CC BY
12ИНСТРУМЕНТ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ С^
В четвертых, в процессе размотки и последующей резке ленты наблюдается интенсивный выброс абразивной пыли, оставшейся от предшествующих операций пескоструйной очистки и плазменного напыления покрытия.
Все перечисленные проблемы были решены в конструкции автомата. созданного на кафедре проектирования технологических машин НГТУ. В его основу заложен принцип рубки скарификаторов из непрерывно движущейся ленты. В результате была достигнута очень высокая производительность: порядка 36 шт/с, что более чем в три раза превышает скорострельность знаменитого АК-47 (автомата Калашникова). Принципиальная схема станка для резки скарификаторов приведена на рисунке.
От электродвигателя через ременную передачу вращение передается на инструментальный блок 1, в котором закреплены три резца, оснащенных пластинками из твердого сплава. Вылет резцов не превышает 2..3 мм. Стационарный нож 2 при помощи винтов 3 имеет возможность смещения, что позволяет устанавливать необходимый зазор между ним и вращающимися резцами инструментального блока. При рубке ленты из низкоуглеродистой мягкой стали (Ст. 3, 0,8 кп) толщиной 0,5... 1,0 мм величина зазора должна находиться в пределах 0,05...0,07 мм.
Подача ленты в зону резания осуществляется роликами. Ведущий ролик 4 получает вращение от того же электродвигателя, чтп и инструментальный блок Скорости этих движение должны быть согласованы путем настройки требуемого передаточного отношения кинематической цепи
/' =/г/тис/, (1)
где / - длина изделия, мм; г - число ножей инструментального блока; с/ - диаметр ведущего ролика, мм.
Ведомый ролик 5 прижимается к ведущему при помощи пружины. В случае необходимости можно останозить подачу ленты за счет включения электромагнита 6, что приводит к размыканию роликов через рычажную передачу. Прекращение подачи ленты осуществляется либо опера_ором, либо автоматически по сигналу контрольного устройства. Оно настраивается таким образом, что при увеличении расстояния между роликами (момент прохождения сцепки) или приуменьшении зазора (конец ленты] срабатывает датчик 7 который подает сигнал на электромагнит.
В конструкции автомата предусмотрено специальное размоточное устройство 8, которое обеспечивает натяжение ленты за счет фрикционной пары, а также предупреждает возможность самораскручивания бухты 9. Для установки бухт служит эксцентриковый зажим оригинальной конструкции, исключающий попадание абразивных частиц в его подвижные элементы. При повороте центральной шестерни 10 происходит радиальное смещение трех базирующих пальцев 11, что позволяет осуществлять зажим бухт с различным диаметром посадочного отверстия.
Производительность О (шт/с) автомата определяется по формуле
0 = лг/60 (2)
где п - частота вращения инструментального блока, мин"1
Максимальное число ножей в блоке-ограничивается зависимостью вида
(3)
где О - диаметр инструментального блока, мм; а - угол заточки державки ножа по задней поверхности.
Величина угла а выбирается такой, чтобы при вращении инструмен-ального блока не было контакта между задней поверхностью державки ножа и концом ленты.
Анализ зависимостей (2) и (3) показывает, что в принципе существует возможность дальнейшего роста производительности автомата за счет увеличения значений п \лг.
Автоматическая установка оборудована вытяжным устройством дгя удаления абразивной пыли, выделяющейся при размотке бухт и осуществлении процесса рубки ленты. Кожух, закрывающий рабочую зону, облицован снаружи шумопэглащающим материалом.
Представленный в статье автомат внедрен в тсхноло гический процесс производства медицинских ампульных скарификаторов. Длительная эксплуатация установки показала ее высокую эффективность и надежность.
Список литературы
1. Пат. 35109 РФ, МКИ7 7 В 67 В 7/92. Скарификатор ампуль-ный / Н.В. Антохина, Н.В. Прокофьев, В.Ю. Соколов// Изобретения. Полез, модели. -2003. - №36. - С. 18.
2. Пат. 2264792 РФ, МПК7А61 В 17/20. Способ изготовления скарификаторов ампульных / Н.В. Антохина, Н.В. Прокофьев // Изобретения. - 2005. - № 33. С. 20.
