CC BY
44
ГРНТИ 55.13.99
Д. Т. Ходжибергенов1, К. Т. Шеров2, А. Ж. Касенов3, У. Д. Хожибергенова4
'д.т.н., профессор, кафедра «Машиностроение», Южно-Казахстанский государственный университет имени М. Ауезова, г. Шымкент, 160009, Республика Казахстан; 2д.т.н., профессор, кафедра «Технологическое оборудование, машиностроение и стандартизация» Карагандинский государственный технический университет, г. Караганда, 100042, Республика Казахстан;
3к.т.н., ассоц. профессор, кафедра «Машиностроение и стандартизация», Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан; 4магистр, кафедра «Машиностроение», Южно-Казахстанский государственный университет имени М. Ауезова, г. Шымкент, 160009, Республика Казахстан
e-mail:1hadJi@mail.m; 2shkt1965@mail.ru; 3asylbek_kasenov@mail.ru; 4hadji_umida@mail.ru
проблемы выбора технологии обработки ново внедренных материалов в производство
В данной статье приводятся результаты исследования, выполненные в рамках грантовой темы: AP05132157 «Разработка имитационных моделей процессов резания и прогнозирование на их основе оптимальных параметров инструмента и режимов обработки (договор № 161 от 15.03.2018 г)». В результате аналитических исследований были определены реальные проблемы на примерах заводов, с которыми сталкиваются машиностроители и ученые занимающиеся обработкой резанием. Выявлено, что существует проблема, связанная с правильным выбором технологии механической обработки ново внедренных материалов, назначением режимов обработки и режущего инструмента. Для решения возникшей проблемы разрабатывается программный продукт. Разработано приложение для программного продукта по расчету возникающих сил резания, температуры резания, а также износа режущего инструмента.
Ключевые слова. Механическая обработка, резание металлов, режущий инструмент, износ, режимы резания, температура резания, деформация.
ВВЕДЕНИЕ
Современным машиностроительным заводам Республики Казахстан (РК) для обеспечения экономической стабильности необходимо быть гибкими. Высокая конкуренция часто требует быстрой переналадки производства на выпуск новых видов продукции. В связи с глобализацией экономики страны в отечественное производство внедряются новые материалы, отличающиеся по химическому составу, по физико-механическим свойствам от традиционно используемых материалов, а также новые режущие инструменты и пластины. При обработке таких материалов или использование режущего инструмента и режущей пластины назначение режимов резания является сложной задачей для технологов. Отсутствие информационных данных об этих материалах, режущих инструментах и режущих пластин в справочниках еще усугубляет данную проблему. В таких случаях технолог вместе со станочниками (токарь, фрезеровщик, сверловщик и др.) вынужден методом подбора осуществить назначение режимов резания и выбор режущих инструментов. При этом предприятие теряет время, ресурсы и финансы, которые в
денежном выражении добавляются в себестоимость изделия. В связи с этим научно-исследовательская работа, направленная на разработку имитационных моделей процессов резания и прогнозирование на их основе оптимальных параметров инструмента и режимов обработки является актуальной задачей.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Для определения состояния проблемы был проведен анализ деятельности нескольких машиностроительных заводов, которые освоили выпуск новых видов продукции. Рассмотрим случай, связанный с изготовлением детали конусной дробилки в условиях машиностроительного завода. На заводе была налажено производство для получения заготовок из высоколегированной стали марки: Сталь 110Г13Л по ГОСТ 977-88 (Сталь Гадфильда) способом литья. При разработке технологии механической обработки заготовок из стали 110Г13Л перед специалистами завода появилось ряд сложностей, связанные с выбором материала режущей части инструмента. В исходном состоянии после закалки сталь 110Г13Л (сталь Гадфильда) имеет аустенитную структуру с твердостью НВ 250 и высокой вязкостью. Под воздействием динамических нагрузок, под влиянием холодной деформации происходит самоупрочнение стали 110Г13Л до НВ 600 и трудно поддается обработке резанием или вовсе не поддается [1]. С целью приобретения режущего инструмента для данной стали машиностроительный завод обращается к официальному дистрибьютору мировых лидеров по производству режущего инструмента для металлорежущих станков ТОО «ToolsKZ», который является одним из крупных поставщиков режущих инструментов на рынке РК. Однако ТОО «ToolsKZ» затруднялся рекомендовать материал режущей части инструмента для обработки стали 110Г13Л, хотя в наличии имел различные инструментальные материалы от мировых производителей как SANDVIK Coromant (Швеция), ARNO (Германия), EWS (Германия), Garant (Германия) и Dormer (Германия). В итоге специалистами машиностроительного завода было выбрано пластины от мирового производителя SANDVIK Coromant (Швеция).
