Характеристическая функция производительности резания, стойкость инструмента в процессе попутного тангенциального точения

Характеристическая функция производительность резания - стойкость инструмента для процесса попутного тангенциального точения

В.А. Залога, д-р техн. наук;

Г.Г. Лагута, канд. техн. наук;

К.А. Дядюра, канд. техн. наук;

В.В.Ольховик

Сумский государственный университет

В работе были получены выражения для характеристических функций, которые позволяют назначать оптимальную производительность резания в зависимости от принятой стойкости инструмента для процесса попутного тангенциального точения (ПТТ). Этот результат подтверждает ранее высказанную гипотезу о существовании характеристических функций для процесса ПТТ.

Опыт современного машиностроения показывает, что наибольшая эффективность обработки материалов резанием может быть достигнута при совмещении и непрерывном выполнении нескольких последовательных операций на одном станке, работающем в автоматическом режиме. Часто это связано с реализацией нестационарных процессов резания. Одним из таких процессов является попутное тангенциальное точение (ПТТ), которое, благодаря его кинематическим и физическим особенностям, позволяет совместить на одном станке черновую и чистовую обработку путем реализации роторного принципа ее организации, что существенно повышает производительность обработки и уменьшает количество единиц оборудования.

Однако в настоящее время отсутствуют надежные рекомендации по назначению рациональных параметров обработки в условиях ПТТ - инструментального материала, геометрических и конструкторских элементов инструмента, параметров режима резания. Кроме того, опыт эксплуатации оборудования, в котором реализовано ПТТ, свидетельствует о повышенной интенсивности отказов режущего инструмента. Решение проблемы связано с оптимизацией этого нестационарного процесса резания.

При оптимизации процесса эксплуатации режущего инструмента, как правило, приходится решать противоречивую по своему содержанию задачу многокритериального выбора [1]: оптимальные параметры механической обработки должны одновременно удовлетворять совокупности экономических и технологических критериев, имеющих различную природу и назначение.

Авторами исследований [2, 3] установлено существование зависимости (характеристической функции) «производительность (интенсивность) резания - стойкость инструмента », которая описывает геометрическое место точек, соответствующих всем возможным оптимальным сочетаниям параметров режимам резания для обычно используемых экономических целевых функций, к которым относятся производительность, штучная стоимость и прибыль.

Однако существование характеристической функции в области изменения обычно используемых значений параметров режима резания для процесса ПТТ не является очевидным. В связи с этим проведено экспериментальное исследование с целью подтверждения или опровержения гипотезы о существовании характеристической функции для процесса ПТТ в области обычно реализуемых значений параметров режима резания. Исследование базируется на положениях экономики резания [4].

Производительность резания мм3/с для процесса ПТТ определяли по формуле

, (1)

где - скорость резания, м/с; - подача, мм/об.; - припуск, мм; - ширина срезаемого слоя, мм; - диаметр обрабатываемой поверхности, мм.

Формула (1) является приближенной. В то же время в работе [5] показано, что относительная погрешность при определении производительности резания для процесса ПТТ в пределах представленных ниже условий обработки не превышает 1,2 %.

Исследование влияния параметров режима резания , , на стойкость инструмента в процессе ПТТ проведено на экспериментальной установке [6]. Материал обрабатываемых заготовок - сталь ШХ15. Диаметр обрабатываемой поверхности = 70 мм. Ширина срезаемого слоя = 2,5 мм. Обработку производили резцами с механическим креплением пластин из твердых сплавов Т15К6 и ВК10 с покрытием TiN без применения СОТС. Геометрия режущей части инструмента: = 0, = 7, = 17,5, = 0. Износ задней поверхности = 0,2 мм.

Эксперимент был проведен в соответствии с матрицей ортогонального планирования второго порядка для трех параметров режима резания , , . Пределы изменения параметров режима резания: = 0,90 - 7,27 м/с; = 0,4 - 1,6 мм/об; = 0,4 - 1,6 мм (табл.1).

Таблица 1 - План эксперимента. Результаты эксперимента

В качестве модели стойкости инструмента для процесса ПТТ принят логарифмический полином вида

(2)

где b0, b1, …, b33 -коэффициенты полинома.

После обработки экспериментальных данных получены коэффициенты моделей (2) стойкости инструмента (табл.2).

