Способы корректировки режимов резания по результатам работы станка

Методы оптимизации режимов резания

Расчет оптимального режима резания является одной из самых распространенных технологических задач в машиностроении. Это вызвано тем, что себестоимость обработки, расход инструмента, производительность труда станочников и операторов оборудования существенно зависят от назначенных режимов резания.

Параметры режимов резания существенно влияют на стойкость режущих инструментов. Повышение численных значений режимов резания и, в особенности, скорости резания снижает стойкость инструмента. Это означает, что существуют такие режимы резания, которые по производительности являются оптимальными.

Практически решение рассматриваемой задачи оптимизации сводится к определению режимов резания, обеспечивающих выбранные критерии оптимальности обработки деталей в конкретных организационно-технических условиях. Критерием оптимальности обычно служит одно из трех экономических требований: минимальная себестоимость обработки детали, минимальный расход режущего инструмента, максимальная производительность труда, т.е. минимальное основное (машинное) время обработки. Первый критерий наиболее обоснован для большинства операций обработки резанием, но его применение предварительно требует большого объема расчетных работ и исходной информации, зачастую не полностью известной. Выбор второго критерия целесообразен в тех случаях, когда оборудование на данной операции недогружено из-за недостаточной производительности на предшествующих операциях. Использование третьего критерия необходимо для тех операций, которые лимитируют по производительности последующие операции технологического процесса изготовления детали. Однако целесообразно его применять и тогда, когда не удается воспользоваться первым критерием из-за недостатка исходной информации или чрезмерного объема необходимых расчетов. Поэтому в практике технологических расчетов этот критерий является основным и в дальнейшем будет нами использован.

Математическая формулировка задачи оптимизации имеет вид: найти минимум (максимум)

при ограничениях: ;

где:z_i – показатели операции; ; x_j – независимые переменные;

При оптимизации режима резания необходимо учесть, все технологические и организационно-технические ограничения, накладываемые на параметры режима, и выразить эти ограничения аналитически (или графически). В общем случае число ограничений достаточно велико.

Важнейшими являются ограничения, накладываемые требованиями по качеству обработки (шероховатость поверхности, качество поверхностного слоя детали, точность размера и формы обрабатываемой поверхности), ограничения по производительности обработки, ограничения, накладываемые характеристиками станка (мощность приводов, виброустойчивость, допустимые силы и момент сил, дискретные ряды скоростей n_ст подач s_ст ограничения, накладываемые инструментом: допускаемые нагрузки, допускаемая глубина резания и т.д.).

Обычно ограничения описываются нелинейными функциями параметров режима. Если изобразить эти ограничения на плоскости управляемых параметров режима соответствующими кривыми, то для каждой из них по одну сторону будет допустимая (этим ограничением) область, а по другую – запрещенная. Если ограничения совместны, то они образуют некоторую область, не противоречащую всем ограничениям, которую называют допустимой областью. Ограничения, участвующие в формировании границ в этой области называют активными. При конкретных условиях обработки далеко не все ограничения являются активными.

Ограничения в виде равенств и неравенств делятся на два вида: ограничительные функции (ОФ) и численные пределы изменений независимых переменных. Первые представляют собой функции, ограниченные определенными значениями требуемых и допустимых величин показателей процесса, в виде

где: – предельное допустимое значение величины показателя.

Вторые представляют собой диапазон допустимых значений независимых переменных, например

;

Теоретические зависимости в оптимизационных задачах имеют ограниченное применение (лишь в качестве силовых и тепловых ОФ). Такие важные компоненты, как целевая функция (ЦФ) и некоторые ОФ, включают в себя ряд параметров, связанных с износом и стойкостью инструмента, качеством обработки, определяются экспериментально.

Основная цель операции резания: – обработать требуемое число деталей с наименьшими затратами труда, обеспечив необходимое качество. Затраты труда на операцию в принципе могут быть оценены различными показателями. Традиционно в России применяется методика выбора экономического решения, которая производится на основе сопоставления приведенных затрат. Приведенные затраты на обработку одной заготовки:

где: С – себестоимость обработки одной заготовки; Е_н — нормативный коэффициент (Е = 0,15); К – удельные капвложения в производственные фонды.

Часть приведенных затрат, зависящая от режущего инструмента

, коп/шт

где: t_м – машинное время обработки, с; t_см – время на смену инструмента, с; И – приведенные затраты на инструмент, коп; Е – приведенные затраты на зарплату, коп/с; N – число деталей, обрабатываемых за период стойкости, шт.

