CC BY
1
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
УДК 621.9.022.2
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-7-563-564
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СБОРНЫХ ТОРЦОВЫХ ФРЕЗ
А.В. Исаев, М.С. Николаев
На основании анализа публикаций в базе данных рецензируемой научной литературы Scopus показано, что активно ведутся исследования в области совершенствования конструкций режущего инструмента с целью повышения эффективности обработки труднообрабатываемых материалов. Выполнен анализ конструктивных параметров твердосплавных сменных многогранных пластин, выпускаемых ведущими мировыми производителями и используемых в сборных торцовых фрезах, предназначенных для обработки труднообрабатываемых материалов. Результаты анализа служат основой разработки модуля ввода и анализа исходных данных системы автоматизированного проектирования сборных фрез.
Ключевые слова: сборные торцовые фрезы, сменные многогранные пластины, обработка труднообрабатываемых материалов, фрезерование, САПР режущего инструмента.
Введение. В различных отраслях промышленности широкое распространение получили труднообрабатываемые материалы. По классификации ГОСТ Р ИСО 513-2019 такие материалы обозначаются буквами S и H. В группу S включают различные сплавы на основе железа, никеля и кобальта, а также сплавы титана. В группу Н относят закаленную сталь с твердостью 45-65 HRC, упрочненный чугун и отбеленный чугун твердостью 400-600 HB. Такие материалы обладают высокими эксплуатационными характеристиками, что позволяет использовать их в деталях и узлах повышенной нагрузки и ответственности. При этом обработка торцовыми фрезами с твердосплавными сменными многогранными пластинами (СМП) является одной из наиболее распространенных операций при изготовлении изделий из указанных классов материалов. Однако обработка резанием таких материалов сопряжена с различными трудностями, обуславливающими необходимость особых подходов при разработке конструкций и рекомендаций по эксплуатации режущих инструментов, предназначенных для данных задач.
Анализ научных публикаций. Анализ научных публикаций в базе данных рецензируемой научной литературы Scopus выполнялся для интервала с 2002 по 2023 годы. При поиске были использованы следующие ключевые слова: 1. Diffucult-to-cut materials milling (фрезерование труднообрабатываемых материалов), 2. Cutting tool design (конструкция режущего инструмента), 3. Cutting tool condition monitoring (контроль состояния режущего инструмента), 4. Cutting tool modeling (моделирование режущего инструмента), 5 Cutting tool wear modeling (моделирование износа режущего инструмента). Объем выборки по данным ключевым словам составил 140 работ. Из результатов поиска был построен график (рис. 1), на котором видно, что с 2002 года по 2020 количество публикаций активно росло из года в год. Падение с конца 2020 по начало 2022 года можно объяснить ковидным фактором, ведь с отмены режима локдауна по всему миру количество публикаций сразу возросло.
Документы по годам
Рис 1. График количества публикаций по рассматриваемой теме е базе данных Scopus
563
Для выявления основных тематик актуальных исследований и характера цитирования был построен граф (облако тегов), представленный на рис. 2.