На рисунке 1 показана пластина производства SANDVIK Coromant.
а) - новая пластина; б) - после первого прохода обработки Рисунок 1 - Пластина производства SANDVIK СоготаП
Процесс механической обработки заготовки из стали 110Г13Л производился на вертикальном токарном станке модели VDM 1600.
На рисунке 2 показаны изношенные пластины производство SANDVIK СоготаП при обработке заготовки из стали 110Г13Л.
Рисунок 2 - Износ режущих пластин производство SANDVIK СоготаП при обработке заготовки из стали 110Г13Л
На рисунке 3 показаны изношенные пластины производство компании Korloy (Южная Корея) при обработке заготовки из стали 110Г13Л.
Рисунок 3 - Износ режущих пластин производство компании Ког1оу (Южная Корея) при обработке заготовки из стали 110Г13Л
При отливке заготовки из стали 110Г13Л на поверхности образуется твердый слой, который очень трудно поддается механической обработке [2]. Из-за твердости поверхности заготовки с первого прохода режущий инструмент истирается на глазах, а также наличия дефектов (раковины, лунки, выемки) приводить к поломке пластины (см. рис. 1б, рис. 2 и рис. 3). В рассматриваемом случае причиной износа и поломки пластин может быть не только высокая твердость заготовки из стали 110Г13Л. Причиной может быть отсутствие информаций о возникающих силах резания, которые затрудняют назначение режимов резания. Помимо этого, необходимо иметь информацию о возникающих температурах, износа инструмента, а также протекания процесса деформации в зоне резания. Известно, что срезаемый слой металла подвергается значительным упругопластическим деформациям в результате взаимодействия его с режущим лезвием инструмента. Это сопровождается структурными изменениями в поверхностном слое детали, распространяющимися на значительную глубину, течением и разрушением снимаемого слоя, трением, большой усадкой стружки, наростом на режущем инструменте и другими явлениями. Исследованиями в этой области занимаются большое количество ученых как зарубежные, так и отечественные [3;4;5;6;7]. Несмотря на большое количество работ по исследованию процесса резания, отсутствуют методы, совокупно рассматривающие вышеперечисленные явления процесса резания. Во многих работах моделирование процесса выполняется либо по видам обработки, либо по конструкции режущего инструмента и т.д. Рассмотренный случай на машиностроительном заводе и анализ результатов
существующих работ по обработке резанием показывает необходимость разработки имитационных моделей процессов резания и прогнозирование на их основе оптимальных параметров инструмента и режимов обработки для современных машиностроительных производств. В рамках выполнения грантовой темы № Р05132157 была разработана программа для расчета составляющих силы резания Рz, Ру, Рх. На рисунке 4 показана зависимость силы резания Рг от режимов резания при точении, растачивании, отрезании, прорезании пазов и фасонном точении.
