CC BY
12
УДК 621.322
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-11-580-587
УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ОБРАБОТКИ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ И ПРОМЫШЛЕННАЯ АПРОБАЦИЯ МЕТОДИКИ НАЗНАЧЕНИЯ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ
В.В. Жмурин, В.В. Хрячкова
В статье представлены результаты исследований, направленных на оптимизацию технологического процесса обработки нержавеющих сталей, изучение взаимосвязи между степенью износа инструмента и нагрузкой на приводе главного движения многоцелевого станка. На основе полученных результатов была построена кривая описывающая износ инструмента в процессе фрезерования нержавеющей стали марки 25Х17Н2БШ.
Ключевые слова: режимы резания, мониторинг процесса резания, износ инструмента, нагрузка на шпиндель, стойкость инструмента.
В настоящее время в машиностроении все большее применение находят детали, изготовленные из различных марок нержавеющих сталей. Они по сравнению с легированными конструкционными сталями обеспечивают более высокие эксплуатационные характеристики деталей по таким параметрам как, прочность, твердость, ударная вязкость, а также стойкость к эрозионным средам [1, 6, 8].
Технологический процесс обработки нержавеющих сталей вызывает определенные трудности, среди которых основной является выбор рациональных режимов резания. Для решения поставленной задачи была разработана методика назначения режимов резания, обеспечивающая полное использование ресурса режущего инструмента при сохранении нормы сменной выработки.
С целью подтверждения теоретических основ разработанной методики назначения режимов резания ориентированной на обработку металлоёмких деталей на многоцелевых станках с ЧПУ сверлильно-фрезерно-расточной группы были проведены экспериментальных исследования в условиях действующего производства. Они проводились в два этапа. На первом этапе выполнялся сбор данных о стойкости инструмента и его взаимосвязи с изменением силы резания и мощности, затрачиваемой на обработку. Результатом выполнения данного этапа является получение сведений о характере износа инструмента. На основе полученных данных была определена граница, соответствующая степени износа после наступления, которой целесообразно выполнять уменьшение глубины резания с целью более полного использования ресурса инструмента.
На втором этапе исследований проверяется технологическая и экономическая целесообразность предложенной методики на примере обработки конкретной детали в производственных условиях. По результатам выполнения второго этапа исследований формируются общие выводы, направленные на совершенствование предложенной методики.
Для проведения экспериментальных исследований была выбрана деталь «Платформа» (рис. 1). Выбор обусловлен следующими факторами: низкая стойкость режущего инструмента, жесткая норма сменной выработки, длительный цикл изготовления.
Рис. 1 Деталь «Платформа»
Заготовкой является горячекатаная полоса шириной 100 мм и высотой 50 мм из нержавеющей стали 25Х17Н2Б-Ш изготовленная по ТУ 14-1-1062-74.
Анализ технологического процесса изготовления детали платформа установил, что наиболее трудоёмкой является операция -080, на которой выполняется удаление 70% припуска с поверхности заготовки. На данной операции были проведены экспериментальные исследования. Обработка заключается во фрезеровании внутреннего контура детали (рис. 2) с получением поверхности с шероховатостью 20 и плоскостностью 0,1 мм. Перед поступлением заготовки на рассматриваемую операцию выполняется фрезерование всех её поверхностей с выполнением габаритных размеров 146х80х39.
а)
б)
Рис. 2. Эскиз обрабатываемой детали: а—эскиз обработки; б—3Б модель
обрабатываемой детали
Замер твердости заготовок, проведенный перед экспериментом, показал 26-29 HRC, что соответствует требованиям ТУ 14-1-1062-74.