[ tuning cool inserts j
[ cool path J ^ inclination angles J
(" difffcuk-to-cut material J_
I. K:,i ?_ i
[ high-speed m a chjning J
[ cutting edges )
"[ma chining efficiency )
[ tuEcer defletaon j [ high strength steel j
Г wear-« '
D
[ cutting temperature j
[ high speed milling"]
ceramic materials
[ superalloys J ( cutting tools ]
[ high strength alloys ]
^ chip formation
[ Inclined planetary mi III
С^г^О milling (machining)
cutting Forces
( tuning MgffiLients j
............Jj^.....^P.'ff.'" j
I finite element method |
[ carbide tools
^ cutting иаге monitoring j
__[ cutting force j
--------i^e^d^j
cutting parameters! " . -e-v
[surface properties '| Г-мам—миш/ _^ [ ]
high-performance tools 1
iurfijce property Г design of experiments "1
[ milling-]
[ high-efficiency machining^)
[ high p&rfarmjnLfr manning ] [ cutting performance | f cucLing pertoimance evaluflag/i J
1111 'r 'Î^W^ihjH [J CLT ЛII -'j'i
[ LhlS nre 'Гс It L J
f-.-. Г millingcutters 1
[ tool load ) k >____
[fini№ element method 5imula[i
juper alloys )
2010 2012 2014 2010 201В 2020
Рис. 2. Граф взаимосвязей публикаций в базе данных Scopus по наиболее употребимым ключевым словам
Анализ графа позволяет заключить, что на данный момент исследователи, работающие в области инструментальной техники, сконцентрировали свои усилия по совершенствованию конструктивных параметров режущих сборных инструментов с СМП, разработке новых инструментальных материалов, а также стратегий обработки, в том числе с применением методов диагностики процессов резания. Поэтому можно сказать, что разработка новых инструментов для обработки труднообрабатываемых материалов является актуальной задачей.
Анализ условий обрабатываемости труднообрабатываемых материалов. Обрабатываемость резанием во многом зависит от условий обработки, которые также определяют требования к элементам технологической системы. Описания условий обработки представлены в табл. 1 [7].
Таблица 1
Характеристика условий обработки_
Условия обработки Характеристика условий обработки Характеристика заготовки
Хорошие Биение обрабатываемой поверхности до 0,3 мм. Непрерывное резание (отсутствие раковин, пазов и т. д). Небольшие изменения температуры режущей кромки. Высокая жёсткость технологической системы Предварительно обработанные заготовки. Калиброванный прокат. Заготовки из порошковых материалов.
Средние Биение обрабатываемой поверхности 0,3 ...1,0 мм. Прерывистое резание (раковины и канавки до 2 мм по ширине). Корка поверхности средней твердости и глубиной 0,1.0,2 мм. Средние колебания сил резания и температуры в зоне резания. Средняя жёсткость технологической системы. Предварительно обработанные и закаленные и незакаленные поверхности. Холодно и горячекатанный прокат.
Тяжелые Биение обрабатываемой поверхности более 2 мм. Прерывистое резание - раковины, отверстия, канавки на поверхности шириной более 3 мм. Высокая твердость и абразивные свойства корки (песок, оксиды и др.) Значительные изменения сил резания и температуры в зоне резания. Средняя и низкая жёсткость технологической системы. Прокат, рубленный в штампах, после газорезки. Квадратный, шестигранный прокат. Обжатые болванки. Грубые отливки (в песчано-земляные формы). Наварные, наплавленные, шлицевые и другие поверхности
В работе С. В. Бреева [1], посвященной высокоскоростной обработке труднообрабатываемых материалов, проведен анализ критериев обрабатываемости. Автор выделяет четыре действительных критерия:
1. Сила резания, которая может достигать при обработке труднообрабатываемых материалов значений 2000-3500 Н/мм2, что приводит к повышенной механической нагрузке на инструмент и механизмы станка.
2. Температура резания. Из-за низкой теплопроводности и одновременно высокой удельной силы резания материалов группы ISO S инструмент при работе испытывает повышенные температурные нагрузки, вследствие чего образуются термические трещины, сколы и выкрашивания.
3. Износ инструмента. В процессе обработки материалов групп ISO S и ISO H режущий инструмент интенсивно изнашивается, что приводит к ухудшению качества обработанной поверхности и необходимости корректировать режимы резания.
4. Характер отделения стружки. Труднообрабатываемые материалы группы ISO S дают стружку скалывания и при этом обладают высокой вязкостью, что может привести к наростообразованию, искажению геометрии инструмента и последующему выкрашиванию или сколу режущей кромки.
