CC BY
36
УДК 621.914.1
В. А. Залога, Д. В. Криворучко, С. С. Емельяненко
ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ КОНЦЕВЫМИ ФРЕЗАМИ НА ОСНОВЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПРОЦЕССА К АВТОКОЛЕБАНИЯМ
В работе на основе прогнозирования устойчивости процесса концевого фрезерования к автоколебаниям разработана методика выбора режима резания, обеспечивающего обработку конструкционных сталей с наибольшей производительностью.
В современном машиностроении обработка концевым фрезерованием все чаще применяется для изготовления деталей машин, имеющих сложный пространственный профиль. В условиях единичного и мелкосерийного производства изготавливать заготовки с минимальными напусками и припусками, как правило, не всегда экономически выгодно, и их заменяют заготовками, имеющими, чаще всего, элементарную геометрическую форму. В этих условиях одной из наиболее длительных операций становится операция черновой обработки, необходимая для снятия максимального объема припуска с заготовки. К обработанным на этой операции поверхностям предъявляются относительно невысокие требования: по точности - 12-14 квалитет; по шероховатости - Яа 25-12,5 мкм. Поэтому повышение эффективности черновой обработки концевым фрезерованием возможно лишь за счет повышения либо производительности процесса, либо стойкости инструмента.
Особенностью концевого фрезерования является существенное влияние амплитуды колебаний на стойкость фрезы (рис. 1). Известно, что колебания зубьев фрезы могут быть вызваны как вынужденными, так и автоколебаниями. Если вынужденные колебания неизменно сопутствуют процессу фрезерования в силу цикличности собственно самого рабочего процесса, то автоколебания появляются лишь при определенных условиях и приводят к существенному увеличению амплитуды колебаний в области частот более 1кГц [2]. В связи с этим целью настоящей работы является разработка методики выбора режимов черновой обработки конструкционных сталей методом концевого фрезерования, обеспечивающих максимальную производительность за счет исключения автоколебаний.
Предлагаемая методика состоит в выборе таких значений подачи, глубины резания и частоты вращения шпинделя, которые бы обеспечивали минимальное основное время обработки при заданных
ширине фрезерования В и стойкости T (ресурсе R) инструмента:
Т = ¿taxi _ mln
0 S • Z • n
(1)
где 1 - число зубьев фрезы, Б2 - подача на зуб фрезы,
п - частота вращения шпинделя, Ь ) - суммарная длина резания при заданной максимальной глубине фрезерования ^ .
Рис. 1. Зависимость стойкости концевой фрезы от амплитуды вибраций концевой фрезы: и = 40 мм, 1 = 5, В = 13,5 мм, t = 1 мм, Б2 = 0,056 мм/зуб, V = 2 м/мин, а = 15°, у = 5°, ю = 5° [1]
В работе рассматривается процесс обработки сложнопрофильных деталей, для которых траектория инструмента даже при черновой обработке не является простой, и на практике может быть определена с помощью одной из известных CAM систем. Расчеты, проведенные авторами в системе EdgeCAM, показывают, что длина резания L не пропорциональна максимальной глубине фрезерования tmax . Так, например, для детали типа «Лопатка» (см. рис. 2) увеличение максимальной глубины фрезерования t с 2 мм до 10 мм (в 5 раз) уменьшает дли-
© В. А. Залога, Д. В. Криворучко, С. С. Емельяненко, 2008 - 102 -
ну резания Ь с 1880 мм до 568 мм, т.е. всего лишь в 3,3 раза. Это вызвано значительным отличием формы заготовки от формы детали и, следовательно, увеличением доли участков траектории инструмента при увеличении ^, на которых глубина фрезерования меньше максимальной t < tmax.
