Фролов ЭМ.Технология изготовления деталей машин

Если получится, что 5^ф > ^т^ то для

выбора режима резания необходимо либо выбрать другой станок, имеющий меньшую мощность двигателя, либо заменить инстру­ мент другим, имеющим более высокую режу­ щую способность.

Графоаналитический метод выбора ре­ жимов резания требует довольно трудоемких вычислений для построения «линии станка» и «линии резца». Поэтому его использование в производственных условиях затруднено.

Сущность машинного метода заключает­ ся в использовании теоретических зависимо­ стей по определению параметров процесса резания, режима обработки, параметров каче­ ства поверхностного слоя и точности обра­ ботки и вычислению экономически обосно­ ванного режима обработки на ЭВМ. В томе IV-3 энциклопедии приведен подход Брян­ ской научной школы технологов (проф. Сус­

лов А.Г.) к расчету оптимальных режимов резания, обеспечивающих требуемые эксплуа­ тационные свойства деталей машин и их со­ единений. В этом томе приводится подход к определению режима обработки, обеспечи­ вающего комплекс параметров качества по­ верхностного слоя и точность обработки, ба­ зирующихся на применении теории подобия к процессу резания, разработанному проф. В.Ф. Безъязычным.

Впроизводственных условиях иногда необходимо обеспечить, наряду с заданной точностью обработки, комплекс параметров, характеризующий поверхностный слой - па­ раметры шероховатости обрабатываемой по­ верхности, величину и степень наклепа, вели­ чину и знак остаточных напряжений с целью обеспечения тех или иных эксплуатационных показателей.

Вэтом случае расчет режимов резания

производится по схеме, указанной на рис. 2.1.3.

X

Свойства Свойства обрабаты­ инстрз^менваемого тального материала материала

{at »Pg»Eg,rp,

(ср)м,...)

где 9 - температура в зоне резания; b - сум­ марная длина рабочей части режущих кромок; Rz - высота неровностей обработанной по­ верхности; б - длина фаски износа по задней поверхности инструмента; aj , bj, х - вели­ чины, зависящие от свойств обрабатываемого

иинструментального материалов.

11.Уточняются параметры среза а^, Ь^, b .

12.Уточняются значения подачи из условия обеспечения требуемой величины остаточных напряжений.

напряжений в поверхностном слое обрабаты­ ваемой детали.

где V - скорость резания, рассчитанная по формуле (2.1.5) с учетом новых значений параметров резания в соответствии с п. 13; ^охл " коэффициент, учитывающий повыше­

ние скорости резания при охлаждении.

15. Определяется максимальная фактическая размерная стойкость инструмента

величины радиального износа к длине пути резания.

16. Рассчитывается число деталей, обработан­ ных за период стойкости,

^0 = V m a x ^ ^ / H O '

где I - число переходов.

Оптимизация технологических условий обработки деталей включает решение различ­ ных технологических, экономических, конст­ рукторских, организационных задач.

В качестве критериев оптимизации обычно принимают: критерий минимальной технологической себестоимости выполнения операции, критерий максимальной произво­ дительности, обеспечивающий наименьшие затраты времени на обработку, и критерий точности обработки и параметров качества поверхностного слоя. Режимы резания, обес­ печивающие минимальную себестоимость, и режимы, соответствующие максимальной производительности, отличаются в основном скоростью резания и стойкостью инструмента.

мальнои производительности больше, а стой­ кость инструмента меньше, что обеспечивает большую производительность, но зато и

большие затраты на инструмент.

Скорость резания v^, обеспечивающая

минимальную себестоимость обработки, больше скорости резания, обеспечивающей минимальный износ инструмента, или опти­ мальной скорости v^ по критерию точности

обработки и параметров качества поверхност­ ного слоя. В общем случае справедливо нера­ венство ^о "^ ^э ^ ^м п (Р^^- 2.1.4). Однако для условий гибких автоматизированных произ­ водств иногда важнее получить меньший из­ нос инструмента и погрешность обработки при незначительном увеличении себестоимо­ сти обработки на данной операции. Это по­ зволит обойтись без введения дополнитель­ ных операций и уменьшить общую себестои­ мость изготовления детали.

Критерий минимальной технологической себестоимости. Технологическая себестои-

мость выполнения операции, зависящая от режимов резания,

С „ х „ = Б с ' м + Б Л м ^ * Г „ ^ , (2.1.13)

где Б^ - полная себестоимость одной минуты работы станка и станочника без затрат на режущий инструмент; t^ - машинное время

обработки; t^^ - время смены затупившегося инструмента; Г^ - затраты, обусловленные

эксплуатацией режущего инструмента за пе­ риод его стойкости между переточками; Г - стойкость инструмента.