Таблица 2 - Коэффициенты в моделях стойкости инструмента

В исследовании [4] предложены аналитическая и геометрическая интерпретации характеристической функции для двух переменных режима резания в виде

. (3)

Осуществим переход от модели вида (2) к моделям вида (3), полагая постоянными значения припуска, например, с дискретностью 0,1 мм в пределах его изменения от 0,4 мм до 1,6 мм. В этом случае значения коэффициентов b0, b1, и b2 необходимо пересчитать, а значения коэффициентов b3, и b33 приравнять нулю. Примеры такого решения представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Коэффициенты в моделях стойкости инструмента, = const

Поскольку для процесса ПТТ производительность резания (1) прямо пропорционально зависит от скорости резания и подачи , если значение припуска постоянно, а уравнение стойкости представлено логарифмическим полиномом (3), то согласно [4] характеристическая функция представляет собой экспоненту в координатах , а именно:

,

Где

.

Примеры расчетов постоянных характеристической функции и в зависимости от значения припуска представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Расчет постоянных характеристической функции

Согласно [4] уравнение характеристической функции в логарифмических координатах имеет вид

, (4)

Где

5)

, (6)

.

Постоянную в формулах (5) и (6) определяют из (1) в зависимости от значений величины припуска для процесса ПТТ.

Результаты расчета постоянных , и обеспечили получение уравнений характеристической функции вида (4), примеры которых представлены в таблице 5.

Постоянные в уравнениях характеристических функций вида (4) - отрицательны (табл. 5). Это признак того, что характеристические функции вида (4) имеют максимум. Если продифференцировать уравнение (4) по и положить

,

то в результате получим

. (7)

Таблица 5 -Характеристические функции в зависимости от величины припуска

Расчет производительности резания по формуле (7) показал, что, к сожалению, «максимальные» значения стойкости инструментов, которыми производили обработку в нашем исследовании, не обеспечиваются реализованными значениями параметров режима резания. Авторы не исключают существования таких оптимумов при условии применения, например, других инструментальных материалов.

По уравнениям характеристических функций вида (4) осуществлен расчет значений стойкости инструмента в зависимости от производительности резания. Пределы ее изменения составили от 136 мм3/с до 2198 мм3/с.

Анализ расчетных значений стойкости инструмента (рис.1) показал, что участок каждой характеристической функции в координатах может быть представлен степенной зависимостью (табл.5).

Таким образом, получены выражения для характеристических функций, которые позволяют назначать оптимальную производительность резания в зависимости от принятой стойкости инструмента для процесса ПТТ. Этот результат подтверждает ранее высказанную гипотезу о существовании характеристических функций для процесса ПТТ.

Список литературы

Залога В.А., Приходько В.В., Гребенюк А.Г. Методика исследования сил резания при попутном тангенциальном резании // Вестник Сумского государственного университета. - Сумы: СумГУ. _ 1996. - №5. - С.44-49.

Ольховик В.В., Дядюра К.А., Лагута Г.Г., Залога В.А. Расчет производительности резания при тангенциальном точении // П'ята Всеукраїнська молодіжна науково-технічна конференція «Машинобудування очима молодих: прогресивні ідеї - наука - виробництво». - Суми: СумДУ, 2005 - С.65-67.

Старков В.К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве. - М.: Машиностроение, 1989. - 296 с.

Тверской М.М. Автоматическое управление режимами обработки на станках. - М.: Машиностроение, 1982. - 208 с.

Фридман [M.Y.Friedman], Типнис [V.A.Tipnis]. Характеристические функции интенсивность резания - стойкость инструмента для процессов резания. Часть 1. Теория = Cutting Rate-Tool Life Characteristic Functions for Material Removal Processes. Part 1: Theory // Труды американского общества инженеров-механиков; Сер.B, Конструирование и технология машиностроения. - М.: Мир. _ 1976. - № 2. - С.100-107.

Фридман [M.Y.Friedman], Типнис [V.A.Tipnis]. Характеристические функции интенсивность резания - стойкость инструмента для процессов резания. Часть 2. Проверка теории и применение = Cutting Rate-Tool Life Characteristic Functions for Material Removal Processes. Part 2: Verification and Applications // Труды американского общества инженеров-механиков; Сер.B, Конструирование и технология машиностроения. - М.: Мир, 1976. - № 2. - С. 108-118.