CC BY
61
УДК 621.9.02
А.Л. Плотников, Н.Г. Зайцева, В.А. Аветисян, Ньят Х. Динь ПРОБНЫЙ ПРОХОД ПРИ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛА С ИЗМЕРЕНИЕМ ТЕРМОЭДС КАК СПОСОБ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОЦЕНКИ СВОЙСТВ КОНТАКТНОЙ ПАРЫ: РЕЗЕЦ-СТАЛЬНАЯ ЗАГОТОВКА
Предложен способ предварительной оценки свойств контактной пары «резец- стальная заготовка» с целью повышения надёжности автоматизированного определения базовых параметров процесса резания на токарных станках с ЧПУ.
Надёжность расчёта, скорость резания, сила резания, качество обработки, термоЭДС
A.L. Plotnikov, N.G. Zaitseva, V.A. Avetisian, Njat H. Din
The mode of a tentative estimation of properties of a contacting pair «a cutting tool - steel preform» for the purpose of heightening of reliability of the automized definition of base parametres of process of cutting on CNC lathes is offered.
Calculation reliability, rate of cutting, force of cutting, quality of handling, thermoEMF
Одной из причин неточности расчёта значений параметров процесса лезвийной обработки металла с использованием аналитических зависимостей является использование в них осреднённых значений безразмерных силовых, скоростных и поправочных коэффициентов на свойства металла и инструмента. Ошибки между рассчитанными на стадии проектирования значениями параметров процесса резания и измеренными при его осуществлении могут достигать полутора-двукратной величины. Это проявляется при выборе значения скорости резания, призванной обеспечить задаваемое вре-
109
мя работы инструмента, определения расчётным путём точного значения силы резания, по величине которой определяется мощность резания, величина крутящего момента, зажимное усилие заготовки и ряд других важных параметров технологического процесса. Сюда же относится и проблема точного определения расчётного значения параметров шероховатости обработанной поверхности. Ошибки определения вышеназванных параметров процесса резания отрицательно сказываются на надёжности автоматически выполняемого процесса резания. Неточность расчёта математических моделей процесса резания является следствием допустимого по техническим условиям изготовления разброса свойств как со стороны инструментального так и обрабатываемого материала. Решение этих проблем лежит на пути предварительной оценки физико-механических свойств каждой контактной пары [1]. Даже предварительная оценка свойств одной из составляющих пары (например, инструмента) значительно повышает надёжность автоматически выполняемого процесса механической обработки.
Анализ существующих формул для расчета параметров процесса лезвийной обработки [2] показал, что для повышения точности расчета необходимо кроме марки стали, марки твердого сплава, геометрии режущего инструмента учесть ряд дополнительных факторов, которые оказывают значительное влияние на стабильность процесса резания. Ими со стороны режущего инструмента являются:
1. Изменение химического и фазового состава связующей кобальтовой фазы твердосплавных инструментов всех марок при спекании, допускаемое техническими условиями на его изготовление, что определяет изменение режущих свойств внутри партий спекания в 1,5 - 2 раза. Между партиями спекания эти изменения достигают 2-х - 3-х кратной величины.
2. Изменение химического и фазового состава твердого сплава изменяет его теплопроводность. От соотношения теплопроводности контактируемых пар зависит характер распределения тепловых потоков в инструмент и деталь, влияющий на уровень температур и уровень контактных нагрузок и, как следствие, на величину периода стойкости инструмента, величину микронеровностей обработанной поверхности.
Со стороны обрабатываемой стали:
1. Колебание химического состава стали в пределах допуска по ГОСТ; изменение структурного и фазового состава стали, определяющие характер деформирования срезаемого слоя, уровень контактных нагрузок на режущее лезвие и интенсивность износа инструмента.
2. Химический, фазовый состав, структурное состояние стали определяют ее теплопроводность, которая через соотношение с теплопроводностью инструмента определяет уровень температуры резания, степень упрочнения стали в условиях высокоскоростного пластического деформирования и влияет на механизм формирования микронеровности.