Экономический период стойкости инст­ румента, соответствующий минимальной се­ бестоимости обработки.

TJjmft^LL], (2.1.14)

Здесь 3 - стоимость одной минуты работы станка; 3=а^^^^+а^, где а^^^ - заработная

плата рабочего за одну минуту с начисления­ ми; а^ - затраты, связанные с эксплуатацией

станка в течение одной минуты его работы; т - показатель степени, характеризующий влияние стойкости инструмента на скорость резания.

Анализ зависимостей (2.1.13), (2.1.14) позволяет сделать вывод о целесообразности обработки деталей на экономических скоро­ стях резания v^ , обеспечивающих минималь-

Рис. 2.1.4. Влияние скорости резания на размерную стойкость инструмента Т ,

производительность П и себестоимость обработки А

ную себестоимость обработки. Однако при работе на v^ несколько снижается произво­ дительность и уменьшается размерная стой­ кость инструмента.

f^umepuu максимальной производительно­ сти. Для обеспечения максимальной произ­ водительности обработку необходимо вести на скорости резания v^^ , которой соответству­ ет период стойкости инструмента Т^ ^ :

.."•(i-> (2.1.15)

Сопоставив формулы (2.1.14) и (2.1.15), можно заметить, что Т^>Т^„ , ^ так как ско­ рость резания - величина, обратно пропор­ циональная стойкости инструмента, то ско­ рость резания, при которой достигается мак­ симальная производительность, выше эконо­ мической скорости резания, то есть t;^ п > 1^3 • При работе на v^ ^ повышается

производительность, но снижается стойкость инструмента, увеличивается погрешность об­ работки, ухудшается качество поверхностного слоя, повышается себестоимость обработки. Поэтому v^ ^ целесообразно использовать на

промежуточных операциях, где нет жестких требований к качеству поверхностного слоя и точности обработки.

Критерий точности обработки и пара­ метров качества поверхностного слоя. При работе на оптимальной скорости резания v^

обеспечивается наибольшая размерная стой­ кость инструмента Т и минимальный его

износ.

Режимы резания, обеспечивающие за­ данные параметры поверхностного слоя и точности обработки, определяются следую­ щим образом:

(^'y»v) = /(a^,Rz,/i,,P^,rp,a,,£^,T^,P,,H,X,

где р^ - коэффициент температурного ли­ нейного расширения материала обрабатывае­ мой детали; /л - коэффициент Пуассона об­ рабатываемого материала; Я^ - коэффициент температурного линейного расширения мате-

Таким образом, по формулам (2.1.17) и (2.1.20) можно определять значения скорости резания, соответствующие одному из условий оптимизации процесса резания: минимальной себестоимости изготовления детали или мак­ симальной производительности обработки.

Определение режимов резания путем многоуровневой оптимизации. Необходимость быстрого освоения производства новых изде­ лий требует разработки экспрессивных и, в первую очередь, теоретических методов опре­ деления технологических условий обработки, позволяющих на стадии проектирования тех­ нологического процесса изготовления закла­ дывать решения, обеспечивающие при мини­ мальных затратах заданные требования к по­ верхностному слою, так как поверхностный слой детали в условиях эксплуатации подвер­ гается наиболее сильному механическому, тепловому, магнитоэлектрическому, световому и другим воздействиям. Потеря деталью сво­ его служебного назначения и ее разрушение в большинстве случаев начинается с поверхно­ стного слоя.

m=Y.4 Яг-Я1,

i=]

где с- - соответствующие весовые коэффици­ енты, позволяющие установить вклад того или иного показателя качества поверхност­

Задачей технолога является обеспечение комплекса показателей качества поверхност­ ного слоя и точности размеров обработанной детали (Ra^ - заданная величина среднего арифметического отклонения профиля шеро­ ховатой поверхности, <У^^ Q - заданная вели­ чина остаточных напряжений в поверхност­ ном слое, h заданная величина глубины

наклепа в поверхностном слое обработанной поверхности, АТ^ - заданная величина по­ грешности обработки). В каждом конкретном случае эксплуатационные свойства детали определяются в большей или меньшей степе­ ни каждым из этих показателей. В общем случае отклонение от оптимальной величины любого из этих показателей качества (в сто­ рону увеличения или уменьшения действи­ тельной величины показателя) влечет за собой ухудшение эксплуатационных свойств детали. Кроме того, данные показатели имеют раз­ личные единицы измерения, поэтому необхо­ димо использовать их относительное, а не абсолютное изменение от оптимальной вели­ чины. В качестве целевой функции оптимиза­ ции используется функция вида:

ч2

А7^1-АГ^^

AT,lo

ного слоя детали в ее общую надежность; к - число показателей качества; Q - комплекс показателей качества.