Поиск решения должен быть выполнен с учетом ограничений:
- ограничение на подачу, допускаемую режущими свойствами фрезы
б < [Б ] , (2)
- ограничение на ресурс инструмента
К > [ К]
(3)
- ограничение на максимальную, допускаемую станком, рабочую подачу
Б < Г 1
мин мин J
(4)
Б 1 =
б
0,83
10,41^0,42
СК„
(6)
Это уравнение эмпирическое и поэтому подача, рассчитанная по данному уравнению, в комплексе гарантирует не только прочность фрезы, но и амплитуду вынужденных колебаний фрезы на уровне, который обеспечивает стойкость инструмента в соответствии с уравнением [4]:
V =
Б0
10,23Б0,21уг0,436 ^ V .
(7)
- ограничение по виброустойчивости процесса фрезерования к автоколебаниям
(п ; к • ^е Е , (5)
где Е - множество пар «частота вращения шпинделя п - глубина резания /», соответствующих границе устойчивости процесса фрезерования в заданных условиях, к - коэффициент запаса, принятый в данной статье равным 1.1. Эти данные могут быть определены из диаграммы устойчивости, рассчитанной по методике [2] с учетом допущения об инвариантности автоколебаний к величине подачи [3].
Подача, допускаемая режущими свойствами твердосплавной фрезы, при обработке конструкционной углеродистой стали, может быть задана уравнением [4]:
п • й • п _ где V =-- скорость резания, 1 - стойкость
1000
инструмента, СК - постоянная, зависящая от условий обработки, в том числе от ширины фрезерования В, состояния поверхности и других условий.
Тогда ограничение (3) может быть представлено в виде:
Б <Б 1к ,
где [ Бг ]К - подача, допускаемая заданным ресурсом инструмента. Ее величина может быть определена из соотношения (7) с учетом того, что ресурс
инструмента равен К = Т / Т0:
Б ]21 = СК
Б
0,48
V • t0
• Т
-0,436
= С К
= С К,
1000•Б0
п • й • п • t
0,23
• ( • Т0-0,436) =
1000•Б пй•п•t0
0,48
Я-
Ь
-0,436
• 2 • п
Б 1К
= 1000С,,К,
Б _
^^ 0,724 ,0,23
п • t
К • Ь 2
где Б - диаметр фрезы, С Кб - постоянная, зависящая от условий обработки, в том числе от количества зубьев 2 фрезы, вылета фрезы и другие усло-
вий.
Б ] =
1000С..К..Б -
п п
„0,724 .0,23 г>0,52
• t",23 • Б
(8)
Рис. 2. Обрабатываемая лопатка
К • Ь 2
0,436 \ _
0,436
0,52
0,226
0,52
Максимальная рабочая подача, которую можно реализовать на данном станке при движении по криволинейной траектории, должна быть задана минутной подачей. Однако при решении задачи удобно использовать это ограничение в единицах подачи на зуб. Поэтому
5 = 5-2• п ^ 5-2• п <\5 5<
мин г г мин \ г
(9)
Таким образом = щШ
кратко записать в фо
^ен^.ы)
\ \ мин 1
2 • п
(4) можно
(10)
Алгоритм расчета (рис. 3) предполагает вычисление в первую очередь по заданным исходным данным диаграммы устойчивости, и, затем, на ее основе - максимальной глубины резания для всех возможных на станке частот вращений шпинделя. Если
станок имеет непрерывное регулирование частоты вращения шпинделя, то заданный диапазон частот вращения шпинделя разбивается на несколько участков через заданный шаг. В результате получается множество пар {пДтах}, обеспечивающих устойчивость фрезерования и, множество неповторяющихся {тах} из множества этих пар. Для каждой 1тах из множества {тах} с помощью САМ системы определяется длина резания Ь^тах). После этого выполняется вычисление допустимых величин подач по каждому из ограничений и по формуле (10) вычисляется подача на зуб фрезы. Полученные данные позволяют вычислить основное время для каждой пары {п, 1тах} и выбрать такую пару, которая при заданных ограничениях обеспечивает фрезерование с минимальным основным временем Т0.
Рассмотрим реализацию методики для расчета режимов резания при черновой обработке детали типа «Лопатка». Эскиз поперечного сечения детали представлен на рис. 2. Заготовка из стали 20 ГОСТ 1050-88 представляет собой параллелепипед с размерами 220x20 мм. Высота обрабатываемой повер-
Рис. 3. Блок схема алгоритма определения режимов резания (УП - управляющая программа)
хности лопатки составляет 45 мм.