Важно отметить, что в указанные группы труднообрабатываемых материалов входит множество сплавов, которые могут разительно отличаться между собой своими характеристиками. Это напрямую влияет на стратегию обработки данных материалов, а, значит, требует различных подходов к проектированию для них инструментальных решений.
Анализ конструкций СМП ведущих мировых производителей. При проектировании инструментов целесообразно произвести анализ данных, приведенных в каталогах ведущих фирм-производителей режущих инструментов. Это поможет выявить закономерности использования конструктивных параметров СМП и инструмента в целом. В дальнейшем эти закономерности могут лечь в основу блока выбора исходных данных САПР сборных торцовых фрез с СМП.
В работе был выполнен анализ каталогов ведущих мировых фирм производителей сборных фрез с твердосплавными СМП [5, 6]. Известна система обозначений СМП по ГОСТ 9042-80 (ИСО 1832-85). Кроме того, многие фирмы-производители используют свою систему обозначений на базе стандартной. С целью оптимизации поисковых исследований из всей совокупности параметров СМП, равной 250 шт., были выделены наиболее существенные, влияющие на обрабатываемость резанием и на стойкость инструмента: радиус при вершине Re, задний угол а и форма стружколома. На рис. 3 представлены конструктивные параметры СМП, предназначенных для обработки жаропрочных сплавов, а на рис. 4 для закаленных сталей. СМП разделены между собой по условиям обработки.
СМП для хороших условий обработки материалов группы 5 СМП для хороших условий обработки материалов группы Н
Re 1,2 0,2 11% 11% 67% Стружколом F67 D56 10% 10% 10% 10% 10% Задний угол 0 10% 50% ^^^^^ 72% Re °'5 1 »1,6 Ш- ■ 12% Стружколом Без | ■ струж коло 55* 4% Задний угол 1S 10% • 909Й
СМП для нормальных условий обработки материалов группы S СМП для нормальных условий обработки материалов группы Н
Re о,б 5 2% 29& 0,8 Без 10% Стружколом F57 G77 2% 9% - ЖГж CTPV« ^^m ;.. КОЛО Ш 2Ш "" I, Задний угол 20 2% Re Стружколом 0,8 15% А57 ► Jk
59% 16% 0
СМП для неблагоприятных условий обработки материалов группы S СМП для неблагоприятных условий обработки материалов группы Н
2 2,S Re 0,3 2% 2% з 2% I-GX^YV 0,4 ,/ <f г '0,6 0,8 10% 41% Стружколом L55 051 14% 12% DS6 12% iflj^L :7? 17% ^^^ F57 36% задний угол 15 24% ^■^^^ 50% и 26% Re ^ 6,4 0,4 7% '/о 0,8 4 1,2 13% ^ЮЫЯ^^Ш 13% 7% ^^ 1'6 13% 13%
Рис. 3. Конструктивные параметры СМП Рис. 4. Конструктивные параметры СМП
для обработки материалов группы S для обработки материалов группы Н
На рис. 4 значения заднего угла для нормальных и не благоприятных условий обработки не показаны. В анализируемых каталогах при данных условиях все пластины имеют задний угол 15° и стружколом К85. Обозначение стружколомов представлены в табл. 2.
Таблица 2
Обозначение параметров стружколома_
Обозначение Значение
Канавка ст ружколома
А 0"
B 6"
D 10"
Е 15"
F 16"
G 20"
К 25"
L 28"
Форма режущей кромки
2 С округлением
5 С фаской и округлением
8 Острая
Задняя поверхность
1-5 Двойная задняя поверхность
6 Задняя поверхность с поднутрением
7-8 Одна задняя поверхность
Исходя из анализа (рис. 3, рис. 4) можно заметить, что для более тяжелых условий обработки материалов групп Б и Н используются значения конструктивных параметров, направленные на повышение износостойкости инструмента путем увеличения радиуса при вершине и уменьшения значений заднего угла.
