книги из ГПНТБ / Корытин, А. М. Оптимизация управления металлорежущими станками

стемы СПИД при обработке с заданной точностью позволяет повысить ее производительность.

С жесткостью системы СПИД в значительной степени свя­ заны также вибрации, возникающие при обработке резанием и порождающие дополнительную шероховатость и волнистость поверхности детали, повышающие интенсивность износа инстру­ мента. Увеличение жесткости системы СПИД снижает уровень вибраций. Влияние на точность обработки нагрева детали, ре­ жущего инструмента в значительной степени уменьшается при использовании обильного охлаждения.

Случайные погрешности для различных деталей в пределах партии имеют различные значения и вызывают рассеяние раз­ меров деталей, обработанных при одних и тех же условиях. Рассеяние размеров вызывается совокупностью многих причин случайного характера, основными среди которых являются [22]: колебания твердости обрабатываемого материала; величины сни­ маемого припуска; положения заготовки в приспособлении, связанные с погрешностями ее установки и базировки; темпе­ ратурного режима обработки; упругих отжатий элементов си­ стемы СПИД под влиянием нестабильных сил резания; износ инструмента и др.

Совокупность значений действительных размеров деталей, обработанных при неизменных условиях с указанием частоты повторения этих размеров, называется распределением разме­ ров деталей. Характеристиками распределения случайной вели­ чины являются средний размер и среднее квадратическое от­

В первом приближении кривые распределения размеров дета­ лей при механической обработке на настроенных станках при автоматическом получении размеров совпадают с кривыми, со­ ответствующими закону нормального распределения (закону Гаусса):

Разница между наибольшим и наименьшим размерами дета­ лей данной партии характеризует поле рассеяния.

20

Определив значение среднего квадратического отклонения, можно найти величину поля рассеяния

Др = бег.

Таким образом, среднее квадратическое отклонение является мерой рассеяния или мерой точности.

Управление точностью процесса обработки может осущест­ вляться перемещением инструмента на определенную величину через заранее установленные промежутки времени и компенса­ цией, таким образом, влияния переменных систематических по­ грешностей. Точность обработки повышается, если момент пере­ мещения инструмента определяется на основе измерений дей­ ствительных размеров обрабатываемых деталей. В этом случае автоматическая система должна содержать точное измери­ тельное устройство обрабатываемой детали и привод, осущест­ вляющий малое перемещение инструмента.

Задача уменьшения поля рассеяния размеров деталей, вызы­ ваемого случайными погрешностями обработки, может быть решена при управлении точностью обработки по входным дан­ ным: размерам припуска и твердости материала заготовки. При этом после измерения размеров и твердости заготовок последние сортируют на группы и вносят в размер статической настройки станка необходимые поправки, учитывающие различную вели­ чину упругих отжатий системы СПИД при обработке заготовок разных групп. Сокращение поля рассеяния размеров, связан­ ного с влиянием случайных погрешностей, и уменьшение пере­ менной систематической погрешности могут быть достигнуты путем измерения расстояния от режущих кромок инструмента, определяющих положение обрабатываемых деталей, до базы станка или приспособления и автоматического перемещения инструмента относительно детали. Трудность реализации малых перемещений узлов станка ограничивает применение этого ме­ тода управления.

Находит применение метод управления точностью обработки [6] путем изменения жесткости одного из элементов системы СПИД (обычно резцедержателя) по заранее установленной программе. Программа учитывает систематические погрешности станка (износ станины станка, несовпадение центров) и пере­ менные систематические погрешности, связанные с изменением жесткости системы по длине обработки детали. Требованиеизменения жесткости с высоким быстродействием затрудняет реализацию этого перспективного метода.

Управление точностью обработки можно производить путем компенсации упругих перемещений в системе СПИД, вызван­ ных колебаниями припуска и твердости заготовки, используя подачу в качестве параметра .управления силой резания [б]. При этом никаких относительных перемещений узлов станка осуществлять не требуется. Из перечисленных выше методов

21

управления точностью обработки в настоящей книге рассматри­ вается только последний, предложенный Б. С. Балакшиным.

