CC BY
9
УДК 621.914.22
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-6-239-244
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПЕРИОДА СТОЙКОСТИ КОНЦЕВОЙ
ФРЕЗЫ ПРИ ОБРАБОТКЕ СТЕКЛОТЕКСТОЛИТА НА ОСНОВЕ МНОГОФАКТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Н.Н. Трушин, В.Н. Лисицин, А.Ю. Лазарев
В данной работе рассмотрена процедура многофакторного эксперимента для определения зависимости периода стойкости концевой фрезы от скорости фрезерования, скорости подачи и ширины фрезерования после обработки контура заготовки печатной платы из листового стеклотекстолита. Многофакторный эксперимент осуществлен для двух марок нефольгированного стеклотекстолита СОНФМ и СТЭФ-У. В качестве режущего инструмента использовались два типа концевых фрез диаметром 2,5 мм. Всего выполнено четыре вида экспериментов, состоящих из 15 серий по три повторения в каждой. Целью данной работы является последующее определение математической зависимости периода стойкости концевых с помощью полученных статистических данных, подтвержденных практической работой, а также определение адекватности полученной модели. Эксперименты проводились в следующих диапазонах параметров: скорость резания от 100 до 250 м/мин, скорость подачи от 0,5 до 1,2 м/мин, ширина резания от 3,5 до 5,5 мм. После проведения экспериментов получены статистически значимые данные периода стойкости концевых фрез. Оценка периода стойкости фрез проводилась по технологическому критерию, а именно - выход за допустимую шероховатость поверхности. Рассмотрены особенности проведения многофакторного эксперимента для трех факторов, в том числе применение «звездных плеч».
Ключевые слова: контурное фрезерование, концевая фреза, стеклотекстолит.
Введение. Механическая обработка композиционных неметаллических материалов, в том числе и обработка резанием, обладает рядом особенностей, отличающих ее от аналогичной обработки металлов. Эти особенности объясняются характерными свойствами и структурой обрабатываемых композиционных материалов, поэтому прямой перенос закономерностей процесса резания металлов на эти материалы недопустим, несмотря на непрерывное совершенствование технологий в области обработки материалов. Специфические свойства композиционных неметаллических материалов вызывают трудности при изготовлении изделий из них с применением режущего инструмента, возрастают требования к износостойкости и качеству подготовки инструмента. Применяемые в настоящее время режущие инструменты и режимы обработки не позволяют обеспечить требуемого качества изделий. Режущий инструмент интенсивно изнашивается, быстро теряет свою работоспособность, в результате чего возрастают затраты на его эксплуатацию, увеличивается количество бракованных изделий. В результате указанные технологические трудности приводят к снижению объема механической обработки при изготовлении деталей из современных композиционных материалов, что ограничивает область их применения [1].
C целью определения математической зависимости периода стойкости концевых фрез от скорости фрезерования, скорости подачи и ширины фрезерования после обработки контура заготовки печатной платы из листового стеклотекстолита необходимо провести многофакторный эксперимент. Для проведения практической работы имеются два вида инструмента, две марки материала и одна единица технологического оборудования [2]. Подробное описание инструмента, материала, станка и подготовка к эксперименту представлена в работах [3-9].
Всего необходимо было провести четыре вида экспериментов:
- обработка контура заготовки печатной платы из стеклотекстолита СТЭФ-У концевой фрезой тип «1»;
- обработка контура заготовки печатной платы из стеклотекстолита СОНФМ концевой фрезой тип «1»;
- обработка контура заготовки печатной платы из стеклотекстолита СТЭФ-У концевой фрезой тип «2»;
- обработка контура заготовки печатной платы из стеклотекстолита СОНФМ концевой фрезой тип «2».
Главным критерием, который оценивался в ходе проведения экспериментов, -период стойкости концевой фрезы.
Постановка опытов и обработка опытных данных для полного факторного эксперимента, при котором все уровни одного фактора комбинируются со всеми уровнями остальных факторов, осуществлялась следующим образом [2]. Значения каждого фактора, которые принимают при постановке опытов, называют уровнями варьирования данного фактора. Уровни варьирования чаще всего находятся в граничных точках интервала варьирования. Чтобы реализовать модель первого порядка (полином первой степени), необходимо проводить опыты на двух уровнях. При реализации модели второго порядка (полином второй степени) каждый фактор меняют трижды и дополнительно используют нулевой уровень (значение фактора в центре интервала варьирования).
