Назначение режимов резания на многоцелевых станках на основании критерия интенсивности формообразования

Назначение режимов резания на многоцелевых станках на основании критерия интенсивности формообразования

Д.А. Миненко

Национальный технический университет ХПИ

В статье рассмотрена методика назначения режимов резания на многоцелевых станках на основании критерия интенсивности формообразования. Показано, что оптимальная стойкость инструментов, работающих в наладке, зависит от количества инструментов, коэффициента m в стойкостной зависимости и времени смены инструмента.

Наиболее эффективным видом металлорежущего оборудования для обработки трудоемких и сложных корпусных деталей в условиях многономенклатурного производства являются многоцелевые станки (МС) сверлильно-фрезерно-расточной группы. Реализуемые на них технологические операции отличаются большим числом переходов и разнообразием применяемых режущих инструментов. Доля МС растет за счет сокращения доли универсальных станков. Наиболее интересные разработки в области конструирования МС осуществляются на стыке с фрезерными и агрегатными и происходят в обоих случаях в направлении повышения динамических качеств станков, что привело в результате к появлению высокоскоростных МС. Частота вращения шпинделя современных МС достигает 12, 20, и 42 тысяч об/мин. Применение линейных двигателей позволяет осуществлять ускоренные перемещения со скоростью до 100 м/мин. Время смены режущего инструмента сокращено до 2,4 с. По-видимому, еще до конца этого десятилетия большая часть обычных МС будет вытеснена высокодинамичными многоцелевыми станками, а область применения фрезерных и агрегатных станков сузится еще больше. [1] Другая особенность развития МС - это стремление к комплексной обработке путем проведения различных операций по возможности за один установ с высокой производительностью и без подачи СОЖ. При этом границы между фрезерным многоцелевым станком, токарным центром и, наконец, универсальным многоцелевым станком сегодня весьма размыты.

Современные многоцелевые станки, обладающие улучшенными потребительскими свойствами, в первую очередь, точностью и производительностью обработки резанием, достаточно дороги. Несмотря на то, что в подобных станках наблюдается 3 - 4-кратное повышение производительности по сравнению с традиционными многоцелевыми станками, применение подобного оборудования должно сочетаться с основательной реорганизацией смежного производства у потребителя. В качестве примера можно привести то, что, имея частоту вращения шпинделя 12000 об/мин, подобные станки делают балансировку инструмента совершенно необходимой. Таким образом, приобретая подобное оборудование, потребитель должен быть готов не только к существенным затратам, но и к вытекающим требованиям ко всей технологической цепочке, куда встраивается столь современное оборудование. К сожалению, отечественный потребитель в большинстве своем не готов столкнуться с такими проблемами и предпочитает с меньшими затратами ремонтировать и модернизировать имеющиеся у него станки прежних лет выпуска. К примеру, Ивановский завод тяжелого машиностроения, модернизируя станки моделей ИР 1250 и ИР/ИС 500/800? заменяет УЧПУ на отечественное или импортное фирм “BOSCH”, “FANUC”, повышает частоту вращения шпинделя до 8000 об/мин, увеличивает скорость холостых перемещений до 12-21 м/мин, уменьшает время смены инструмента с 25 до 5 с, оснащает станки датчиками автоматического контроля поломки режущего инструмента, счетчиком контроля стойкости режущего инструмента и др.[2]. Стоимость модернизированного оборудования достаточно высока, что обуславливает высокую стоимость минуты работы такого станка. Это, в свою очередь, требует максимального использования технических возможностей оборудования, в частности, особого подхода к назначению режимов резания, которые должны учитывать особенности данного оборудования и обрабатываемых деталей. В настоящее время для расчета режимов резания на МС пользуются традиционной методикой, положенной в основу общемашиностроительных нормативов режимов резания [3]. Данный метод определения режимов резания имеет ряд недостатков, так как не учитываются конструкторско-технологические особенности обрабатываемой детали, технические возможности конкретного МС, взаимное влияние режущих инструментов, надежность используемых режущих инструментов и др. Вместе с тем эти факторы существенно влияют на производительность.