Сочетание химических, теплофизических свойств контактируемых пар сталь - твердый сплав вместе с технологическими величинами - подачей, глубиной резания, скоростью резания, геометрией резца, наличием или отсутствием СОЖ определяют условия резания. Эти условия, в свою очередь, определяют работоспособность резца на задаваемый отрезок времени (период стойкости), возможности обеспечить качество, точность, надежность и производительность обработки. Обладая полной оперативной информацией о свойствах контактируемой пары и условиях резания, можно значительно повысить точность базовых математических зависимостей. Для автоматизированного станочного оборудования такого как станки с ЧПУ с перспективой развития многостаночного обслуживания, наличие точных математических зависимостей процесса резания - один из важных факторов стабильной и надежной работы. Однако перечисленные выше факторы со стороны режущего инструмента и обрабатываемой стали, влияющие на стабильность процесса резания, не учитываются существующими методиками расчета элементов режима обработки и обуславливают значительные ошибки в расчетных формулах.
Не представляется возможным в цеховых условиях определять методами разрушающего контроля, хотя бы выборочно, химический и фазовый состав, теплофизические характеристики твердосплавных инструментов и стальных заготовок. Проблемным является и перенос результатов разрушающего контроля свойств одних контактируемых пар на другие из-за большого диапазона колебания их химического и фазового состава. К тому же значения механических и теплофизических характеристик контактируемых пар в процессе испытания в условиях комнатных температур и в условиях резания различны [3].
Рациональным выглядел бы оперативный неразрушающий контроль свойств каждой пары: твердосплавный инструмент - сталь, результаты которого можно было бы использовать для точного расчета элементов режима резания и автоматизации расчета режимной части управляющих программ на станках с ЧПУ. Взаимосвязанное влияние многих факторов на задаваемую величину периода
110
стойкости инструмента ставит задачу отыскания и использования такого рода параметров, которые обладали бы наибольшей информативной ценностью и через точное совпадение задаваемого в расчетах периода стойкости с действительным обеспечивали бы стабильность протекания процесса резания. Для повышения точности расчета базовых параметров процесса лезвийной обработки необходимо иметь оперативную информацию о фазовом составе твердосплавного инструмента (его режущих способностях), информацию об упрочненном состоянии стали в процессе резания, оценить сочетание свойств стали и инструментального материала и условия в зоне резания. Таких данных в справочнонормативной литературе нет. Одним из путей решения этой задачи может быть метод предварительного пробного прохода на строго фиксированных режимах резания для каждой пары инструмент -деталь с измерением возникающей при этом термоэлектродвижущей силы и использованием величины термоЭДС пробного прохода для оценки свойств контактируемых пар и условий резания [1].
В предлагаемом методе предварительного пробного прохода величина термоЭДС используется не как традиционная характеристика уровня температур в зоне резания, а как интегральный показатель физико-механических свойств контактируемых пар. Почему при наличии магнитных, акустических и ряда других методов выбран метод пробного прохода, а величина термоЭДС контактируе-мых пар использована в качестве интегрального параметра свойств пары сталь - твердый сплав и оценки условий резания? В пользу выбора метода пробного прохода послужили следующие доводы:
1. Отсутствие промышленных датчиков для оперативной оценки неразрушающим методом вышеперечисленных факторов со стороны твердого сплава и стали одновременно, которые определяют количественную зависимость составляющих силы резания, величину допустимых скоростей резания, качества обработки и, в конечном итоге, определяют уровень надежности автоматически управляемого процесса резания.
2. Труднодоступность зоны резания для встройки каких-либо датчиков с целью получения оперативной информации о свойствах контактируемых пар и условиях резания непосредственно на станке, где сочетание свойств контактных пар происходит случайным образом.
3. Необходимость получения комплексной оценки теплофизических свойств контактируемых пар в реальных условиях резания, то есть получения оперативной информации о химическом, фазовом составе, структуре стали, ее теплопроводности и степени упрочнения, информации о режущих свойствах инструмента до начала процесса резания.