Данная операция реализуется на вертикально-фрезерном станке 6Р13Ф3 с системой ЧПУ 2С42-65 и ступенчатым регулированием частоты вращения шпинделя. Ее основной задачей является съем большей части припуска и «выравнивание» припуска для чистовой операции. В качестве инструмента была выбрана фреза со сменными неперетачиваемыми пластинами диаметром 40 мм, 2 = 2, ю = 10 максимальная допустимая ширина фрезерования В = 50 мм. Материал пластин - МС137. Биение режущих кромок - не более 40 мкм. В данных условиях поправочные коэффициенты 0,023 , ^Су^Ку 95,2
[4]. Максимально допустимая станком рабочая подача 8мин = 300 мм/мин. Диаграмма устойчивости представлена на рис. 4.
Проведенные расчеты показали, что желаемый ресурс инструмента Я = 5 шт заготовок могут обес-
печить лишь режимы резания с частотами вращения шпинделя 800, 1000 об/мин. При больших частотах вращения шпинделя ресурс инструмента снижается. Режим резания В = 45 мм, t = 10 мм, п = 1250 об/мин, Бмин = 96 мм/мин, можно считать наиболее выгодным, поскольку ресурс инструмента по сравнению с желаемым снижается всего на 20 %, а время в сравнении с минимальным при желаемом ресурсе (п = 1000 об/мин) сокращается в 2,8 раза (табл. 1).
Интересным является рассмотрение влияния различных факторов на основное время Т^ и режим резания. На рис. 6 показана гистограмма изменения основного времени и ресурса Я в зависимости от ширины фрезерования В и частоты вращения шпинделя п при обработке рассматриваемой детали и прочих равных условиях. Видно, что ширина фрезерования В существенно влияет на основное время Т0, что связано с увеличением количества слоев обработки по высоте детали и, следовательно, суммарной длины резания Ь. Эта зависимость имеет экстремум. С одной стороны, при уменьшении ширины фрезерования В граница устойчивости смещается в область больших глубин фрезерования t и увеличивается подача [£г ], допускаемая режущими свойствами фрезы. Поэтому максимальная глубина резания tmax увеличивается. Однако фактическая tmax ограничена формой детали и заготовки, а
подача - возможностями станка [ Бмин ], что приводит к реализации процесса с низкой производительностью и увеличению основного времени Т0 при малых В. С другой стороны, при увеличении ширины фрезерования В подача, допускаемая режущими свойствами фрезы, уменьшается и становится ограничивающим фактором, что также способствует увеличению основного времени Т0. В рассмотренном случае ширина фрезерования В, обеспечивающая минималь-Таблица 1 - Выбор режима резания с наименьшимио:^н)1а1111а)впяоврвр1се;1я;]я:ри)111рой1ае1ровн1весурв1овнвх-румента Я = 5 шт. равна 30 мм.