В статье [4] была приведена схема функциональных взаимосвязей между конструктивными параметрами режущего инструмента, показателями процесса обработки и свойствами обрабатываемого материала. Совместно с аналитическими данными, приведенными в настоящей статье, упомянутую схему можно в дальнейшем использовать при формировании модуля ввода исходных данных САПР сборных фрез с СМП. Алгоритм этого модуля представлен на рис. 5. Такой подход позволит рационально выбрать конструкцию инструмента для заданных условий обработки и ускорить процесс создания конструкторской документации на разрабатываемый инструмент.
Рис. 5. Блок-схема системы исходных данных САПР сборных торцовых фрез
Выводы. Проведен анализ научных публикаций на тему исследования обработки труднообрабатываемых материалов. Показано, что ведутся активные работы по разработке новых и совершенствованию существующих СМП. Результаты анализа послужат основой системы исходных данных разрабатываемой САПР сборных торцовых фрез с СМП.
Список литературы
1. Бреев С.В., Серебренникова А.Г. Высокоскоростное фрезерование труднообрабатываемых материалов: 2. особенности обрабатываемости при фрезеровании // Ученые записки № IV-1(16), 2013. С. 59-65.
2. Бобров, В. Ф. Основы теории резания металлов / В. Ф. Бобров. М.: Машиностроение, 1975. 344 с.
3. Гречишников В.А., Колесов Н.В., Петухов Ю.Е. Математическое моделирование в инструментальном производстве. М.: МГТУ «СТАНКИН». УМО АМ, 2003. 116 с.
4. Исаев А.В., Николаев М.С. Анализ моделей износа режущего инструмента, используемых для имитации обработки труднообрабатываемых материалов сборными фрезами в системах инженерного анализа // Вестник МГТУ «Станкин» № 1 (68), 2024. С.75-86.
5. Каталог продукции / Walter. 2021. 404 с. [Электронный ресурс] URL: https://wellcam. shop/upload/pics/blogs/blog-21/walter-ipac21/walter-ru-ru product-innovations-2021-1-orderpages-ru.pdf (дата обращения: 10.04.2024).
6. Каталог пластин для фрезерования / Mitsubishi materials, 2020. 43 с. [Электронный ресурс] URL: https://steelcam.org/catalogs/mitsubishi-materials/katalog-plastiny-dlya-frezerovaniya (дата обращения: 10.04.2024).
7. Каталог пластины сменные твердосплавные многогранные / КЗТС, 2020. 57 с. [Электронный ресурс] URL: https://studylib.ru/doc/2186431/plastiny-smennye-mnogogrannye-tverdosplavnye (дата обращения: 10.04.2024).
Исаев Александр Вячеславович, канд. техн. наук, доцент, a. isaev@stankin. ru, Россия, Москва, МГТУ «СТАНКИН»,
Николаев Максим Сергеевич, аспирант, maximys4636@gmail. com, Россия, Москва, МГТУ «СТАНКИН»
566
DEVELOPMENT OF INPUT DATA SET FOR DESIGNING INDEXABLE FACE MILLING CUTTERS
A.V. Isaev, M.S. Nikolaev
Basing on the analysis of publications in the Scopus database, it is shown that many researches are actively conducted all over the world in the field of the design of cutting tools in order to increase the efficiency of machining of difficult-to-machine materials. The analysis of design parameters of indexable carbide inserts for face milling cutters produced by the world's leading manufacturers for machining of difficult-to-machine materials is carried out. The results of the analysis serve as a basis for the development of the input data set for special CAD-module used for designing of indexable face milling cutters.
Key words: indexable face milling cutters, indexable inserts, machining of hard-to-machine materials, milling, design of cutting tools.