4. Наличие неотъемлемого, всегда сопутствующего процессу резания сигнала термоЭДС естественной термопары, дающего возможность вести 100% контроль сочетания свойств контактируемых пар.
Анализ физических основ генерирования сигнала термоЭДС [4] показывает, что её величина может служить косвенной характеристикой контакных пар, составленных из разнородных материалов. В общем виде величина термоЭДС естественной термопары определяется выражением (1).
где а1 и а2 - значения удельной или дифференциальной термоЭДС для двух различных материалов; а1-2 = а2-а1 - удельная или дифференциальная термоЭДС для данной пары, зависящая от природы контактируемых тел и температуры и представляющая для условий пробного прохода контактную составляющую термоэлектрического сигнала или разность работ выхода электронов из стали и твёрдого сплава; 0а и 0ь - установившиеся температуры горячего и холодного спая естественной термопары.
При смене контактируемой пары сталь - твердый сплав величина термоЭДС меняется как под воздействием удельной термоЭДС (а1-2), представляющей собой разность работ выхода электронов из стали и твердого сплава, так и за счет разности температур горячего (зона резания) и холодного (температура окружающей среды) спая термопары. Работа выхода электронов из металлов имеет тесную корреляционную связь с их физико-механическими свойствами. Это позволяет использовать величину термоЭДС естественной термопары, измеренной при тестовом (пробном) проходе не только как информацию о температуре, но и как интегральный показатель свойств контактируемых пар. В возможности одновременной оперативной оценки свойств стали и твердого сплава и условий резания основная информационная ценность сигнала термоЭДС, его особенность и его преимущество перед другими методами. В условиях кратковременного (4-5 секунд) пробного прохода, одинаковых для любых сочетаний сталь - твёрдый сплав, основной вклад в общий уровень термоЭДС при смене инструмента или заготовки вносит значение удельной термоЭДС, т.е. разность работ выхода электронов из стали и твёрдого сплава, имеющая устойчивую корреляцию с физико-механическими свойствами контактной пары. Второй сомножитель в формуле (1) несёт информацию об условиях резания.
(1)
На основе экспериментальных данных при обработке серии конструкционных и легированных сталей твёрдосплавными инструментами были получены функциональные зависимости силовых (Ср), и скоростных (С„) коэффициентов при точении в формулах расчёта составляющих силы резания и скорости резания, а также коэффициента Ко в формуле расчёта параметра шероховатости Яа от величины термоЭДС пробного прохода.
Значение скорости резания при токарной обработке [5] предлагается определять по зависимости:
V =----А ~ кЕ---- (2)
т-^0,2 0,35 0,15
1 ■ s ■ I
где А - постоянная, равная 202 при черновом точении, 378 при получистовом и чистовом, 239 при тонком чистовом точении; к - коэффициент, равный соответственно для стадий черновой обработки 1.8; для получистовой и чистовой 16,2 и для тонкого чистового точения 6,0.
Аналогично уравнению (2) были получены функциональные зависимости по оперативному определению силовых коэффициентов в формулах расчёта составляющих силы резания при точении
Скорректированные математические зависимости по определению составляющих силы резания [6] выглядят следующим образом:
Р = (А + К ■ Е)■ г1 ■ $0’75 ■V4,45 (3)
Ру = (а + Ку ■ Е)■ г0’9 ■ $0’6 ■ V~°>3 (4)
Р =(А + Кх ■ Е)■ г1 ■ $0'5 ■V -0’4 (5)
где г - глубина резания, мм; $ - подача, мм/об; V- скорость резания, м/мин; Е - термоЭДС пробного прохода, мВ; Аг, Ау, Ах - постоянные, соответственно равные 320; 300; 360, определенные из условий предварительной обработки; Кг, Ку, Кх - коэффициенты, соответственно равные 5,5; 10; 7.
Введение в формулы для расчета составляющих силы резания переменного значения коэффициентов СРх, СРу, СРг, зависящих от сочетания теплофизических характеристик сталей и твердых сплавов повышает точность определения составляющих силы резания.