При составлении матрицы планирования натуральные значения факторов переводят в кодированные. Для перевода применяли следующую формулу:
гу _ 2(ху—хтдх) (1)
^ _ „ -у ■ ' (1)
где xi - значение фактора, взятое внутри интервала варьирования в натуральных единицах измерения; zi - его кодированное значение; Хтах, Хтт - граничные значения интервала варьирования.
Из приведенной формулы следует, что верхний уровень варьирования будет обозначен (+1), так как при xi= Хтах..^=(-1). Нулевой уровень соответствующий х^ =
хтах~^хт1п „„ „ _р.
---, равен zi=0.
Порядок проведения эксперимента определяется матрицей планирования. При использовании модели первого порядка число опытов N которые необходимо поставить, определяется формулой:
М = 2к, (2)
где 2 - число уровней варьирования факторов, к - число факторов. Для эксперимента с тремя факторами без учета применения «звездных плеч» имеем восемь опытов.
С целью проведения многофакторного эксперимента определим уровни варьирования факторов с учетом режимов, определенных в научной, технической литературе и полученных в работах [1, 5, 6] в зависимости от типа конструкций, материала инструмента и обрабатываемого материала. Установим их среднее значение как основной уровень, а наименьшее и набольшее значения как верхний и нижний уровень варьирования факторов эксперимента.
Интервалы, уровни варьирования, закодированные обозначения факторов и периода стойкости представлены в табл. 1.
Таблица 1
Уровни варьирования факторов__
Факторы Скорость резания, м/мин Подача, м/мин Ширина резания, мм Стойкость, мин
Обозначения V S Ь Т
Обозначение в МФЭ х1 х2 хз Y
Верхний уровень (+1) 250 1,2 5,5
Основной уровень (0) 175 0,85 4,5
Нижний уровень (-1) 100 0,5 3,5
После определения пределов изменения факторов нижнему пределу присваиваем значение «-1», среднему значению - «0», верхнему пределу - «1». Находим значения факторов, соответствующие «звездным плечам» по формулам:
Ф^ (1,2154) = Ф^ • 1,2154, (3)
Ф^-1,2154) = Ф^ • -[ФГ1 • (-0,2154)], (4)
где Ф1(1,2154) - большее звездное плечо; Ф^ - значение 1-го фактора, соответствующее индексу «1» (большему пределу изменения фактора); Ф1(-1,2154) - меньшее звездное плечо, ФГ1- значение 1-го фактора, соответствующее индексу «-1» (меньшему пределу изменения фактора).
Ортогональное планирование позволяет получить независимые оценки коэффициентов регрессии с минимальной дисперсией. Ортогональность центрально-композиционного плана обеспечивается соответствующим подбором звездного плеча а (для трех факторов а = 1,2154) и специальным преобразованием квадратичных переменных Х1 (в = 0,2697, у = 0,7469, X = 0,7303).
*и =х? (5)
где d - поправка, зависящая от числа факторов, для трех факторов d=0,7303.
После определения уровней варьирования и звездных плеч составим закодированную матрицу планирования эксперимента. Матрица планирования и проведения эксперимента представлена в табл. 2.
Таблица 2
Матрица планирования многофакторного эксперимента
№ п/п V,м/м ин s, м/мин Ь,мм х1 х2 х3 х1 х2 х1 х3 х2 х3 х1 х2 х3 х11 х22 х33 ^-4
1 100 0,5 3,5 1 1 1 1 1 1 1 в в в
2 250 0,5 3,5 1 1 -1 -1 1 в в в
3 100 1,2 3,5 1 1 -1 1 в в в
4 250 1,2 3,5 -1 1 1 -1 -1 1 в в в
5 100 0,5 5,5 1 1 -1 1 в в в
6 250 0,5 5,5 1 1 -1 1 в в в
7 250 1,2 5,5 1 1 1 в в в
8 100 1,2 5,5 -1 -1 1 1 1 в в в
9 82 0,85 4,5 а 0 0 0 0 0 0 У - X - X
10 300 0,85 4,5 -а 0 0 0 0 0 0 У - X - X
11 175 0,4 4,5 0 а 0 0 0 0 0 -X У - X
12 175 1,5 4,5 0 -а 0 0 0 0 0 -X У - X
13 175 0,85 3 0 0 а 0 0 0 0 -X - X У
14 175 0,85 7.5 0 0 -а 0 0 0 0 -X - X У
15 175 0,85 4,5 0 0 0 0 0 0 0 -X - X - X