Рис. 4. Диаграмма устойчивости при фрезеровании концевой фрезой с механическим креплением твердосплавных пластин. и = 40 мм, 2 = 2, ю =10 °. Ширина фрезерования В = 45 мм, подача = 0,02 мм/зуб
Частота вращения шпинделя п, об/мин 800 1000 1250 1600 2000
Скорость резания V, м/мин 101 126 157 201 251
Максимальная глубина резания т^, мм 2 3 10 2,5 2
Длина пути резания Ь, мм 1880 1250 568 1650 1880
Подача из условия заданного ресурса, мм/зуб 0,031 0,037 0,048 0,171 0,306
Подача, допускаемая режущими свойствами фрезы, мм/зуб 0,074 0,063 0,038 0,068 0,074
Максимально допускаемая станком рабочая подача, мм/зуб 0,187 0,150 0,120 0,094 0,075
Принятая подача, мм/зуб 0,031 0,037 0,038 0,068 0,074
Принятая минутная подача, мм/мин 49,7 74,5 96,1 217,1 297,3
Основное время, мин 37,85 16,78 5,91 7,60 6,32
Стойкость инструмента, мин 189,2 83,9 26,3 23,6 15,2
Расчетный ресурс, шт 5,00 5,00 4,44 3,09 2,40
Фактический ресурс, шт 5 5 4 3 2
Рис. 5. Траектория инструмента при наиболее выгодных режимах резания (а) и обработанная заготовка (б)
Рис. 6. Основное время и ресурс в зависимости от ширины фрезерования: 2 = 4 шт,В = 40 мм, Я = 5 шт, остальные исходные
данные согласно табл. 1
Рис. 7. Основное время и ресурс в зависимости от твердости заготовки: 2 = 4 шт, В = 40 мм, Я = 20 шт, остальные исходные
данные согласно табл. 1
Рис. 8. Основное время и ресурс в зависимости от количества зубьев фрезы: B = 40 мм, R = 20 шт, остальные исходные согласно
табл. 1
Увеличение твердости обрабатываемой заготовки смещает границу устойчивости процесса к автоколебаниям в область меньших глубин фрезерования t, что приводит к уменьшению максимальной глубины резания ^ах. Кроме того, увеличение твердости приводит к уменьшению подачи [5^], допускаемой режущими свойствами фрезы. В результате, уменьшение ^ах увеличивает суммарную длину резания Ь, которая в комплексе с уменьшением подачи приводит к увеличению основного времени То (рис. 7). При заданном ресурсе инструмента Я наивыгоднейшая частота вращения шпинделя уменьшается в связи с уменьшением стойкости фрезы.
Увеличение количества зубьев фрезы 2, в общем, снижает основное время, причем особенно значительно при увеличении количества зубьев 2 от 1 до 3 шт (рис. 8). Вместе с тем, нет однозначной зависимости между наивыгоднейшей частотой вращения шпинделя п и количеством зубьев фрезы 2, поскольку параметр 2 существенно изменяет диаграмму устойчивости, смещая ее вдоль оси частот.
Таким образом, разработана методика выбора режимов резания для чернового концевого фрезерования сталей с обеспечением максимальной производительности на основе прогнозирования устойчивости процесса к автоколебаниям. Особенности применения методики показаны на примере черновой обработки детали типа «Лопатка». Проведенный анализ показал, что, при прочих равных усло-
виях, ширина фрезерования экстремально влияет на основное время. Увеличение твердости обрабатываемой заготовки приводит к нелинейному увеличению основного времени обработки. Вместе с тем, анализ не выявил однозначной зависимости между количеством зубьев фрезы и наивыгоднейшей частотой вращения шпинделя. При прочих равных условиях, основное время уменьшается лишь при увеличении количества зубьев фрезы от 1 до 3
шт.
1.
2.
2.
4.
Перечень ссылок
Жарков И. Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. - Л.: Машиностроение, 1986. - 184 с.
Залога В. А., Криворучко Д. В., Емельяненкэ С. С. Прогнозирование динамического состояния инструмента при концевом фрезеровании/Современные технологии в машиностроении: Сборник научных статей. - Х.: НТУ «ХПИ», 2006. -Т. 2. - C. 146-156.
Balachandran B. Nonlinear dynamics of milling processes//The Royal Society. - 2001. - № 10. -C. 793- 819.
Общемашиностроительные нормативы времени и режимов резания для нормирования работ, выполняемых на универсальных и многоцелевых станках с числовым программным управлением: Часть 2. Нормативы режимов резания. - М.: Экономика, 1990. - 464 c.
Поступила в редакцию 12.06.2007
B poôomi Ha ocuoei прoгнoзyecннм cmiûKocmi npouecy кiнцеeого $pe.3epyecHH.% do cemo-Komeanb po3po6nenc MemoduKa euôopy pewuMy pi3CHHX, ^o 3c6e3nenye o6po6vy KOHcmpyku,-iùHux cmcmeû 3 Hcû6mbMom npodyKmuemcmm.
The technique of choosing a cutting mode providing the machining of structural steel with highest productivity has been developed on basis of foreseeing the stability of the process when face milling to autooscillations.