Целевая функция имеет вид:

Сочетание t, s, v, обеспечивающее минимум С, будет соответствовать минимальным приведенным затратам. С – есть средняя (за период стойкости) величина приведенных затрат на удаление единицы объема припуска. При переменных режимах на станках с ЧПУ средняя величина затрат определяется функционалом

Применительно к расчету режимов резания, например, к точению, переменными являются подачи, скорости (числа оборотов в минуту) и глубины резания. В качестве оптимизируемой целевой функции (критерия оптимальности) выбирают производительность, себестоимость, машинное время обработки и т.д. Ограничения, накладываемые на переменные и их функции, возникают в связи с ограниченностью технических возможностей оборудования и инструмента.

Источник

Режимы резания при токарной обработке

При токарной обработке с заготовки за определенное число проходов снимается лишний металл, называемый припуском. В результате получается изделие заданной формы с требуемыми размерами и классом шероховатости поверхностей. В общем виде операция точения детали на токарном станке выглядит следующим образом: резец последовательно перемещается с заданной подачей вглубь металла вращающейся заготовки, при этом его режущая кромка за каждый оборот удаляет с заготовки заданную толщину металла.

Режимы резания при токарной обработке определяют на основании ряда технических показателей, среди которых самые значимые — это подача инструмента и частота вращения детали, закрепленной в шпинделе станка. Правильный выбор и применение режимов обработки гарантируют не только геометрическую точность и экономичность изготовления, но и сохранность детали, инструмента и оборудования, а также безопасность станочника.

Основные параметры

Одна из главных задач технологической подготовки производства при токарных работах — это определение рациональных режимов резания. При их расчете должны учитываться особенности обрабатываемого изделия и возможности станочного парка, а также наличие соответствующего инструмента, приспособлений и оснастки. Компоновка узлов и агрегатов токарного станка позволяет реализовать два определяющих вида движения, которые формируют заданную конфигурацию поверхностей детали: вращение заготовки (главное движение) и перемещение резца вглубь и вдоль поверхности детали (подача). Поэтому основными технологическими параметрами для токарного оборудования являются:

• глубина резания;
• подача и обороты шпинделя;
• скорость резания.

Существует взаимовлияние режимов резания и основных элементов производственной экономики. Среди них самые значимые — это:

• производительность оборудования;
• качественные показатели производства;
• стоимость выпускаемых изделий;
• износ оборудования;
• стойкость инструмента;
• безопасность труда.

Понятие о режимах резания

Точение на предельных режимах повышает производительность токарного оборудования. Однако такая работа станков не всегда возможна и целесообразна, т.к. существуют ограничения в виде предельной мощности главного привода, жесткости и прочности обрабатываемых изделий, а также технологических параметров инструмента и оснастки.

Еще одним ограничением являются характеристики отдельных материалов. К примеру, титан и нержавеющая сталь для токарной обработки являются одними из наиболее сложных материалов и требуют особого подхода при определении параметров технологической операции.

При неправильном расчете или подборе технологических параметров работа на высоких скоростях может вызвать повышенную вибрацию и разбалансировку отдельных механизмов токарного станка. Это приводит к понижению точности и повторяемости размеров изделий. Кроме этого повышается риск поломки инструмента и выхода из строя станка.

Глубина

Припуск — это толщина металла, удаляемого токарным резцом с заготовки до достижения ею чистового размера. При обточке и расточке он удаляется поэтапно за заданное число резов. Толщина металла, удаляемого за единичный проход резца, в механообработке носит название глубина резания и измеряется в миллиметрах. В технологических расчетах и таблицах этот параметр обозначают буквой t.

При операциях обточки она равна 1/2 разности диаметров перед и после обточки детали и вычисляется по формуле:

где t – глубина резания; D — диаметр заготовки; d – заданный диаметр детали.

При операциях подрезки — это размер слоя металла, удаляемого с торца заготовки за единичный проход резца, а при проточке и отрезке — глубина канавки.

В идеальном случае на удаление припуска требуется один проход резца. Но в реальности токарный процесс, как правило, включает в себя черновой и чистовой этап обработки (а для поверхностей с повышенной точностью – и получистовой). При хороших характеристиках и форме заготовки обе эти операции выполняются за два-три прохода.

Подача

Подача при токарной обработке — это длина пути при поперечном перемещении режущей кромки резца, совершаемом ей за единичный оборот шпинделя. Ее измеряют в мм/об, в технологической документации обозначают буквой S и подбирают по технологическим справочникам. Величина подачи зависит от мощности главного привода, значения t, габаритов и физических свойств обрабатываемой заготовки. При точении она рассчитывается по формуле:

Производительность токарного оборудования напрямую связана с величиной подачи.

При операции точения подача на токарном станке должна устанавливаться на максимально возможное число, но с учетом технологических параметров станка и применяемого инструмента. При операциях по черновому точению она зависит от мощности главного привода и устойчивости детали. А при чистовом точении основным критерием является заданный класс шероховатость поверхности.

