CC BY
15
УДК 621.322
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-8-309-313
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ НА СРЕДНЕГАБАРИТНЫХ МНОГОЦЕЛЕВЫХ СТАНКАХ ФРЕЗЕРНОЙ ГРУППЫ
В.В. Жмурин, В.В. Хрячкова
В статье выполнен анализ существующих, современных методик назначения режимов резания для обработки нержавеющих сталей и направления их развития. На основе выполненного анализа разработаны теоретические рекомендации назначения режимов резания, которые учитывают фактический износ инструмента в процессе обработки.
Ключевые слова: режимы резания, эффективность обработки, критерии оценки, мониторинг процесса резания, износ инструмента, нагрузка на шпиндель.
Развитие авиационной, космической, оборонной и других отраслей промышленности требует модернизации имеющихся, а также проектирование на их основе новых машин и механизмов с расширенными технологическими возможностями и областями применения. Выполнение указанных требований невозможно без внедрения в конструкцию проектируемых изделий новых деталей с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Общий анализ деталей, изготавливаемых в настоящее время на машиностроительных предприятиях показал, что в конструкцию новых машин и механизмов широко внедряются детали, изготовленные из различных марок нержавеющих и жаропрочных сталей, алюминия, сплавов на его основе, а также неметаллических материалов. Наиболее распространены детали, изготовленные из различные марок нержавеющих сталей. Это объясняется тем, что нержавеющие стали по сравнению с конструкционными имеют более высокие механические и эксплуатационные характеристики.
Проблема обработки нержавеющих сталей обусловлена их физико-механическими свойствами, а именно содержанием таких легирующих элементов как хром и никель. Анализ научных работ [1,6,7,8], посвященных обработке нержавеющих сталей резанием позволил установить, что в процессе их механической обработки возникают следующие проблемы:
1. Упрочнение поверхностного слоя материала, вызванного пластическими деформациями в процессе резания.
2. Из-за низкого коэффициента теплопроводности нержавеющей стали стружка отводит незначительную часть тепла образовавшегося в процессе резания. Это приводит к перегреву режущего инструмента и как следствие снижение его стойкости.
3. По сравнению с конструкционными сталями нержавеющие стали обладают высокой вязкостью. Это приводит к образованию нароста на режущей кромки инструмента и как следствие снижение точности и шероховатости обработанной поверхности.
В настоящее время инструментальные фирмы к проблеме обработки нержавеющих сталей подходят комплексно. Помимо разработки новых инструментальных материалов, защитных покрытий и нового геометрического исполнение режущей части инструмента, они активно разрабатывают новые методики назначения режимов резания. В основе разрабатываемых методик лежит технология высокоскоростного резания. Согласно которой при обработке нержавеющих сталей инструментом из твердого сплава необходимо выполнять интенсификацию скорости резания и подачи при глубине резания не превышающей 10 % от диаметра инструмента [1,5,6,7,8]. Увеличение скорости резания и минутной подачи позволяет снизить температуру в зоне резания, а также замедлить процесс наростообразования на режущей поверхности инструмента. Предлага-
емый подход к решению проблемы не учитывает динамическую составляющую процесса резания. С увеличением параметров режимов резания возрастают колебания в системе СПИД, поэтому рассматриваемый метод можно использовать только на станках, конструкция которых направлена на реализацию технологии высокоскоростного резания.
На большинстве машиностроительных предприятий около 75-80% станочного парка представлено среднегабаритными станками, предназначенными для выполнения чистовой и получистовой обработки. Исходя из своего назначения, они оснащаются шпинделем мощностью 10—15 кВт, который обеспечивает не более 20.000 об/мин. Общий анализ конструкции рассматриваемого класса станков установил, что они не обладают достаточной жесткостью для реализации технологии высокоскоростной обработки. Однако мощности их привода достаточно для обработки заготовки с глубинами резания не более 3-5 мм. Использование на данном классе станков элементов технологии высокоскоростного резания приводит к потере точности, качества обработки, а также снижению стойкости инструмента из-за вибраций вызванных недостаточной жесткостью оборудования.
При назначении режимов резания важным вопросом является оценка их эффективности. В настоящее время существует множество технико-экономических критериев оценки. Наибольшее распространение получили следующие критерии оценки: по машинному времени обработки, сменной выработке, стойкости инструмента и др. [2,4]. Анализ взаимосвязи различных критериев с режимами резания, выполненный в работе [4], установил, что все они находятся в сложной функциональной зависимости с различными параметрами резания. Согласно зависимостям, выявленным в работе [4] для станков с ЧПУ в качестве ограничивающего фактора, рекомендуется рассматривать стойкость инструмента. Она должны быть больше или равняться числу заготовок в обрабатываемой партии деталей [4]. Данный критерий эффективно использовать в условиях массового или крупносерийного производства, когда размеры партии деталей постоянны в течении длительного времени. Отличительной особенностью современного производства является его переход на серийное, мелкосерийное и единичное производство.