Рисунок 4 - Зависимость силы резания Р2 от режимов резания при точении, растачивании, отрезании, прорезании пазов и фасонном точении
Для разработки программы на основе справочных данных подготовлены приложения (на языке программирования VBA - Vizual Basic for Application) в Microsoft Excel офисного пакета Microsoft Office для расчета составляющих силы резания Pz, Ру, Рх с вводом в программу [8;9;10]: эмпирического коэффициента Cp; показателей степени xp, yp, np; поправочного коэффициента KMp, учитывающий влияние качества обрабатываемого материала на силовые зависимости, сталь 45; поправочный коэффициент Кфр; величина геометрического параметра режущей части инструмента ф = 30°; поправочный коэффициент KYp, величина геометрического параметра режущей части инструмента Y = -15°; инструментальный материал Т15К6; эмпирически коэффициент Cv, S<0,3; показатели степени xv, yv, S<0,3, mv; KHv коэффициент, учитывающий влияние обрабатываемого материала, сталь 45; Кот коэффициент, учитывающий состояние поверхности заготовки; KHv коэффициент, учитывающий влияние инструментального материала, Т15К6; требуемая частота вращения шпинделя станка - n, мин-1; фактическая скорость резания - Vф, м/мин; период стойкости режущего инструмента - Т, мин; глубина резания - t, мм; подача - S, мм/об; диаметр обрабатываемой поверхности - D, мм; паспортное значение частоты вращения
шпинделя станка - пст, мин-1; глубина резания - t, мм; подача - S, мм/об. В результате было получена зависимость силы резания Pz (см. рис. 4).
При этом использовалась вероятностно-аналитическая модель, где влияние случайных факторов учитывалось с помощью задания вероятностных характеристик случайных процессов. Аналогичные программы можно разработать для расчета температуры резания и износа режущего инструмента. При расчетах один параметр оставляем константой, а остальные варьируем, получая различные зависимости режимов резания от силы, температуры и износа инструмента. Аппроксимация полученных зависимостей помогут создавать, вероятно-статические модели для программного продукта.
ВЫВОДЫ
1 В результате анализа состояния современных машиностроительных производств РК было выявлено, что существует проблема, связанная с правильным выбором технологии механической обработки ново внедренных материалов, в частности в области резания, где затруднительно назначения режимов обработки и выбор режущего инструмента.
2 Установлено, что отсутствие информаций о возникающих силах резания, температурах, износа инструмента, а также протекание процесса деформации в зоне резания затрудняет производственника назначение режимов резания и выбор материала режущей части инструмента.
3 В рамках выполнения грантовой темы № P05132157 «Разработка имитационных моделей процессов резания и прогнозирование на их основе оптимальных параметров инструмента и режимов обработки (договор № 161 от 15.03.2018 г)» была разработана программа для расчета составляющих силы резания Pz, Ру, Рх.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Могилев, В. К., Лев, О. И. Справочник литейщика. - М. : Машиностроение, 1988. - 272 с.
2 Давыдов, Н. Г. Свойства, производство и применение высокомарганцевой стали / Н. Г. Давыдов, В. В. Ситнов. - М. : Машиностроение, 1996. - 232 с.
3 Constantin, C., Strajescu, E. Revision of actual stage in modeling of cutting processes // Proceedings in Manufacturing Systems. - Vol. 6. - Iss. 1. - 2011. - Р. 11-24.
4 Barge, M., Hamdi, H., Rech, J., Bergheau, M. Numerical modelling of orthogonal cutting: influence of numerical parameters // J. of Mat. Proc. Tech. - Vol. 164-165. - 2005. - P. 1148-1153.
5 Slotwinski, J. A. Characterization of metal powders used for additive manufacturing [Text] / J. A. Slotwinski, E. J. Garboczi, P. E. Stutzman, C. F. Ferraris, S. S. Watson, M. A. Peltz // J. Res Natl. Inst. Stand. Technol. - 2014. - 119 p.
6 Быданов, В. В., Алексеев, В. П. Оптимизация условий обработки труднообрабатываемого материала на основе разработанной имитационной
модели процесса фрезерования в CAE-системе DEFORM. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук7 Машиностроение и машиноведение, Т.17. - № 6(3). - 2015. - С. 612-617.