Обработка заготовок выполнялась на вертикально-фрезерном многоцелевом станке модели MVC-1020 фирмы Matech, который используется при производстве указанной детали. Выбранное оборудование относится к самому распространенному классу среднегабаритных станков для чистовой и получистовой обработки с возможностью частичной реализации технологии высокоскоростного резания. Станок MVC-1020 ф. Matech предназначен для выполнения типовых фрезерных, сверлильных и расточных операций при обработке корпусных деталей. На станке установлен шпиндель мощностью 10 кВт обеспечивающий максимальную частоту вращения инструмента 12000 об/мин. Привод подач станка обеспечивает скорость рабочих ходов от 5 мм/мин до 8000 мм/мин, а холостых ходов до 12000 мм/мин. MVC-1020 имеет сварную стальную станину, усиленную дополнительными ребрами жесткости и литую чугунную колонну на которой монтируется шпиндель. Такая конструкция обеспечивает достаточную виброзащищенность при получистовой обработке, но недостаточную для реализации технологии высокопроизводительного резания.
Заготовка была закреплена в прецизионных машинных тисках с гидравлическим зажимом модели 326531070600 фирмы «Bison». Выбор указанной модели тисков обусловлен тем, что по сравнению с обычными машинными тисками они обеспечивают в 1,5 раза большее усилие зажима. Шлифованные прецизионные губки обеспечивают погрешность закрепления заготовки не более 0,02 мм.
В качестве экономического критерия оценки режимов резания использовалась норма сменной выработки. Согласно трудоёмкости, установленной на предприятии-изготовители детали «Платформа» машинное время её обработки на рассматриваемой операции не должно превышать 3 часов.
При назначении инструмента для проведения исследований были учтены известные рекомендации по его выбору, а также имеющаяся на предприятии в наличии номенклатура инструмента, сроки его поставки и опыт использования для обработки нержавеющих сталей. Таким образом, в качестве режущего инструмента была выбрана концевая фреза R217.69-32.32.3-124A диаметром 32 мм с тремя режущими зубьями фирмы SECO. Исследования были проведены на двух видах сменных многогранных пластин: XOMX 120408TR-ME08, F40M, и XOEX 120408R-M07, T350M производства фирмы SECO. Выбранные режущие пластины предназначены для обработки нержавеющих сталей.
Согласно техническим характеристикам, изложенным в каталоге фирмы SECO, используемые сменные многогранные пластины можно характеризовать следующим образом: сплав F40M предназначен для чистового и получистового фрезерования нержавеющих сталей с малыми подачами или низкими скоростями резания. Он обладает высокой прочностью, поэтому фирма-изготовитель рекомендует его к использованию на операциях, где возможно возникновение вибраций. Сплав Т350М предназначен для фрезерования труднообрабатываемых нержавеющих сталей на получистовых операциях.
Согласно рекомендациям фирмы-изготовителя инструмента, глубина резания назначается для каждой операции обработки отдельно, исходя из марки обрабатываемого материала, жесткости станка, оснастки и режущего инструмента. В инструментальном каталоге приведена информация о максимальной глубине резания, которая допускается геометрическими параметрами режущей пластины. Для сплава Т350М максимальная глубина резания составляет 4 мм, а для F40M не более 5 мм.
С целью определения максимальной глубины резания, которую допускает жесткость станка, была проведена серия экспериментов. Она установила, что для выбранного оборудования и используемого инструмента максимальной является глубина резания 4 мм. При её превышении процесс обработки теряет стабильность из-за возникновения вибраций. Они приводят к скачкообразному изменению нагрузки и как следствие поломки инструмента и срабатыванию аварийного отключения шпинделя по перегрузке. При глубине резания 4 мм стойкость инструмента составляет не более 40-45 минут, что недостаточно для обработки одной детали. Таким образом, основываясь на полученных результатах исследований и рекомендаций, изложенных в работах [1,6,7,8] для эксперимента были выбраны следующие глубины резания: 2,5 мм, 3 мм и 3,5 мм.
Согласно общим рекомендациям, изложенным в справочной литературе [6,7,8], расчет режимов резания рекомендуется начитать с режимов, обеспечивающих максимальный период стойкости инструмента. Для выбранного инструмента на основании рекомендаций фирмы-изготовителя эти режимы были рассчитаны (табл. 1).