Современные МС оснащаются инструментальными магазинами имеющими от 6 до 30-40, а иногда и 300 инструментов [1]. Все инструменты взаимосвязаны структурно и предназначены для решения общей технологической задачи - выполнения заданной обработки детали. Особенностью работы инструментов в комплекте является их взаимное влияние, замена или техническое обслуживание одного из инструментов вынуждает простаивать инструменты всего комплекта. Поэтому режимы резания необходимо назначать с учетом суммарных затрат времени на обслуживание инструментов в комплекте. Актуальной является задача установления связи между оптимальной стойкостью инструментов при многоинструментальной обработке, их числом в комплекте, а также особенностями геометрических параметров обрабатываемой детали, техническими возможностями конкретного МС и надежностью используемых режущих инструментов.

Расчеты режимов резания следует производить, используя стойкостную зависимость Тейлора, принятую в общемашиностроительных нормативах [3], так как скорость резания находится в зоне, где стойкостная зависимость хорошо аппроксимируется прямой линией.

Было проведено исследование влияния количества инструментов в комплекте, материала инструментов и заготовки на оптимальную стойкость инструментов. Оптимальной принималась стойкость комплекта инструментов, обеспечивающая максимальную интенсивность формообразования. Интенсивность формообразования комплектом инструментов рассчитывалась по формуле [4]

,

где ni, Soi - элементы режима резания і-м инструментом; N - число инструментов в комплекте; tci - время смены і-го режущего инструмента, мин.; Ti - стойкость і-го инструмента.

Расчеты произведены для сверл с материалом режущей части: быстрорежущая сталь (БС), твердый сплав (ТС). Обрабатываемый материал: сталь конструкционная углеродистая (СК) ув=750 МПа, серый чугун (СЧ) НВ190, ковкий чугун (КЧ) НВ150, сталь жаропрочная (СЖ) 12Х18Н9Т НВ141, алюминиевый сплавов (АЛ) ув=100-200 МПа НВ<65, сталь закаленная (СК) ув=1600-1800 HRC 49-54.

На рисунке 1 приведены графики, характеризующие влияние количества инструментов комплекта на оптимальную стойкость режущих инструментов.

Рисунок 1 _ Условия влияния числа инструментов в комплекте на оптимальную стойкость режущих инструментов при сверлении отверстий

Анализ показал, что с увеличением числа инструментов в наладке прямо пропорционально увеличивается оптимальная стойкость, соответствующая максимальной интенсивности формообразования. Что касается влияния материала режущей части инструмента и обрабатываемого материала, то можно сделать вывод, что и материал инструмента, и обрабатываемый материал влияют на оптимальную стойкость инструментов. Для того чтобы выяснить влияние различных факторов на оптимальную стойкость инструментов, были проанализированы исходные данные, по которым производился расчет. В результате анализа влияния различных факторов сделан вывод, что во всех случаях на оптимальную стойкость инструментов влияет лишь показатель степени m, который характеризует интенсивность изменения V от Т. Зависимость Топт от m показана на рисунке 2.

Рисунок 2 - Зависимость Топт от m. Принято Cv=100, D=50 мм, S=1 мм/об, tс=2 мин

Зависимость влияния времени смены одного инструмента на оптимальную стойкость комплекта приведена на рисунке 3.

Анализ влияния времени смены одного инструмента на оптимальную стойкость комплекта инструментов показал, что с увеличением времени tc от 0,5 минуты до 5 минут значение Топт повышается в 9 раз, что существенно снижает интенсивность формообразования.

Рисунок 3 - Зависимость оптимальной стойкости инструмента от числа инструментов в наладке и времени смены инструмента

Из приведенных выше графиков можно сделать следующий вывод: оптимальная стойкость инструментов, работающих в наладке, зависит от количества инструментов, коэффициента m в стойкостной зависимости и времени смены инструмента.

Список литературы

Карпусь В.Е. Выбор оптимальных исходных режимов многоинструментальной обработки комплектом режущих инструментов // Вестник машиностроения. -2000. -№1. -C. 42-44.

Общемашиностроительные нормативы времени и режимов резания для нормирования работ, выполняемых на универсальных и многоцелевых станках с числовым программным управлением. Часть ІІ. Нормативы режимов резания. -М.: Экономика, 1990.