Эксплуатационные свойства деталей машин в значительной: степени зависят от шероховатости поверхности. В соответствии с ГОСТ 2789—59 шероховатость поверхности определяется средним арифметическим отклонением профиля Ra либо высо­ той неровностей Rz-

Среднее арифметическое отклонение профиля—-это среднее значение расстояний (у\, у2, .... уп) от точек измеренного про­ филя до его средней линии, причем расстояния до средней линии суммируются без учета алгебраического знака:

приближенно

п

п ^ 1

где / — базовая длина участка поверхности, выбираемая для измерения шероховатости без учета других видов неровностей, имеющих шаг более I; п — количество измерений.

Высота неровностей — это среднее расстояние между нахо­ дящимися в пределах базовой длины пятью высшими точками выступов и пятью низшими точками впадин, измеренное от ли­ нии, параллельной средней линии:

большое число факторов: параметры режима резания, условия охлаждения и смазки инструмента, геометрия и стойкость режу­ щего инструмента, состояние используемого оборудования и др.. Так, при точении на шероховатость поверхности сильнее всего влияют скорость резания, подача, радиус закругления при вер­ шине резца г и вспомогательный угол в плане фЬ При обработке углеродистых конструкционных сталей в зоне малых скоростей резания (и=1 м/мин) высота неровностей незначительна [22]. С ростом скорости высота неровностей увеличивается, достигая при скорости 20—40 м/мин наивысшего значения, многократно превосходящего расчетную величину. Дальнейший рост скорости приводит к уменьшению высоты неровностей, которая при ско­ ростях 60—70 м/мин снова становится незначительной.

Высота неровностей в зависимости от подачи й радиуса за­ кругления резца [38]

(2>

22

Здесь имеется в-виду поперечная шероховатость, т. е. шеро­ ховатость, измеренная в направлении подачи. Выражение (2) учитывает геометрические причины возникновения шероховато­ стей. Вибрации при резании и пластические деформации металла искажают картину, полученную при геометрическом расчете шероховатости, увеличивая последнюю, и вызывают появление продольной шероховатости, т. е. шероховатости, измеренной в направлении, скорости резания.

Размеры поперечной шероховатости обычно в 2—3 раза пре­ восходят величину продольной шероховатости [22], поэтому, оценку класса чистоты поверхности в этих случаях производят измерением поперечной шероховатости. Продолжительность ра­ боты режущего инструмента между его переточками, в пределах которой достигается требуемая шероховатость поверхностей де­ талей, характеризует технологическую стойкость инструмента по шероховатости. Экспериментально установленные значения тех­ нологической стойкости по шероховатости для основных методов чистовой обработки приведены в книге [22].

Применение смазывающе-охлаждающих жидкостей умень­ шает трение при стружкообразовании и снижает высоту неров­ ностей обрабатываемой поверхности. Поскольку режим резания ■оказывает непосредственное влияние на точность обработки и на шероховатость поверхности, в последующих главах при рас­ смотрении систем оптимизации управления режимами резания отмечается их влияние на точность обработки и шероховатость поверхности.

.3. Износ режущего инструмента

Износ режущего инструмента является одним из основных фак­ торов, препятствующих повышению режимов резания и огра­ ничивающих производительность станков. Износ инструмента, являясь весьма сложным физическим процессом, возникает в ре­ зультате перемещения стружки и обработанной поверхности детали относительно рабочих поверхностей инструмента в усло­ виях повышенных температур и больших давлений. Несмотря па большое количество работ, посвященных изучению износа режущего инструмента, единой теории, охватывающей все1сто­ роны износа режущих инструментов и объясняющей его физи­ ческие причины, в настоящее время еще нет.

Различают следующие основные виды износа: абразивно-ме­ ханический, адгезионный и диффузионный. Кроме того, на износ инструмента могут влиять такие факторы, как выкрашивание и пластическая деформация. В зависимости от типа режущего инструмента, материала заготовки и выбранного режима реза­ ния преобладает один из перечисленных выше видов износа. Рассмотрим основные закономерности износа инструмента. Как известно, при точении износ происходит на трех пересекающихся