Таблица 1
Режимы резания, рекомендуемые ^ фирмой-изготовителем инструмента_
Режимы резания Используемые режущие пластинки
XOMX 120408TR-ME08, F40M XOEX 120408R-M07, Т350М
Глубина резания, мм 0,8 0,8
Скорость резания, м/мин 120 55
Частота вращения шпинделя, об/мин 1200 550
Подача на зуб, мм/зуб 0,08 0,12
Минутная подача, мм/мин 300 200
Для выбранных глубин резания, по общим рекомендациям изложенных в работах [1,6,7,8] назначаем режимы резания (табл. 2)
Таблица 2
Режимы резания, используемые на первом этапе исследований_
Режимы резания Используемые режущие пластинки XOMX 120408TR-ME08, F40M
Глубина резания, мм 2,5 3 3,5
Скорость резания, м/мин 88 88 88
Частота вращения шпинделя, об/мин 880 880 880
Подача на зуб, мм/зуб 0,03 0,03 0,03
Минутная подача, мм/мин 80 80 80
При проведении экспериментальных исследований контроль изменения силы резания и потребляемой мощности осуществлялся с помощью подсистемы мониторинга нагрузки, имеющейся в системе ЧПУ FANUC Series oi-wd. Она отображает в режиме реального времени изменение нагрузки на шпинделе и приводах подачи станка в процентах от максимально допустимого значения.
Для установления взаимосвязи между изменением нагрузки на шпинделе и износом инструмента была выполнена обработка партии деталей на режимах резания, рекомендуемым фирмой-изготовителем инструмента. Полученные в ходе выполнения экспериментов результаты сведены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты обработки деталей на экономичных режимах резания_
Режущие пластины XOMX120408TR-ME08, F40M
Время работы инструмента, мин 15 30 45 60 75 90 105 120
Средняя нагрузка, % 18 21 26 34 38 43 46 50
Режущие пластины XOЕX120408R-M07, Т350M
Время работы инструмента, мин 15 30 45 60 75 90 105 120
Средняя нагрузка, % 14 17 22 25 27 30 33 38
Для определения характера износа инструмента после каждых 15 минут его работы проводился осмотр режущих пластин. Результаты осмотра пластин ХОМХ 120408TR-ME08, F40M показали следующее: после сорок пятой минуты работы на 30% осмотренных пластин обнаружено налипание обрабатываемого материала на режущую кромку. После семьдесят пятой минуты работы на всех осмотренных пластинах на режущей кромки обнаружено налипание обрабатываемого материала. После сотой минуты работы на режущей кромки образуются микротрещины и сколы. На сто двадцатой минуте работы происходит механическая поломка пластины.
Контроль процесса обработки установил, что после сорок пятой минуты работы на некоторых деталях имелись участки поверхности, на которых шероховатость поверхности была хуже по сравнению с общим качеством получаемой поверхности. Общая площадь таких участков не превышала 20% от площади обработки. При обработке таких участков нагрузка на шпинделе изменялась скачками в интервале от 29% до 31%. Начиная с 46-й по 60-ую минуты работы, нагрузка равномерно возрастала. Качество получаемой поверхности было одинаковым на всей площади обработке. Начиная с 90-ой минуты работы в процессе резания стали возникать вибрации, вызванные износом инструмента. Они были выражены в виде ухудшения качества поверхности и ростом нагрузки на шпиндель.
В ходе выполнения экспериментальных исследований было использовано 72 режущие пластины XOMX120408TR-ME08, F40M. Замер их периода стойкости показал, что он составляет 115-120 минут.