В условиях серийного и мелкосерийное производства количество деталей в партии может быть различным. Соответственно при использовании указанного выше ограничивающего фактора необходимо при уменьшении числа заготовок в партии скорость резания увеличивать, а при, увеличении заготовок —уменьшать. Таким образом период стойкости может колебаться в широком диапазоне значений, что приводит к определенным затруднениям при назначении режимов резания и определения необходимого количества инструмента.
Для оценки режимов резания в совокупности с техническими критериями всегда используются и различные экономические показатели. Анализ различных экономических критериев оценки режимов резания выполненный в работах [3,4] показал, что наиболее эффективно в качестве ограничивающего фактора при выборе режимов резания использовать плановую или сменную норму выработки [3,4].
Согласно известным методикам назначения режимов обработки выполнение заданной сменной выработки может быть достигнуто двумя основными способами. Первый способ заключается в назначении высоких скоростей резания и подачи при небольшой глубине резания. Второй способ заключается в назначении большой глубины резания при невысоких скоростях резания и подачи соответственно. Анализ указанных выше способов, выполненный в работах В.Ф. Боброва, установил, что для повышения производительности и как следствие достижение необходимой выработки целесообразнее вести обработку с максимально возможной глубиной резания, с последующей корректировкой подачи в сторону увеличения [3]. Рассмотренная методика может быть реализована только на силовых станках, предназначенных для реализации технологии высокопроизводительного резания.
Для рассмотренного выше класса станков такая методика назначения режимов резания является наиболее предпочтительной, так как он позволяет наиболее полно использовать мощность их привода по сравнению с технологией высокоскоростного резания. Однако невысокая жесткость их базовых деталей существенно ограничивает диапазон назначаемых глубин резания.
Сокращение машинного времени как правило является основным фактором для получения снижения себестоимости изготовления деталей. Однако в современных рыночных условиях этого не всегда бывает достаточно. Необходимо не только быстро и качественно производить продукцию, но и оптимизировать все затраты необходимые для её изготовления. Среди таких затрат наиболее важной является расход и стоимость режущего инструмента. Основным способом сокращения рассмотренной статьи затрат является полное использование ресурса режущего инструмента.
Существующие методики назначения режимов резания при определении стойкости инструмента используют статистические данные или известные эмпирические зависимости, которые занижают его ресурс. Для полного использования ресурса режущего инструмента необходим постоянный контроль за его состоянием непосредственно в процессе обработки. В настоящее время для контроля за состоянием режущего инструмента разработано большое количество специального измерительного оборудования и программного обеспечения к нему, которое устанавливается на станок с ЧПУ. В производственных условиях оно используется крайне редко. Это обусловлено его высокой стоимостью, трудоёмкостью установки на станок и наладки.
В качестве альтернативы специальному измерительному оборудованию для контроля за состоянием режущего инструмента в производственных условиях можно использовать возможности системы контроля нагрузки на приводах подачи и шпинделе станка. Данная система является частью общей системы диагностики и контроля, которая встраивается в базовую комплектацию любой системы ЧПУ начиная с третьего поколения.
Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать вывод, что в настоящее время для эффективного использования рассмотренного класса станков необходима новая методика назначения режимов резания, которая будет комплексно учитывать индивидуальные особенности оборудования, процесса резания, а также экономические показатели обработки.
Одним из вариантов решения поставленной задачи является методика назначения режимов резания в которой глубина обработки в процессе резания уменьшается в диапазоне значений, который определяется ограничивающими факторами. Для рассматриваемого класса станков в качестве ограничивающих факторов используются следующие:
1. В качестве технологического критерия используются динамические ограничения, накладываемые жесткостью базовых узлов станка и параметры обрабатываемой поверхности, а именно отклонение от формы, точности размеров и шероховатости поверхности;
2. В качестве экономического критерия используется норма сменной выработки или заданная трудоёмкость изготовления детали.
Предлагаемая методика назначения режимов резания базируется на известных и доказанных теоретических основах, посвященных процессу изнашивания режущего инструмента. В работах [3,4] выделяется три стадии изнашивания: стадия приработки инструмента, стадия нормального изнашивания инструмента и стадия технологического изнашивания, когда инструмент не может выполнять возложенные на него задачи при заданных параметрах резания. При достижении инструментом границы стадии нормального изнашивания выполняется уменьшение глубины резания. Это обеспечивает снижение силы резания и как следствие позволяет увеличить период стойкости. Уменьшение глубины резания приводит к увеличению машинного времени обработки, поэтому изменение глубины резания можно выполнять в относительно небольшом ин-
тервале. Его предельная граница обусловлена максимальным временем, при котором возможно выполнение необходимой выработки деталей. Для контроля за состоянием инструмента используется штатная система мониторинга нагрузки на шпиндель и приводы подачи станка, которой оснащены все системы ЧПУ начиная с третьего поколения.