23

в вершине резца плоскостях: передней, главной задней и вспо­ могательной задней. Наибольшим является износ по задней по­ верхности резца, поэтому в качестве критерия износа принимают максимальную либо среднюю ширину изношенной контактной площадки по задней поверхности. Кривую износа инструмента (рис. 4) обычно разбивают на три области: приработки, нор­ мального износа и усиленного износа, который заканчивается «посадкой» инструмента. Как видно, период приработки длится весьма кратковременно (область /) и характеризуется сравни­ тельно большим износом. Период нормального износа (об­ ласть II) наиболее продолжительный, при этом износ плавно возрастает. Период усиленного износа (область III) происходит во времени очень быстро и отличается резко возрастающей ско­ ростью износа. Кривая износа характерна как для резцов из быстрорежущей стали, так и для твердосплавного инструмента. Однако в зависимости от режима резания могут наблюдаться количественно иные стадии износа. На рис. 5 показаны кривые износа по задней поверхности резца с пластинкой из твердого сплава Т15К6 [26] при обработке стали 40. При работе твердо­ сплавным инструментом с малыми скоростями резания участок повышенного износа обычно отсутствует, а «посадка» резца со­ провождается выкрашиванием режущей кромки. Из рассмотрен­ ных зависимостей следует, что существуют периоды работы инструмента с постоянной скоростью его износа. При этом вели­ чина' износа, предшествующая периоду усиленного износа, называется оптимальной и обеспечивает минимальную стоимость инструмента, отнесенную на одну деталь. По достижении опти­ мального износа инструментперетачивают. Время работы инструмента между двумя последовательными переточками опре­ деляет его стойкость Т. Последнюю иногда измеряют также длиной пути резца или длиной прохода резца вдоль детали до момента затупления.

24

Зависимость стойкости резца от скорости резания носит экстремальный характер с одним либо двумя максимумами. На рис. 6 показан характер влияния скорости резания на стойкость твердосплавного резца при точении стали [42]. Зависимость T= f(v) имеет один максимум. В диапазоне рабочих скоростей резания (отрезок АБ) зависимость между скоростью резания и стойкостью выражается известным уравнением политропы

где Cv — постоянный коэффициент; т — показатель степени. Выявлению физической сущности приведенной зависимости

посвящено много работ, анализ части которых приводится в мо­ нографии А. А. Авакова [1]. Все соотношения между Г и о базируются исключительно на эмпирических данных.

При чистовой обработке, когда первостепенным является точность и чистота обработанной поверхности, в качестве кри­ терия может быть принят радиальный износ инструмента, изме­ ренный в направлении, нормальном к обработанной поверхности. С точки зрения повышения точности обработки целесообразней определять радиальный износ резца не в зависимости от времени работы, а в зависимости от пути /, пройденного лезвием в ме­ талле (рис. 7). Кривые построены по экспериментальным дан­ ным А. П. Соколовского при обработке легированной отожжен­ ной стали твердосплавными резцами различных марок со скоростью резания 155 м/мин, подачей 0,018 мм/об и глубине резания 0,015 мм.

Наклон прямых в зоне нормального износа определяет его интенсивность. Характеристикой интенсивности радиального

25

Л0.л = — — — мкм/км,

I /н

где hr — радиальный износ, мкм; hn — начальный радиальный износ, мкм; I — путь резания, м; /н —-начальный путь резания, м.

А. Д. Макаровым были введены новые характеристики износа инструмента: скорость размерного износа и поверхностный отно­ сительный износ [21]. Под скоростью размерного износа пони­ мают скорость укорочения инструмента в радиальном направ­ лении за период нормального из-

Характеристики износа vu и /г0.п позволяют более объективно сопоставить режущие свойства инструмента при работе в раз­ личных условиях. Как показали испытания [21], зависимость поверхностного относительного износа от скорости резания при неизменных подаче и глубине резания носит экстремальный характер. Экстремальностьпроявляется более резко при обра­ ботке закаленных и труднообрабатываемых сталей. На рис. 8 приведены характеристики относительного износа резца с пла­ стинкой из сплава Т15К6 при точении закаленной стали ЭХ12М, с глубиной резания 0,25 мм в зависимости от скорости резания, построенные по экспериментальным данным. Существуют ско­ рости резания, обеспечивающие при данной подаче минимальный размерный относительный износ. Д-р техн. наук А. Д. Макаров предлагает взамен общепринятой характеристики обрабатывае­ мости металлов резанием (скорости резания vT при некотором заданном периоде стойкости Т) пользоваться оптимальной ско­ ростью и0, соответствующей точке минимума па кривой h0.п = —f(v). Последняя представляет зависимость поверхностного относительного износа от. скорости резания, в то время как ско­ рость vT ни с какой критической точкой кривой T = f(v) не связана. Поддерживая оптимальную скорость резания при за­ данной подаче, можно осуществлять автоматическое управление

26

.процессом обработки на оптимальных режимах, соответствую­ щих максимуму размерной стойкости инструмента и точности

обработки.