Результаты контроля износа пластин ХОЕХ 120408R-M07, Т350M показали, что после сорок пятой минуты работы на режущей кромки стало происходить налипание обрабатываемого материала. Оно было выявлено у 20% осмотренных пластин. После семьдесят пятой минуты работы налипание обрабатываемого материала на режущую кромку было выявлено на всех пластинах. Контроль качества обрабатываемой поверхности установил её равномерное ухудшение, вызванное износом инструмента. Нагрузка на шпиндель также равномерно возрастала без резких скачков. После девяностой минуты работы на обработанной поверхности стали образовываться зарезы и следы от инструмента. Качество обработанной поверхности ухудшилось. На режущей кромки инструмента стали образовываться микротрещины и сколы. На сотой минуте работы качество получаемой поверхности не соответствовало заданной. На обработанной поверхности присутствовали следы дробления и задиры. Нагрузка на шпинделе изменялась скачкообразно от 29% до 33%. В интервале времени от 110 до 120 минут происходила поломка режущих пластинок. При поломке система ЧПУ станка фиксировала пиковую нагрузку 37-40%.
По аналогии с пластинами XOMX120408TR-ME08, F40M в процессе эксперимента было использовано 72 режущие пластины XOEX120408R-M07, Т350M. Замер их периода стойкости показал, что он составляет 100-110 минут.
По полученным экспериментальным данным были построены графики изменения нагрузки на шпинделе от износа инструмента (рис.3). Их анализ показал, что они хорошо согласуются с известными кривыми износа инструмента, представленными в работах [3,4]. Для оценки погрешности полученных результатов была выполнена их линейная аппроксимация. Она показала, что величина ошибки не превышает 5%.
Замер машинного времени обработки детали «Платформа» на режимах резания, назначенных для режущих пластин XOMX120408TR-ME08, F40M составляет 3 часа 30 минут, а на режимах резания для пластин XOEX120408R-M07, Т350M оно составляет 3часа 45 минут. Таким образом, экономичные режимы резания не обеспечивают выполнение требования по трудоёмкости и соответственно не позволяют изготавливать соответствующее количество деталей в течение рабочей смены.
60 50
=? а
; 40 д
=
я 30
I
я
10 о
О 20 40 60 80 100 120 140
Время работы инструмента,мин
- - - ■ - ' - ХОМХ 1НМИГГК-МЕ|В,Г4<Ш
_ _ _ _ _ хомхшшвЕ-мо^таод
Рис. 3. Изменение нагрузки на шпинделе от износа инструмента
Сравнение по стойкости, качеству получаемой поверхности и стабильности работы двух видов режущих пластин показало, что при изготовлении детали «Платформа» наиболее выгодно использование режущих пластин XOMX120408TR-ME08, F40M. Поэтому дальнейшие экспериментальные исследования были проведены с использованием этих пластин.
После обработки на экономичных режимах экспериментальные исследования были продолжены на высокопроизводительных режимах резания (табл. 2). Целью их выполнения является изучение характера износа инструмента при различных глубинах резания. Экспериментальные исследования были проведены с постоянной скоростью резания и минутной подачей при глубинах резания 2,5 мм, 3 мм и 3,5 мм. Полученные в ходе эксперимента результаты представлены в табл. 4.
Таблица4
Результаты обработки на высокопроизводительных режимах резания _
Время работы инструмента, мин 15 30 45 60 75 90
Средняя нагрузка при 1=2,5, % 15 18 25 29 35 40
Средняя нагрузка при 1=3, % 18 24 28 36 40 43
Средняя нагрузка при 1=3,5, % 21 26 31 38 46
>2
л
Результаты экспериментов установили, что кривые, характеризующие зависимость изменения нагрузки на шпинделе от времени работы инструмента, имеют одинаковый вид с кривыми, полученными на экономичных режимах резания. На рис. 4 представлен график изменения нагрузки в зависимости от времени работы инструмента.
Контроль процесса обработки установил, что для всех глубин резания в интервале времени от 0 до 45 минут процесс обработки происходит стабильно с сохранением требуемой шероховатости поверхности. Нагрузка на шпиндель станка равномерно возрастает. Осмотр всех режущих пластин показал, что после 45 минут работы их режущая кромка имеет равномерный износ, а они сохранили работоспособность.
Контроль износа режущих пластин, работавших с глубиной резания 3,5 мм, показал, что после пятидесятой минуты появилось выкрашивание режущей кромки. Это отразилось на качестве обрабатываемой поверхности, на ней появились следы дробления. На 70-й— 75-ой минуте работы режущие пластины, достигли технологического износа и перестали обеспечивать требование по шероховатости обрабатываемой поверхности. Интервал времени соответствующий 76-ой — 80-й минуте работы характеризуется механической поломкой пластин.