Isaev Alexander Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, docent, a. isaev@stankin. ru, Russia, Moscow, Moscow State University of Technology «STANKIN»,
Nikolaev Maxim Sergeevich, postgraduate, maximys4636@gmail. com, Russia, Moscow, Moscow State University of Technology «STANKIN»
УДК 622.23.05
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-7-567-568
О РАБОТОСПОСОБНОМ СОСТОЯНИИ ИНСТРУМЕНТА В ПРОЦЕССЕ ФРЕЗЕРОВАНИЯ ОБСАДНОЙ
КОЛОННЫ ЗАБОЙНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
Е.В. Шестакова, И.А. Лягов, В.У. Ямалиев, А.В. Лягов
Представлена основная информация о новом щадящем способе вторичном вскрытии пласта, требующем тщательного планирования, использования специального, несерийного оборудования и технологий. Аналитически установлено и экспериментально подтверждено, что актуальным остается создание малых каналов из обсаженной скважины с заданным радиусом кривизны по предварительно спланированной траектории. Показана возможность контроля состояния глубинного оборудования в процессе эксплуатации путем статистической обработки временных рядов случайных процессов, в частности - колебаний технологических параметров. Для определения состояния фрезерного инструмента в процессе эксплуатации по значениям колебаний осевой нагрузки на фрезерный инструмент и колебаниям давления технологической жидкости предложен новый критерий диагностирования работоспособности по Гуверу. Для проведения исследования использован испытательный стенд компании ООО «Перфобур». Для разных технических состояний системы: «инструмент - компоновка низа бурильной колонны (КНБК) - насос» установлены контрольные значения критериев диагностирования работоспособности по Гуверу для различных групп прочности и диаметров обсадных колонн при фрезеровании. Результаты использованы при диагностировании работоспособности технической системы (ТС) «Перфобур» в процессе стендовых испытаний, при разработке автоматизированных систем управления процессом фрезерования и в перспективе при бурении каналов на скважинах, что позволит обеспечить повышение достоверности оценки технического состояния инструмента в процессе эксплуатации.
Ключевые слова: вторичное вскрытие, фрезерование обсадной колонны, оценка состояния оборудования, контроль параметров, критерий Гувера.
Рассматриваемая в статье операция вторичного вскрытия продуктивных коллекторов требует тщательного планирования, использования специального несерийного оборудования и инновационной технологии. Правильно проведенное вторичное вскрытие пластов способно существенно увеличить площадь фильтрации, а следовательно -производительность скважины и обеспечить экономически целесообразную добычу нефти и газа [1].
Выбор метода перфорации скважин зависит от различных факторов, таких как геология пласта, конструкция скважины, условия бурения, технические данные перфораторов, возможные побочные эффекты и осложнения. При этом определяется тип перфоратора, технологическая жидкость, плотность прострела и последующие технологические работы по освоению [2].
В настоящее время существующие методы перфорации не всегда обеспечивают создание глубоких каналов для обеспечения гидравлически совершенной связи между пластом и скважиной. В работах С.И. Кувыкина, Н.Ф. Кагарманова, М.У. Муратова и В.С. Федорова [3-5] обоснованы энергетические, геологические, технологические и экономические преимущества бурения каналов малого диаметра. Строить такие малые каналы с заданным радиусом кривизны по предварительно спланированной траектории стало возможно благодаря созданию технической системы «Перфобур» [6].
В ходе работы использован испытательный стенд ООО «Перфобур» для проведения тестов по фрезерованию окон обсадных колонн различных групп прочности. Стенд состоит из следующих компонентов: песчано-цементного блока с вмонтированной в него обсадной трубой исследуемой группы прочности, ёмкости для технологической жидкости, соединённой трубопроводом с насосной станцией СИН 46 [2, 7, 8], которая подаёт технологическую жидкость через рукав высокого давления на специальный гидронагружатель [2, 7, 8]. В корпусе перфобура находится бурильная труба с регламентированной изгибной и крутильной жесткостью, соединяющая гидронагружатель и силовую секцию специального винтового забойного двигателя (ВЗД), передающего осевую нагрузку и крутя-
567