На основании изложенного можно сделать вывод, что суще­ ствует два различных подхода к выбору оптимального режима резания. В основе первого лежит понятие временной стойкости инструмента, в основе второго — понятие минимума поверхност­ ного относительного износа инструмента.

4. Температура резания

Износ и стойкость режущих инструментов находятся в непо­ средственной зависимости от температуры резания, которая возникает в результате пластической деформации обрабатывае­ мого металла впереди резца и под резцом, а также трения на передней и задней гранях резца в точках контакта со стружкой и поверхностью среза.

Температура режущих поверхностей инструмента впервые была определена в 1914 г. Я. Г. Усачевым методами искусствен­ ной и полуискусственной термопар. В первом случае температура резания измеряется с помощью термопары, вставленной в от­ верстие, просверленное в теле резца и подходящее возможно ближе к режущей кромке. Во втором случае термопара обра­ зуется за счет соединения проволоки, например, константановой, с телом резца, для чего проволока, изолированная от стенок просверленного в резце отверстия, расклепывается на задней грани возможно ближе к режущей кромке. К недостаткам опре­ деления температуры с помощью искусственной и полуискусст­ венной термопар следует отнести возможность измерений лишь в одной, произвольно выбранной точке резца, нетехнологичность изготовления, недолговечность из-за износа резца, занижение показаний температуры, которое тем значительней, чем дальше от источника тепла удалена термопара, невозможность приме­ нения при резании с малыми величинами толщины и ширины среза, наличие транспортного запаздывания.

В 1926 г. Герберт и Готвейн независимо друг от друга приме­ нили при измерении температуры резания метод естественной термопары, т. е. термопары, состоящей из детали и режущего инструмента. Метод измерения температуры резания с помощью ■естественной термопары инструмент—деталь благодаря про­ стоте применения, высокой точности, практической безынерцион­ ное™ и большой чувствительности нашел наибольшее распро­ странение по сравнению с другими методами при исследовании режимов резания. Для измерения температуры резания методом -естественной термопары резец с помощью прокладок изолируется от резцедержателя и осуществляется токоподвод к вращающейся детали и телу резца. Известно несколько конструктивных вариан­ тов выполнения токоподвода к естественной термопаре. Так,

27

Естественная термопара инструмент—деталь дает не абсо­ лютные и не максимальные, а некоторые усредненные значения температуры на гранях резца. Свойство естественной термопары показывать усредненную температуру является чрезвычайно ценным для ее практического применения в технике и промыш­ ленности [45], поскольку возникновение максимальной темпе-

. ратуры в какой-то отдельной точке режущей кромки в ничтожномалый момент времени не характерно для всего процесса в целом. Некоторые исследователи высказывали мнение, что есте­

электрическим током до требуемой температуры и медленно ее обтачивали, обеспечивая сход стружки для того, чтобы темпера­ тура, возникающая при трении стружки и детали о резец, не превосходила температуру нагретой болванки, входящей в со­ став тарируемой термопары резец—деталь.

Проведенные опыты подтвердили, что естественная термо­ пара показывает действительную температуру резания. К этим же выводам приходят многие другие исследователи. А. М. Да­ ниелян указывает, что естественная термопара резец—деталь при одинаковых температурах спаев практически дает одина­ ковые значения электродвижущих сил, не зависящие от механи-

'ческой напряженности места спая. Естественную термопару широко применяют при изучении режимов резания [1, 21, 26]. Зависимость между температурой резания и термо-э. д. с. есте­ ственной термопары аппроксимируется показательной функцией. На рис. 10 приведены градуировочные кривые, построенные для термопар из различных твердых сплавов и стали 40. При изме­ нении температуры в пределах от 300 до 1600° С термо-э. д.с. меняется от 2 до 30 мВ. Следовательно, диапазон измерений устройства, контролирующего температуру режущей кромки в системе автоматической оптимизации режима резания, должен находиться в пределах от 2 до 30 мВ. Я. Г. Усачевым было установлено, что для каждого резца и обрабатываемого мате­

29