Осмотр режущих пластин, которые работали с глубиной резания 2,5 и 3 миллиметра показал, что после 60-ой минуты работы на их поверхности стали образовываться микротрещины. Шероховатость обработанной ими поверхности соответствует требованиям, но на ней
появились участки со следами дробления. В интервале времени, соответствующему 61-ой — 75-й минуте работы отмечается возникновение вибраций в процессе обработке. На 80-ой — 90-й минуте работы пластины достигли технологического износа.
— - - — глубина резания 1=2,5 мм
_ _ _ глубина резания мм
■ т ш ш ш ш т ш глубина резания 1=3,5 мм
Рис. 4. Изменение нагрузки от времени работы инструмента
Замер периода стойкости пластин, используемых на высокопроизводительных режимах резания, показал следующие результаты:
1. При глубине резания 3,5 мм стойкость 82% используемых пластин составляет 75-80
минут.
2. При глубине резания 3,0 мм стойкость 86% используемых пластин составляет 80-90
минут.
3. При глубине резания 2,5 мм стойкость 84% используемых пластин составляет 85-96
минут.
Контроль изменения нагрузки на шпинделе показал, что в интервале времени от 0 до 45 минут работы нагрузка равномерно возрастает для всех пластин пропорционально глубине резания.
Для режущих пластин, работавших с глубиной резания 3,5 мм, в интервале времени с 55-ой по 65-ую минуты работы было зафиксировано колебание нагрузки в интервале 1-2%. При достижении пластинами значения технологического износа на 70-ой—75-ой минуте работы было зафиксировано скачкообразное изменение нагрузки в интервале от 3-х до 5-ти процентов. Среднее значение нагрузки при достижении технологического износа составляет 46%. При достижении пластинами катастрофического износа происходит пиковое увеличение нагрузки, до 55-58% при котором происходит поломка пластины.
Контроль изменения нагрузки для режущих пластин, работавших с глубиной резания 2,5 мм и 3 мм, установил аналогичный характер её изменения. На 61-ой—75-й минуте работы были зафиксированы отдельные случаи колебание нагрузки интервале 1-2%. При достижении пластинами технологического износа на 80-ой—90-ой минуте работы были зафиксированы скачки нагрузки в интервале от 2-х до 4-х процентов.
Замер машинного времени обработки детали «Платформа» показал следующие результаты:
При глубине резания 2,5 мм машинное время составляет 2 часа 58 минут; При глубине резания 3,0 мм машинное время составляет 2 часа; При глубине резания 3,5 мм машинное время составляет 1час 25 минут; Таким образом, для выполнения установленной трудоёмкости изготовления детали «Платформа» значение глубины резания должно быть не менее 2,5 мм.
Сопоставление полученных результатов экспериментальных исследований с теоретической кривой, описывающей износ инструмента, представленной в работах [3,4], позволило установить, что графики, построенные для пластин, работавших с глубиной резания 2,5 мм и
3 мм соответствуют участку нормального износа инструмента, а для режущих пластин, работавших при глубине резания 3,5 мм участку критического износа. Анализ степени и характера износа режущих пластинок, использовавшихся в эксперименте показал, что те пластинки, которые работали с глубиной резания 2,5 мм и 3 мм свой ресурс полностью не использовали.
По результатам экспериментальных исследований, выполненных на первом этапе, была определена степень износа инструмента и соответствующее ей значение нагрузки на шпинделе, при достижении которой целесообразно корректировать глубину резания.
Далее согласно описанной выше последовательности проведения исследований был выполнен их второй этап. На основании результатов, полученных на первом этапе для режущих пластин, работавших с глубиной резания 3 мм, она была скорректирована. Согласно разработанной методике после 90-ой минуты работы, когда нагрузка на привод составляла 87-90% глубина резания была уменьшена до 2-х миллиметров. При этом скорость резания и минутная подача не изменялись. Результаты, полученные на втором этапе экспериментов, представлены в табл. 5.