Предложенная методика ориентирована на обработку среднегабаритных корпусных деталей в которых объём удаляемого припуск составляет не менее 60% от массы заготовки.
Для подтверждения выдвинутых теоретических предположений необходимо проведение серия экспериментальных исследований в условиях действующего производства.
Исследования необходимо провести в два этапа. На первом этапе необходимо выполнить сбор данных о стойкости инструмента и его взаимосвязи с изменением силы резания и мощности, затрачиваемой на обработку. Результатом его выполнения является получение сведений о характере износа инструмента. На основе полученных данных определяется граница, соответствующая степени износа инструмента после наступления которой целесообразно выполнять уменьшение глубины резания. На втором этапе исследований проверяется технологическая и экономическая целесообразность предложенной методики на примере обработки конкретной детали в производственных условиях.
Список литературы
1. Баранчиков В.И., Тарапанов А.С. Харламов Г.А. Обработка специальных материалов в машиностроении, справочник. М.: Машиностроение, 2002. 264 с.
2. Безъязычный В.Ф., Аверьянов И.Н., Кордюков А.В. Расчет режимов резания: учебное пособие. Рыбинск, 2009. 185 с.
3. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов: учеб пособие. М.: Машиностроение, 1975. 344 с.
4. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. М.: Высшая школа, 1985. 304 с.
5. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. Л.: Машиностроение, 1986. 184 с.
6. Руководство по металлообработке «Technical Guide» фирмы "SANDVIK Coromant". М., 2010. 617 с.
7. Справочник по резанию материалов GARANT // Институт Фраунгофера, Германия. 2010. 842 с.
8. Технология обработки металлов резанием: учебное пособие фирмы "SANDVIK Coromant". М., 2009. 346 с.
Жмурин Владимир Викторович, канд. техн. наук., доцент, vladi-mir_zhmurin@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Хрячкова Валерия Валериевна, канд. техн. наук., доцент, hryachko-vavv@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MPROVING THE QUALITY OF PROCESSING PARTS FROM STAINLESS STEELS ON MEDIUM-SIZED MULTI-PURPOSE MILLING MACHINES OF THE MILLING GROUP
V.V. Zhmurin, V.V. Khryachkova 312
The article analyzes the existing, modern methods of assigning cutting modes for processing stainless steels and the direction of their development. Based on the performed analysis, theoretical recommendations for the purpose of cutting modes have been developed, which take into account the actual wear of the tool during processing.
Key words: cutting modes, processing efficiency, evaluation criteria, monitoring of the cutting process, tool wear, load on the spindle.
Zhmurin Vladimir Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, vladi-mir_zhmurin@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Khryachkova Valeria Valeryevna, candidate of technical sciences, docent, hryachko-vavv@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.91.019
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-8-313-322
СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕДНИМ УГЛОМ РЕЖУЩЕГО
КЛИНА ПРИ ТОЧЕНИИ
Г.В. Шадский, В.С. Сальников, О.А. Ерзин
Рассмотрена математическая модель процесса управления передним углом режущего клина при точении, синтезирован модальный регулятор, обеспечивающий требуемые показатели качества процесса стабилизации условий резания.
Ключевые слова: математическая модель, поворотная режущая головка, модальное управление, передний угол, момент поворота, синтез.
Современное направление развития практически всех методов обработки связано с возрастанием роли оперативного управления параметрами, определяющими режимы и условия их реализации. Это объясняется общей тенденцией цифровизации всех сфер деятельности человека. В лезвийной обработке с точки зрения управления такими режимными параметрами, как скорость, подача и глубина резания достигнут практически апогей. Созданы быстродействующие приводы, разработаны алгоритмы адаптивного управления по температуре и силе резания, различным составляющим колебаний элементов механической системы и т.п.
Управление передним углом было основано на создании упругих систем, связывающих державку инструмента с конструктивно выделенным элементом инструмента - режущим клином, работающих на принципах силового саморегулирования его положения. Отсутствие возможности оперативного изменения настроек этих систем, их зависимость от условий резания существенно ограничивало технологические возможности этого способа управления
Интерес к этому направлению развития лезвийной обработки не ослабевает до настоящего времени. В частности, предложены интеллектуальные инструменты, обеспечивающие оптимизацию процесса резания по заданному критерию [1].
Известно конструкторское решение «интеллектуального» инструмента с управлением передним углом режущего клина рис. 1 [2].
313