ПРИНЦИПЫ И МЕТОДИКИ НОРМИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ
Г.И.СМАГИН, доцент, канд. техн. наук, НГТУ, г. Новосибирск
Под принципом нормирования режимов резания понимается основное начальное положение методики нормирования. В резании металлов принцип нормирования отдельно от методики обычно не выделялся, но в связи с тем, что принципов и методик нормирования и оптимизации режимов резания (последние в данной статье не рассматриваются; стало предлагаться различными исследователями все больше, возникла необходимость выделить для этих методик и их основные начальные принципы.
Итак, последовательность переходов при определении режимов резания для широкого спектра обрабатываемых материалов, инструментов и условий обработки, с учетом возможности расчета их разными способами, следующая: принцип нормирования, методика нормирования, нормирование, методика оптимизации режимов резания для конкретных условий их определения.
В целом, нормирование режимов резания, для определенного вида инструмента, - это, прежде всего, прогнозирование значительного массива данных для
Сдл ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ИНСТРУМЕНТ
определенных условий резания, представленных или массивом табличных данных, или рассматриваемая информация, банк данных свернуты в уравнение или представлены в виде номограмм. В методиках же оптимизации режимов резания исследователь может формировать самостоятельный массив режимов резания по специально спланированным экспериментам, которые позволяют- в конечном итоге определить оптимальный режим обработки тем или иным методом, или при расчете оптимальных режимов исследователь может использовать массив стойкостных данных и режимов обработки из существующих нормативных источников.
В данной статье на примере действующих и предложенных некоторыми исследователями способов определения режимов резания показаны возможности разделения их на принципы и методики нормирования [1,2,3]. В основе выбранных для рассмотрения способов определения режимов резания определяющими факторами являются связи режимов резания с различными эмпирическими стойкостными зависимостями инструментов, с их геометрией, условиями выбора базовых исследований.
Как правило, новые предложения исследователей в области прогнозирования стойкости инструмента первоначально оформляются на уровне принципа определения режимов резания, а затем уже предлагается и разрабатывается методика их нормирования и само нормирование. Некоторые предложенные принципы требуют больших производственных затрат на эксперименты и использование новых приборов при переходе к методике нормирования и самому нормированию режимов резания и поэтому остаются длительное время нереализованными или при апробациях и пробньх расчетах обнаруживается недостаточная научная обоснованность предлагаемого принципа.
Так как рассматриваемая тема достаточно обширна, то рационально ограничиться, для упрощения, анализом принципов и методик нормирования на примере черновых, получистовых режимов обработки жестких деталей, изготавливаемых из различных материалов, включая труднообрабатываемые. Поэтому в статье не рассматриваются методики нормирования, учитывающие ограничения по качеству поверхностей деталей и его влияние на последующие эксплутационные характеристики деталей.
Последние 100 лет преобладающее применение имела методика нормирования с использованием эмпирических степенных зависимостей стойкости инструмента от режимов резания (принцип и методика Ф. Тейлора [1], предложенная им в начале прошлого века).
Принцип нормирования, согласно этой методике, заключается в том, что режимы резания определяются для принимаемого уровня стойкости инструмента. При этом глубина резания и подача на оборот назначаются из технологических соображений или каких-либо ограничений. Скорость же резания вычисляется по степенному эмпирическому уравнению, в которое входят все выше перечисленные факторы.
При формировании табличных режимов резания разработчиками обычно дается несколько режимов вдоль выбранной линии равного уровня стойкости. Эти координаты режимов на поле факторного пространства (8 мм/об - п об/мин ) обычно эквидистантны линии равного уровня фактора минутной подачи (Б мм/мин), т.е. таблич-
ные режимы резания в этих стандартах рекомендуются в основном для одной какой-то производительности обработки.
Методика нормирования заключается в определении параметров степенных стойкостных базовых моделей для различных инструментов. Режимы резания для иных условий обработки, нежели базовые, определяются через поправочные коэффициенты.
Основным недостатком рассматриваемой методики является то, что данные расчетов при использовании стойкостных степенных зависимостей от режимов резания мало адекватны экспериментальным данным. Это связано не с тем, что стойкостные эксперименты проведены исследователями некачественно, а с тем, что расчетные значения режимов резания по указанной стойкостной модели для широкого диапазона режимов резания не соответствуют реальным экспериментальным стойкостым данным инструмента. Поверхность отклика стойкостной степенной модели не соответствует экспериментальной стойкостной поверхности отклика инструмента. По экспериментам на поверхности отклика стойкости инструмента для широкого диапазона режимов резания имеется экстремум стойкости, что важно для нормирования и при определении оптимальных режимов резания. Поверхность же отклика степенной стойкостной зависимссти (на двухфакторном поле режимов обработки, Б мм/об - п об/мин) является вогнутой поверхностью, не имеющей одного экстремума стойкости.