Таблица 5
Результаты обработки детали на втором этапе исследований_
Глубина резания 1, мм t=3 мм 1=2 мм
Время работы инструмента, мин 15 30 45 60 75 90 105 120 130
Средняя нагрузка, % 18 25 29 36 39 43 41 48 51
Уменьшение глубины резания привело к снижению нагрузки на шпинделе с 43% до 41%. Далее она равномерно возрастала до 51%. На 120-ой—130-ой минутах работы происходило скачкообразно возрастание нагрузки с 51% до 63%. Такой характер изменения нагрузки соответствовал критическому износу инструмента, при которой происходила его поломка. На рис. 5 представлен график изменения нагрузки в зависимости от времени работы инструмента.
Экспериментальная кривая — — Теоретическая кривая Рис. 5. Изменение нагрузки от времени работы инструмента
Контроль обработанных поверхностей показал, что при уменьшении глубины резания они вновь стали соответствуют требованиям, заложенным в чертеже.
Замер периода стойкости инструмента показал, что 93% используемых пластин стабильно выдерживают 90 минут работы с глубиной резания 3 мм и 25-30 минут при глубине резания 2 мм. Таким образом, средний период стойкости инструмента составляет 110-120 минут.
По результатам выполнения экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Экспериментальные исследования подтвердили возможность использования встроенной системы контроля нагрузки на шпинделе и приводах подачи для мониторинга состояния режущего инструмента в процессе обработки.
2. Достоверность графиков, построенных по результатам экспериментов подтверждается известными теоретическими зависимостями, представленными в ряде работ по обработке резанием.
3. Анализ степени износа режущих пластин подтвердил выдвинутое теоретическое предложение о возможности продления их работоспособности путем корректировки глубины резания.
4. Промышленная апробация разработанной методики показала её экономическую эффективность, выраженную в увеличении периода стойкости инструмента и как следствие снижение затрат на его приобретение.
Список литературы
1. Баранчиков В.И., Тарапанов А.С. Харламов Г.А. Обработка специальных материалов в машиностроении, справочник. М.: Машиностроение, 2002. 264 с.
2. Безъязычный В.Ф., Аверьянов И.Н., Кордюков А.В. Расчет режимов резания: учебное пособие. Рыбинск, 2009. 185 с.
3. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов: учебное пособие. М.: Машиностроение, 1975. 344 с.
4. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. М.: Высшая школа, 1985. 304 с.
5. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. Л.: Машиностроение, 1986. 184 с.
6. Руководство по металлообработке «Technical Guide» фирмы «SANDVIK Coromant». М., 2010. 617 с.
7. Справочник по резанию материалов GARANT // Институт Фраунгофера, Германия. 2010. 842 с.
8. Технология обработки металлов резанием: учебное пособие фирмы «SANDVIK Coromant» М., 2009. 346 с.
Жмурин Владимир Викторович, канд. техн. наук, доцент, vladimir_zhmurin@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Хрячкова Валерия Валериевна, канд. техн. наук, доцент, hryachkovavv@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
CONTROL OF THE TECHNOLOGICAL PROCESS OF PROCESSING STAINLESS STEELS AND INDUSTRIAL TESTING OF THE METHODOLOGY FOR ASSIGNING CUTTING MODES
V.V. Zhmurin, V.V. Khryachkova
The article presents the results of research aimed at optimizing the technological process of processing stainless steels, studying the relationship between the degree of tool wear and the load on the drive of the main movement of a multipurpose machine. Based on the results obtained, a curve describing tool wear during milling of stainless steel grade 25X17N2BSH was constructed.
Key words: cutting modes, monitoring of the cutting process, tool wear, spindle load, tool durability.
Zhmurin Vladimir Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, vladimirzhmu-rin@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Khryachkova Valeria Valeryevna, candidate of technical sciences, docent, hryachko-vavv@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
