кс Кр Кс
сталь 2Х13 1,03 0,97 1,19 0,84 1,35 0,74
сталь Х18Н9Т 1,05 0,96 1,26 0,80 1,52 0,66
ЭИ654 1,08 0,93 1,27 0,79 1,66 0,60
При сверлении с использованием в качестве СОТС эмульсола Э-2 с преимущественно охлаждающим эффектом обеспечиваются минимальное повышение производительности и снижение себестоимости в сравнении с другими СОТС.
Наибольший эффект повышения производительности и снижения себестоимости (более чем в 1,5 раза) наблюдается при использовании эмульсола СДМу с усиленным смазывающим действием, обеспечивающего, как было показано ранее, наибольшее повышение стойкости и снижение крутящего момента.
Таким образом, на основании выполненных исследований установлены коэффициенты интенсификации режимов резания, а также коэффициенты повышения производительности и снижения себестоимости сверления с использованием СОТС.
Ч/Э Кб 54
-сталь X181:
щ
ста ль 2X1
.6 0.7 0.8 0.9 Км а)
Список литературы
1. Смазочно-охлаждающие технологические средства и их применение при обработке резанием: справочник / Л.В. Худобин [и. др.]. М.: Машиностроение, 2006. 544 с.
2. Оценка эффективности использования смазочно-охлаждающих технологических сред при точении труднообрабатываемых материалов / В.А. Богуславский, Т.Г. Ивченко, В.В. Польчен-ко, И.Ю. Зайцева // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Донецк: ДонНТУ, 2012. Вып. 43. С. 59 - 65.
3. Богуславский В.А., Ивченко Т.Г., Польченко В.В. Влияние СОТС на себестоимость операций сверления нержавеющих сталей // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Донецк: ДонНТУ, 2014. № 4 (50). С. 41 - 47.
4. Ивченко Т.Г. Оценка эффективности использования СОТС при тонком точении инструментами из сверхтвердых материалов // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Донецк: ДонНТУ, 2016. Вып. 1 (52). С. 62 - 68.
5. Ивченко Т.Г., Петряева И. А., Михайлов А.Н. Оценка эффективности использования режущих инструментов с износостойкими покрытиями // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. Вып. 8. Ч. 2. С. 190 - 198.
Ивченко Татьяна Георгиевна, канд. техн. наук, доц,. ivchenko.sovetagmail. com, Украина, Донецк, Донецкий национальный технический университет,
Петряева Ирина Алексеевна, канд. техн. наук, ассист., [email protected], Украина, Донецк, Донецкий национальный технический университет,
Михайлов Александр Николаевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, tma mech.dgtu.donetsk.ua, Украина, Донецк, Донецкий национальный технический университет
INCREASE OF DRILLING EFFICIENCY OF THE STAINLESS MATERIALS WITH APPLICATION OF TECHNOLOGICAL CUTTING FLUID
T.G. Ivchenko, I.A. Petryaeva, A.N. Mikhailov
It is offered the method of estimation of drilling efficiency with use technological cutting fluids on the criteria of the machining productivity increase and prime price decline. The method is based on the estimation of the possibilities of intensification of the optimum cutting regimes due to the increase of the tool life and declines of cutting forces. The comparative analysis of possibilities of the drilling productivity increase and prime price declineat of stainless materials with application of technological cutting fluid is executed.
Key words: drilling, tool life, cutting speed, feed, productivity, prime price
Ivchenko Tatiana Georgievna, candidate of technical science, docent, ivchenko. sovetagmail. com, Ukraine, Donetsk, Donetsk National Technical University,
Petryaeva Irina Alexceevna, candidate of technical science, assistent, [email protected], Ukraine, Donetsk, Donetsk National Technical University,
Mikhailov Alexcandr Nicolayevich, doctor of technical science, professor, manager of department, tmamech. dgtu. donetsk. ua, Ukraine, Donetsk, Donetsk National Technical University
УДК 539.3
ИЗГИБ КОМПОЗИТНОЙ БАЛКИ С УЧЁТОМ СДВИГОВОЙ
ДЕФОРМАЦИИ
В.В. Фирсанов
Представлен вариант теории изгиба балки с отступлением от некоторых классических гипотез. Задаётся такое распределение касательных напряжений по высоте балки, чтобы граничные условия по ним на протяжённых границах были автоматически удовлетворены. Учёт сдвигов приводит к постановке задачи в смешанной форме: основными неизвестными являются прогиб и касательные напряжения. Продольные перемещения определяются из соотношения, которое можно трактовать как уравнение совместности. Разрешающие уравнения задачи, которые выводятся с использованием вариационного принципа Лагранжа, имеют более высокий порядок в сравнении с классической теорией Бернулли. В уравнениях и граничных условиях появляются новые кинематические и внутренние силовые факторы.
Ключевые слова: балка, изгиб, нагрузка, деформация, напряжение,жёсткость, момент, сила, депланация, бимомент.
Классическая теория изгиба балок построена на двух основных гипотезах: отсутствие сдвигов и линейных деформаций в направлении, перпендикулярном оси балки. Эти гипотезы были сформулированы Бернулли, а затем Кирхгоф распространил их на теорию изгиба пластин. И для изгибаемых балок, и для пластин получены, благодаря этим гипотезам, относительно простые разрешающие уравнения и их точные решения для довольно большого класса задач. Развивая теорию Бернулли в задачах изгиба балок и Кирхгофа в задачах изгиба пластин, некоторые авторы подвергали сомнению одну из гипотез, а именно, гипотезу отсутствия сдвигов. Особенно это стало актуальным при все более возрастающем применении композиционных, слоистых материалов в промышленности. Межслоевой сдвиг в этих материалах играет существенную роль, и пренебрегать им значит допустить существенное искажение результатов решения. Сдвиговые деформации можно учесть неоднозначно [1], [2], но несмотря на идентичность полученных разными авторами разрешающих уравнений, полного совпадения, тем не менее, не наблюдается. Одним из существенных недостатков некоторых вариантов теории является то, что учет сдвигов приводит к появлению касательных напряжений на поверхности балки, что в какой-то степени искажает исходную задачу [2].