Результаты проведенных экспериментов представлены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты проведения многофакторного эксперимента (начало)
№ опыта № повторения Yl, мин Y2, мин Yз, мин Y4, мин
1 1 61 66 27 29
2 62 65 26 29
3 61 67 27 28
2 1 54 57 32 34
2 51 58 33 35
3 53 56 31 34
3 1 23 25 21 23
2 20 24 22 23
3 21 23 20 23
4 1 23 24 20 29
2 21 23 21 29
3 19 25 19 28
5 1 69 73 23 26
2 68 74 24 25
3 66 72 23 26
Таблица 3
Результаты проведения многофакторного эксперимента (окончание)
№ опыта № повторения Y1, мин Y2, мин Y3, мин Y4, мин
6 1 62 65 28 31
2 61 66 27 31
3 60 67 29 30
7 1 22 24 18 26
2 19 25 17 25
3 21 23 16 25
8 1 21 22 18 20
2 22 24 17 21
3 19 23 19 20
9 1 45 51 33 42
2 46 50 32 41
3 45 49 32 41
10 1 42 45 35 43
2 41 44 34 43
3 43 46 36 43
11 1 70 74 38 39
2 71 75 37 38
3 72 73 36 38
12 1 19 23 28 21
2 18 21 29 20
3 17 22 27 21
13 1 70 72 79 78
2 73 74 80 78
3 72 75 78 78
14 1 71 72 72 76
2 68 73 73 75
3 67 71 74 75
15 1 70 71 77 78
2 71 70 75 78
3 69 69 74 77
С целью проведения последующего статистического анализа для каждого эксперимента было сделано три повторения и определены периоды стойкости фрез, где:
- Yi - период стойкости концевой фрезы «тип 1» при обработке стеклотекстолита СОНФМ;
- Y2 - период стойкости концевой фрезы «тип 1» при обработке стеклотекстолита СТЭФ- У;
- Y3 - период стойкости концевой фрезы «тип 2» при обработке стеклотекстолита СОНФМ;
- Y4 - период стойкости концевой фрезы «тип 2» при обработке стеклотекстолита СТЭФ- У.
Критерием технологического износа инструмента является выход за допустимую шероховатость поверхности. Опытным путем установлено, что при уменьшении диаметра фрезы на величину от 90 до 100 мкм шероховатость поверхности контура печатной платы становится более Rz40 [10]. Поэтому максимальную стойкость инструмента будем рассматривать как уменьшение диаметра фрезы на 90 мкм.
Заключение. По результатам многофакторного эксперимента были определены периоды стойкости инструмента согласно заданным режимам резания. Данные полученные в ходе экспериментов необходимы для получения математической зависимости периода стойкости концевой фрезы и проверки адекватности, полученной зависимости.
Список литературы
1. Trushin N.N., Lisitsin V.N. Experimental study of fiberglass plastic work pieces contour milling. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2018. 327. 042110. DOI: 10.1088/1757-899X/327/4/042110.
2. Емельянов А.М., Гуров А.М. Элементы математической обработки и планирования инженерного эксперимента. Методические указания. Благовещенск: БСХИ, 1984. 63 с.
3. Каталог оборудования и инструментов фирмы Schmoll. [Электронный ресурс] URL: http://www.schmoll-maschinen.de/en/applications.html (дата обращения: 21.04.2022).
4. Каталог расходных материалов и инструментов фирмы «Остэк». [Электронный ресурс] URL: http://www.ostec-st.ru/catalog/equipment/frezy-i-svyerla/sbf-freza-s-malym-zubom-i-bolshim-strnzhechnym-kanalom-vershina-frezy-lastochkin-khvost (дата обращения: 21.04.2022).
5. Лисицин В.Н., Трушин Н.Н. Исследование процесса фрезерования стеклотекстолита марки СОНФМ концевой фрезой типа CBD // Современные технологии в машиностроении и литейном производстве. Материалы IV Международной научно-практической конференции. Чебоксары: Изд-во ЧГУ, 2018. С. 403-410.
6. Лисицин В.Н., Трушин Н.Н. Качество поверхности листового стеклотекстолита после контурного фрезерования // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 1. С. 76-84.
7. Стеклотекстолит нормированной горючести фольгированный модифицированный СОНФМ. ТУ 2296-001-40230483-01.
8. Стеклотекстолит электротехнический листовой марки СТЭФ-У. Технические условия. 16-89 И79.0066.002 ТУ.