Так как степенные стойкостные модели и методики определения режимов резания на их основе до сих пор являются основой их нормирования, то это приводит к тому, что на производстве приходится пользоваться малоэффективными режимами обработки.
Чем же объяснить, что изначально Ф. Тейлор предложил малоадекватную степенную стойкостную модель? Это объясняется тем, что во времена Ф. Тейлора [1] адекватность стойкостных степенных моделей, можно определенно утверждать, была выше, так как диапазоны регулирования режимов резания на стан<ах того времени имели малые значения. Экспериментальные значения стойко-стей и их расчетные значения по степенным стойкостным моделям имели в то время большее согласование, чем у таких же моделей, приспосабливаемых к современным станкам, имеющим значительно большие диапазоны регулирования как скоростей, так и подач на оборот.
В связи с этим различными исследователями и учеными делаются попытки разработки иных принципов и методик нормирования [2 - 9]. а также предлагаются модели стойкости инструмента от режимов резания, более соответствующие реальным значениям износа инструмента, т. е. предлагаются математические модели стойкости инструментов в основном одноэкстремально-го вида.
В 60-80 годы прошлого века А.Д. Макаровым (г. Уфа) [2] был предложен принцип назначения режимов резания для труднообрабатываемых сталей вдоль так называемой «оптимальной температуры» на поверхности отклика , Э мм/об - V м/мин. При этом режимы резания соответствовали локальным минимумам относительного износа инструментов.
Хотя экспериментальных работ было проведено достаточно много, но обобщающей стойкостной одноэк-стремальной модели предложено все же не было. Это
ИНСТРУМЕНТ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ CJy|
затрудняло переход на общее нормирование режимов обработки и затрудняло экстраполяционные расчеты в области режимов, где стойкостные эксперименты не проводились. Но несомненной заслугой этой школы явилось то, что впервые были экспериментально исследованы и установлены режимы локальных минимумов износа инструментов для текущих значений подач на оборот, которые идентифицировались с помощью «оптимальных температур» [2], различных для разнообразных инструментальных материалов. Значения «оптимальных температур» для этих инструментальных материалов также экспериментально были установлены в то время.
Методика нормирования заключалась в использовании наработок по определению координат локальных минимумов относительного износа инструмента по экспериментальным данным и соответствующих им усредненных температур, что позеоляло определять режимы резания вдоль линии равного уровня так называемой «оптимальной температуры» для разных материалов и применяемых инструментов. Часть наработок по режимам резания при таком нормировании выдавалась в виде номограмм или таблиц.
Принцип нормирования режимов резания по исследованиям автора статьи [3] (на примере сверления) заключается в назначении режимов резания вдоль характеристических линий, которым соответствуют локальные максимумы стойкостей для текущих значений минутных подач на поле факторного пространства ЭОмм/об - п об/мин..
Этому принципу соответствует следующая методика нормирования режимов резания: через прямые стойкостные испытания инструмента го специальному плану эксперимента определяются параметры экспоненциальной одноэкстремальной стойкостной двухфакторной модели:
L = Лехр
г / _ \ ✓ \2 1
S~as ) _
i 1 J i
(1)
где S мм/об, п об/мин - факторы, параметр А характеризует максимальное значение стойкости на поверхности отклика, as, ап - координаты этого максимума, bs, bn - характеризуют полуоси эллипса равного уровня стойкости на заданном ее сечении (Д/е; е = 2,73) в координатах S0, п.
Далее на поверхности о i клика ыийкиыи инитрумен-та через математические расчеты находятся координаты режимов резания локальных максимумов стойкостей для текущих значений минутных подач, получивших название характеристической линии.
Характеристическая линия локальных максимумов стойкости инструмента для текущих значений SM (мм/мин) имеет следующее выражение:
HSJn) =
_ asbn + yj(asbn Г- 4b¡ann + 4b¡n'
2b,
(2)
где Ь3, Ьп - полуоси эллипса равного уровня стойкости на двухфакторном поле 50 - л, в сечении А/е, А - максимальное значение стойкости, е = 2,73, а5, ап - координаты максимального значения стойкости.