7 Байжабагинова, Г. А., Шеров, К. Т., Сейдинова, Г. А. Прочностные характеристики стали 110Г13Л после электроконтактной обработки // Сборник тезисов III Всероссийской межвузовской научной конференции. III Всероссийские научные Зворыкинские чтения : Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России. - Муром : Изд-во ПЦ МИ ВулГУ, 2011. - С. 398-399.
8 Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. / под редакцией А. Г. Косилевой и Р. К. Мещерякова. - 4 изд. - М. : Машиностроение, 1986. - 496 с.
9 Анурьев, В. И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х томах. -Т. 1. - 8-е изд., перераб. и доп. / под ред. И. Н. Жестковой. - М. : Машиностроение, 2001. - 920 с.
10 Обработка металлов резанием : Справочник технолога. / под общ. ред. А. А. Панова. - М. : Машиностроение, 1988. - 736 с.
Материал поступил в редакцию 15.05.18.
Д. Т. Ходжибергенов1, К. Т. Шеров2, А. Ж. Касенов3, У. Д. Хожибергенова4 0нд1ркке жаца енпзшген материалдарды евдеу технологияларын тавдау мэселелер1
1,4М. Эуезов атындаFы Оцтустж Казакстан мемлекетлк университет^
Шымкент к., 160009, Казакстан Республикасы. 2КараFанды мемлекетлк техникалык университет^ КараFанды к., 100042, Казакстан Республикасы; 3С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет^ Павлодар к., 140008, Казакстан Республикасы.
Материал баспаFа 15.05.18 тусть
D. T. Hodzhibergenov1, K. T. Sherov2, A. Zh. Kasenov3, U. D. Hozhibergenova4 Problems of the choice of technology for processing of new intensified materials in manufacture
1,4 M. Auezov South-Kazakhstan State University, Shymkent, 160009, Republic of Kazakhstan. 2Karagandy State Technical University, Karaganda, 100042, Republic of KazakhstanA 3S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan.
Material received on 15.05.18.
Бул мацалада P05132157 «Кесу процестщ имитациялъщ моделдерт жарату жэне сонъщ нег1зтде кесу режимдерi мен Kecymi цуралдыц оцтайлы параметрлерт туспалдау» гранттыц тацырыбыныц аясында орындалган зерттеу нэтижелерi бершген (15.03.2018, келШм шарт № 161 ж.)». Аналитикалыц зерттеу нэтижестде зауыттар жагдайындагы шын мэшнде машина жасаушылар мен кесумен вцдеу саласыныц галымдары удайы тап болатын мэселелер аныцталды. Зерттеу нэтижестде вндiрiске жаца ецг1зшген материалдарды механикалыц вцдеу технологиясын дурыс тацдауда, ягни кесу режимдерi мен кесушi цуралды тацдауда циыншылыцтар бар екет мэлiм болды. Осы мэселет шешу бойынша арнайы багдарлама жобалануда. Щазiргi уацытта осы багдарлама ушш кесу температурасы мен кесу кушш есептеуге, сондай-ац, кесушi цуралдыц тозуын аныцтауга арналган цыстырма жобаланды.
This article considers the results of the research carried out within the framework of the grant theme: AP05132157 «Development of simulation models for cutting processes and forecasting based on them optimal tool parameters and processing conditions (Contract No. 161 dated 15.03.2013)».
As a result of analytical studies on the examples of factories, real problems encountered by machine builders and scientists engaged in cutting are identified. It is revealed that there is a problem associated with the correct choice of the technology of machining newly introduced materials, the assignment of processing modes and cutting tools. To solve the problem, a software product is being developed. The applications for the software product for calculating the emerging cutting forces and cutting temperature, as well as wear of the cutting tool are developed.