9. ГОСТ 12652-74. Стеклотекстолит электротехнический листовой. Технические условия. М.: ИПК Издательство стандартов, 2008. 14 с.
10. ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики. М.: ИПК Издательство стандартов, 2018. 7 с.
Трушин Николай Николаевич, д-р техн. наук, профессор, itmytrue@ inbox.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Лисицин Владимир Николаевич, начальник сектора, itmytrue@inbox.ru, Россия, Тула, АО «Конструкторское бюро приборостроения имени академика А.Г. Шипунова»,
Лазарев Андрей Юрьевич, аспирант, lazanur@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
RESTORATION THE END MILL RESISTANCE PERIOD WHEN FIBERGLASS CUTTING BASED ON MULTIFACTORIAL EXPERIMENT
N.N. Trushin, V.N. Lisitsin, A.Y. Lazarev
In this paper, a multifactorial experiment was carried out to determine the dependence of the durability period of the end mill. A multifactorial experiment was carried out for two brands of non-foiled fiberglass. Two types of mills with a diameter of 2.5 mm are used. In general, four types of experiments were performed, consisting of 15 series of three repetitions each. The purpose of the work is the subsequent determination of the mathematical dependence of the period of resistance of the ends with the help of the obtained statistical data, confirmed by practical work, as well as the determination of the adequacy of the obtained model.
Key words: contour milling, end mill, fiberglass.
Trushin Nikolay Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, itmytrue@inbox.ru, Russia, Tula, Tula state University,
Lisitsin Vladimir Nikolaevich, Head of the Sector, itmytrue@inbox.ru, Russia, Tula JSC «Instrumental Design Bureau named after academician A. G. Shipunov»,
243
Lazarev Andrey Yurievich, postgraduate, itmytrue@inbox.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.9; 62-294
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-6-244-254
ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УПРУГИХ ДЕФОРМАЦИЙ НЕЖЁСТКИХ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ ЗУБЧАТЫХ КОЛЁС ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИХ ОБРАБОТКИ
А.С. Серков, В.Б. Масягин
В работе приведена рекомендация и способ эффективного использования упругих деформаций нежёстких заготовок деталей типа зубчатых колёс для увеличения точности их обработки. Приведён пример использования 3-х кулачкового патрона для имитации работы 12-ти кулачкового патрона. Даны рекомендации эффективного использования данного способа для нежёстких заготовок зубчатых колёс, шестерней, сателлитов и т. п. деталей.
Ключевые слова: Упругие деформации (перемещения) контура отверстия зубчатых колёс, шестерней и сателлитов.
Производство точных нежёстких деталей типа зубчатых колёс, шестерней, сателлитов и т. п. деталей, имеет свои нюанса и трудности, связанные с обеспечением точности формы обрабатываемых поверхностей таких деталей.
Механизм возникновения отклонений размеров и формы обработанных поверхностей, вызванных вследствие возникновения упругих деформаций при разных схемах закрепления принципиально одинаков (рис. 1-7). Заготовка зубчатого колеса, из-за действия сил закрепления упруго деформируется, после чего механически обрабатывается (точение, фрезерование, шлифование, и т. д.), а затем раскрепляется и при этом упругие деформации исчезают, в результате чего обработанные поверхности изменяют свои формы, размеры и своё расположение. Важно отметить, что возникшие отклонения размеров, формы и расположения поверхностей готовых деталей равны по величине, но противоположны по направлению отклонениям, возникающим при закреплении заготовок до механической обработки. Такой эффект можно использовать во благо при обработке нежёстких зубчатых колёс для обеспечения необходимых размеров, форм и точности обработки.
Правильный подход в проектировании технологического процесса механосборочного производства требует тщательного учёта влияния технологии на качество и надёжность выпускаемой продукции, поэтому исследование упругих деформаций нежёстких заготовок зубчатых колёс, вызванных в результате закрепления их в станочных приспособлениях привлекает всё большее внимание.
При закреплении нежёстких заготовок зубчатых колёс погрешность формы зависит от числа кулачков и усилия закрепления, что доказано в работах [1-17] а именно, что при увеличении количества зажимных кулачков погрешность геометрической формы готовых деталей заметно уменьшается, остаётся только погрешность размера.
Технологической наследственностью называется перенесение на готовое изделие в процессе его обработки погрешностей, механических и физико-химических свойств исходной заготовки или свойств и погрешностей, сформировавшихся у заготовки на отдельных операциях изготовления изделия [18].
244