Как показали эксперименты, через координату максимума стойкости проходит и линия, так называемая «оптимальная температура» резания [2], для инструментов
из быстрорежущей стали она равна 300 ± 25 *С. После чего дополнительно для других глубин- обработки или других диаметров сверл проводятся по специальному плану также стойкостные испытания, которые позволяют определить параметры уже трехфакторной стойкостной модели вида:
/_ = а5с^ехр
-ОЦС/Ч2
^ J
n-o.2dРг
(3)
где Б мм/об, п об/мин, d мм - факторы {d - диаметр сверла), а., р1 - параметры модели, А = <х5сУр5, а5 = а,*/13', Ь5 = а4с/р*, ап = а2сУРг, Ьп = а3с/^ .
Отличительным признаком данной методики нормирования от методики по [1] является то, что через параметры трехфакторной стойкостной модели определяется уравнение характеристической поверхности \\SJn.d) (сами стойкостные уравнения уже не используются), состоящей из множества характеристических линий И5М
SM(n,d) =
2 Ья
(4)
где asd = а,с/А ;and =a2d;bnd=a3dih ]bsd =a4d^ .
На практике для черновых и получистовых режимов резания отрезок характеристической линии на поле двухфакторногс пространства режимов резания обычно ограничивается координатой максимума стойкости инструмента и координатой принятого минимума стойкости инструмента (максимума производительности инструмента). Соответственно ограничивающие характеристическую поверхность линии на поле двухфакторного пространства (S0 - п) также проходят: одна через координаты максимумов стойкостей, относящихся к различным глубинам обработки (LI), а другая - через координаты минимальных стойкостей для этих же глубин обработки (для сверления это разные диаметры сверл), которая в рассматриваемой методике не используется. Характеристическая поверхность, образованная множеством характеристических линий LI, поименована в методике как «LI-LI».
Параметры моделей характеристических поверхностей для обрабатываемых материалов других групп обрабатываемости определяются через коэффициенты обрабатываемости и контрольные стойкостные исследования. Наличие в методике двух уравнений характеристически линий и уравнений двух характеристических поверхностей IISM {n,d) и «U-U» для различных обрабатываемых материалов позволяет нормировать режимы резания для базовых условий обработки как в табличном, так и в расчетном виде. Их применение позволяет значительно сократить количество трудоемких стойкостных экспериментов при нормировании режимов резания, повысить их точность. С экономической же точки зрения доказано, что все режимы минимума затрат (оптимачьные режимы) лежат на характеристических линиях, поэтом/ по предложенной методике нормирования достаточно определять режимы минимума затрат по координатам режимов, соответствующих характеристическим линиям.
Принципы ноэмирования, предложенные учеными С.С. Силиным - В.Ф. Безъязычным [4,5], В.Н. Подураевым [6], Ю.Г. Кабалдиным [7], В. К. Старковы^ [8,9] и некоторыми другими, в своей основе требуют сложных физико-техни-
Cjvi ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ИНСТРУМЕНТ
ческих пояснений и ввиду недостаточности объема статьи автор приводит только их принципы нормирования без какого-лиЬо дополнительного анализа. Приниип нормирования школы С.С. Силина - В.Ф. Безъязычного состоит в разделении тепловой энергии, которая представлена уравнением теплового баланса, на составляюшие
Р2 О = О. + Од + Ои + Ож, (5)
где Р2 - тангенсиальная составляющая силы резания, Н; V- скорость резания, м/с; О - общая выделившаяся в зоне резания теплота, Дж/с; Ос, Од, Ои, О^ - количество теплоты, уходящее из зоны резания, соответственно в стружку, деталь, инструмент и окружающую среду, Дж/с.
Затем с помощью коэффициентов подобия определяется как общая теплота, так и составляющая Ои, при этом через стойкостные опыты определяется /?оло и Ао, соответственно относительный линейный износ инструмента и энергетический критерий для оптимальной скорости У0 (90), 90 - «оптимальная температура резания». Использование понятия и параметра «оптимальная температура резания» говорит о преемственности разработок С.С. Силина - В.Ф. Безъязычного [4,5] с методиками А.Д. Макарова [2]. А0 = а]в]с^>в/Рг - энергетический критерий, где а,; в1 - толщина и ширина среза стружки, - удельная теплоемкость обрабатываемого материала; 9 - температура резания.
. Принцип нормирования В.Н. Подураева [6] основан на допущении прогнозирования стойкости инструмента, которая предположительно зависит от скорости образования энтропии в процессе стружкообразования. В зпучае механического разрушения образцов материала зкорость образования энтропии есть отношение скорости диссипации механической энергии к средней абсолютной температуре образца:
¿= бЭ/сН. Дж/м3Кс,
с/в = бО/Т = б А/Т, Дж/м3К, (6)
_де А - работа механических сил Дж/м3; т - время, с.