Автоматизированный расчёт параметра шероховатости Яа на токарных станках с ЧПУ [7] при получистовой и чистовой обработке металла твёрдосплавным инструментом предлагается производить с использованием измеренного значения термоЭДС пробного прохода и рабочих параметров процесса резания (подачи скорости резания V), включая геометрические параметры резца (радиус
при вершине резца г, передний угол резца у) по базовой формуле (6), приведённой в работе [2] с той
лишь разницей, что значение коэффициента Ко рассчитывается на основе линейной зависимости
К 0 = ! ■ (Е):
к = $ °'85(90 + Г)"'65 , мкм (6)
а Ко г0-36. V о-'5
где К0 = А + к ■ Е - поправочный коэффициент на физико-механические свойства контактной пары.
А - постоянная, равная 0,474, определённая из условий предварительной обработки. к - коэффициент, равный 0,11, определённый из условий предварительной обработки (V = 100 м/мин, $= 0,1 мм/об, г= 1 мм); Е - термоЭДС пробного прохода, мВ.
Выводы:
Использование в предлагаемых способах автоматизированного расчёта указанных величин термоЭДС пары инструмент - обрабатываемый металл, измеренной в условиях пробного прохода, повышает точность расчёта, так как термоЭДС используется как обобщенная характеристика свойств твёрдосплавного инструмента, обрабатываемости металла и условий резания. Ошибки расчёта по уточнённым зависимостям лежат в пределах 15-20%, что значительно повышает уровень обеспечения надёжности автоматически выполняемого процесса резания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Плотников А.Л. Управление параметрами процесса лезвийной обработки на станках с ЧПУ: монография. Тольятти : ЗАО «ОНИКС», 2012. 231 с.
2. Справочник технолога-машиностроителя: в 2 т. / под ред. А.М.Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова, А.Г. Суслова. 5-е изд., испр. М.: Машиностроение, 2003. Т. 1. 912 с.
3. Талантов Н.В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента. М.: Машиностроение, 1992. 240 с.
4. Епифанов Г.И. Физика твердого тела: учеб. пособие для втузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1977. 288с.
5. Патент № 2063307 Россия, С1 6 В 23 В 25/06. Способ определения допустимой скорости резания при механической обработке детали твёрдосплавным инструментом / А. Л. Плотников. Заявка №94010673/08 от 29.03.94. Опубл. Бюл. №19 от 10.07.96.
6. Патент № 2120354 Россия, С1 В 23 В 25/06. Способ определения составляющих силы резания на токарных станках с ЧПУ / А.Л. Плотников, В.В. Еремеев. № 97116947/20; Заявлено 14.10.97; Бюл. № 29, 1998.
7. Плотников А.Л. Расчёт и обеспечение режимов резания в САПР ТП на станках с ЧПУ при точении углеродистых сталей по требуемому параметру шероховатости поверхности / А.Л. Плотников, А.С. Сергеев, Н.Г. Зайцева // Металлообработка. 2012. № 3. С. 42-45.
Плотников Александр Леонтьевич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматизация производственных процессов» Волгоградского государственного технического университета
Зайцева Наталья Григорьевна -
аспирант кафедры «Автоматизация производственных процессов» Волгоградского государственного технического университета
Аветисян Ваган Акопович -
магистрант кафедры «Автоматизация производственных процессов» Волгоградского государственного технического университета
Динь Ньят Х. -
магистрант кафедры «Автоматизация производственных процессов» Волгоградского государственного технического университета
Статья п
Aleksandr L. Plotnikov -
Dr. Sc., Professor
of the Department Automated Production Processes Volgograd State Technical University
Natalya G. Zaitseva -
Postgraduate
of the Department Automated Production Processes Volgograd State Technical University
Vagan O. Avetisian -
Master of Sciences
of the Department Automated Production Processes Volgograd State Technical University
Njat H. Din -
Master of Sciences
of the Department Automated Production Processes Volgograd State Technical University
тила в редакцию 12.08.12, принята к опубликованию 06.09.12