В том случае, когда при решении опти­ мизационной задачи удается обеспечить точ­ ное совпадение заданных параметров качества и точности с расчетными, величина целевой функции будет равной нулю, т.е. / ( 0 = О . В противном случае, когда хотя бы один из рас­ четных параметров будет отличаться от задан­ ного, целевая функция будет положительной,

качества поверхностного слоя при стационар­ ном протекании процесса резания, и задачи внутренней оптимизации - автоматизирован­ ного управления процессом обработки, по­ зволяющего компенсировать нестабильность процесса, вызванную износом режущего ин­ струмента, колебаниями припуска заготовки и другими факторами.

Заданному комплексу показателей каче­ ства поверхностного слоя соответствует неко­ торая определенная величина энергетического

критерия А {A-a^b{cp)eiPz, где Pz - сила

резания). Это положение может быть положе­ но в основу алгоритма работы автоматизиро­ ванной системы управления процессом реза­ ния, обеспечивающей получение детали за­ данной точности с требуемыми показателями качества поверхностного слоя. Для практиче­ ской реализации алгоритма авторами системы использован станок с ЧПУ мод. 16А20ФЗС43

с системой ЧПУ МС2109, оснащенный датчи­ ками температуры и силы резания. Для орга­ низации связи системы электроавтоматики станка с управляющей ЭВМ типа IBM PC разработан интерфейсный блок и доработано математическое обеспечение ЧПУ.

После ввода в управляющую ЭВМ гео­ метрии детали и режущего инструмента, ма­ рок обрабатываемого и инструментального материалов, параметров станочного оборудо­ вания и приспособлений и других известных технологических условий обработки, а также после задания требуемых показателей точно­ сти обработки и качества поверхностного слоя детали, система расчета режимов резания оп­ ределяет оптимальные условия обработки. Для полученных условий обработки определя­ ется оптимальная величина энергетического критерия и пределы его возможного отклоне­ ния, зависящие от величин допустимых от-

клонений параметров качества от их требуе­ мых величин. Полученные режимы резания передаются на станок и производится обра­ ботка детали. Алгоритм работы системы пред­ ставлен на рис. 2.1.6.

В процессе обработки контролируются текущие величины силы резания и температу­ ры в зоне резания. По полученным величи­ нам рассчитывается текущая величина энерге­ тического критерия. В случае отклонения этой величины за допустимые пределы прово­ дится расчет по специальному алгоритму но­

вых режимов обработки, обеспечивающих поддержание критерия на заданной опти­ мальной величине.

Новые режимы передаются на станок, изменяются условия процесса резания, что позволяет компенсировать нестабильность его протекания. Поддержание стабильным энер­ гетического критерия обеспечивает получение комплекса заданных показателей точности и качества поверхностного слоя обрабатываемой детали.

I

Расчет исходных режимов обработки

Задание начальных режимов обработки

Г Конец Л

Расчет новых режимов реаания

Расчет оптимальной величины критерия процесса реаания AQ И его д о п у с т и ­ мых отклонешсй дА

Начало размерной обработки детали

да I нет

Измерение температуры и силы реаания

Расчет текущей в е ­ личины критерия А'

Передача управляющих воздействий на станок

т

Установка новых pejKHMOB на станке

т

Ведение протокола

процесса управления

Разработанная система управления про­ цессом обработки (рис. 2.1.7) опробована в лабораторных условиях на различных обраба­ тываемых и инструментальных материалах. Комплексное решение задач внешней и внут­ ренней оптимизации позволило помимо обеспечения заданного качества обработки деталей, их эксплуатационных свойств сокра­ тить сроки технологического проектирования, повысить производительность процесса обра­ ботки.

2.1.2. РЕЗАНИЕ ЧУГУНОВ И СТАЛЕЙ

Химический состав и механические свойства чугунов и сталей определяют одно из основных свойств применительно к обработке резанием - обрабатываемость.

Обрабатываемость - технологическое свойство материала, определяющее его спо­ собность подвергаться резанию. В табл. 2.1.1. обрабатываемость материала представлена коэффициентом k^=vlv , где v - скорость