Принцип нормирования по предложению Ю.Г. Ка-балдина [7] заключается в прогнозировании стойкости инструмента, в основе которого заложен постулат: изнашивание поверхностных слоев твердосплавного инструмента при резании происходит в случае, если удельный объем материала поглощает при внешнем трении предельную энергию АЕпр. Предельное энергетическое состояние возникает при нагреве твердых тел до определенной температуры и определенной степени пластической деформации, т. е. их совместного действия:
Д Епр = ДЕт + ДЕд. (7)
Согласно структурно-энергетической теории прочности твердых тел предельно запасенная энергия в субграницах зерен определяется выражением:
Епр = ^оРкр. (8)
где Е0 - удельная энергия деформации на единицу длины дислокации; ркр -критическая динамическая плотность дислокаций. В работе приводятся уравнения изношенной части инструмен-а, уравнения величины фасок
износа по задней грани резца за время резания, приводится достаточно полная схема структурных изменений в поверхностных слоях и механизмы микроразрушения твердосплавного инструмента.
В работе [8] также изложен принцип нормирования процесса резания по энергетическому критерию качества для чистовых операций. Энергетический критерий качества ЭКК представлен в виде r\ = UJiVS), где Uc - скрытая энергия деформирования поверхностного слоя детали, Дж/мин; V и S - соответственно скорость (см/мин) и подача (см/об). Энергия Uc зависит от большого числа факторов и может быть определена экспериментально или расчетом [9]. Скрытая энергия деформирования поверхностного слоя детали рассчитывалась на основе теории дислокаций для процесса резания заготовок из жаропрочных сталей и сплавов. В других работах она определялась экспериментально рентгеновским методом или расчетом на основе метода конечных элементов (МКЭ). Определив ЭКК и зная его зависимость от технологических параметров резания, можно решить задачу оптимального выбора последних, - считают авторы работы.
Итак, различными учеными с целью снижения ошибок нормирования исследовались и разрабатывались иные принципы-нормирования режимов резания, нежели принцип традиционно используемый. По разным причинам не все из перечисленных принципов нормирования были доведены до реальною нормировании. Позюму в статье и акцентируется внимание на разделении таких понятий, как принцип нормирования, методика нормирования и последующее нормирование. В статье автоз предлагает применять разработанный новый принцип нормирования и соответственно новую методику нормирования, а в [10] приведен и пример табличных нормативов зежимов резания для труднообрабатываемых материалов при сверлении.
Список литературы
1. Тейлор Ф. Искусство резать металлы. - Берлин: БИ-НиТ.- 1922.
2. Макаров А.Д., Мухин B.C., Шустер Л.Ш. Износ инструмента, качество и долговечность деталей из авиационных материалов.-Уфа, - 1974.
3. Смагин Г.И., Карманов B.C. Методика нормирования оптимальных режимов резания труднообрабатываемых материалов по стойкости и производительности // Обработка металлов.- № 4(25).-2004. -С. 34 - 36.
4. Силин С.С, Баранов A.B., Рыкунов А.Н. Научно обоснованное нормирование операций механообработки // Тракторы л сельскохозяйственные машины. - 19Э6.- №4. - С. 29-32.
5. Безъязычный В.Ф. Расчетное определение режимов резания с учетом заданных эксплутационных характеристик // Расчет режимов на основе общих закономерностей процесса резания. -Ярославль, 1991-С. 17-26.
6. Подураев В.Н., Закураев В.В., Карякин B.C. Прогнозирование стойкости режущего инструмента // Вестник машиностроения.-! 993.-№ 1.
7. Кабалдин Ю.Г., Молоканов Б.И., Высоцкий В.В. Расчет износа режущего инструмента на основе структурно-энергетического подхода к его прочности // Вестник машиностроения.-1993.-№ 9.
8. Старков В.К., Кисилев М.В. Алгоритм оптимизации процесса резания по энергетическому критерию качества // Станки и инструмент.- 1992. -№ 10.
9. Старков В.К. Дислокационные представления о резании металлов.-М.: Машиностроение, 1979.
10. Смагин Г.И. Оптимизация режимов сверления по критерию минимума затрат. - Новосибирск: изд-во НГТУ, 2000. - 68с.