Скорость

Скорость резания при токарной обработке — это суммарная траектория режущей кромки резца за единицу времени. Ее размерность — в м/мин, а в таблицах и расчетах ее обозначают буквой v и подбирают по технологической документации или рассчитывают по формулам. В последнем случае расчет происходит в следующей последовательности:

• вычисляется величина t;
• по справочнику выбирается значение S;
• определяется табличное значение vт;
• рассчитывается уточненное значение vут (умножением на корректирующие коэффициенты);
• с учетом скорости вращения шпинделя выбирается фактическое значение vф.

Этот параметр является одной из основных характеристик производительности металлорежущего оборудования и напрямую влияет на эксплуатационные режимы работы токарного станка, износ инструмента и качество обрабатываемой поверхности.

Выбор режима на практике

Расчет режимов резания при токарной обработке производится специалистами отдела главного технолога предприятия или технологического бюро цеха. Полученные результаты заносят в операционную карту, в которой приводится последовательность этапов, перечень инструмента и режимы изготовления требуемой детали на конкретном токарном станке. Заводские и цеховые технологи рассчитывают параметры технологического процесса и выбирают соответствующие инструмент и оснастку, используя конструкторские чертежи, эмпирические формулы и табличные показатели из технологических справочников. Но на практике реальные условия точения могут отличаться от нормативных по следующим причинам:

• снижение точности оборудования в результате износа;
• отклонения в геометрических размерах и физических характеристиках заготовки.
• несоответствие характеристик материала расчетным.

Элементы резания при токарной обработке

Поэтому для уточнения расчетных технологических режимов применяют метод пробных проходов: точение небольших участков поверхности с подбором режимов и последующим замером геометрии и качества поверхности. Главные недостатки такой отладки технологического процесса — это возрастание трудозатрат и сверхнормативное использование производственных ресурсов. Поэтому его используют только в особых случаях:

• единичное изготовление без операционной карты;
• определение точности работы токарного оборудования перед запуском партии;
• работа с неполноценными заготовками (брак и неточность размеров);
• обточка литейных и кованых заготовок, не прошедших предварительную обдирку;
• запуск в производство изделий из новых материалов.

При первом запуске в производство нового изделия, обрабатываемого на автоматизированном оборудовании, также производят пробное точение и подбирают вручную режимы резания. Токарный станок с ЧПУ выполняет все операции по программе, поэтому оператор не всегда может корректировать параметры его работы.

Кроме углеродистых сталей на токарном оборудовании обрабатывают такие металлы как легированная сталь, чугун, титан, сплавы алюминия, бронза и другие сплавы меди. Помимо этого, такую обработку используют для точения материалов с низкой температурой плавления и воспламенения, таких как пластики и дерево. При работе с пластмассами токарные станки чаще всего применяют при обработке деталей из фоторопласта, полистирола, полиуретана, оргстекла, текстолита, а также эпоксидных и карбомидовых композитов. Все перечисленные группы материалов имеют свои особенности расчета и практического применения режимов точения. Это хорошо видно на примере токарной обработки нержавейки — самого распространенного после углеродистой стали конструкционного материала.

Нержавеющая сталь характеризуется низкой теплопроводностью, вязкостью, коррозионной стойкостью, сохранением прочности и твердости при высоких температурах, а также неравномерным упрочнением. Кроме того, в состав некоторых сортов нержавеющей стали входят легирующие добавки повышенной твердости с абразивными характеристиками. Поэтому при работе с ней на практике применяют специальные режимы точения и методы охлаждения и смазки детали.

Обработка нержавейки ведется на повышенных оборотах при уменьшенной подаче. Высокая вязкость этого материала способствует созданию непрерывной вьющейся стружки.

Для решения этой проблемы применяют резцы со стружколомом. Для отвода тепла и смазки обрабатываемой поверхности в рабочую зону подается специальная СОЖ (смазочно-охлаждающей жидкости) на основе олеиновой кислоты. Это уменьшает нагрев заготовки и снижает износ резца. В последнее время все чаще применяют современные методы, которые также уменьшают износ инструмента: направление в рабочую зону ультразвуковых волн и подвод к металлу слаботочных импульсов.

Вычисление скорости резания

Время точения металла (tосн, основное время) — самая затратная составляющая в суммарном времени изготовления единичного изделия. Поэтому от скорости выполнения этой технологической операции напрямую зависит экономическая эффективность использования токарного оборудования. Правильный расчет скорости резания при токарной обработке важен не только с точки зрения стоимостных показателей производственной операции. Ошибки в расчете и применении этого параметра может привести не только к браку детали, но и к повреждению токарного оборудования, оснастки и инструмента. Далее приводится последовательность расчета этого показателя для самой распространенной операции — обточки цилиндрической поверхности.

Основные факторы, влияющие на скорость резания

Скорость резания v имеет размерность м/мин и в общем виде вычисляется по формуле:

где D — диаметр заготовки в мм; n — скорость шпинделя в об/мин.

Но на токарном оборудовании невозможно количественно задать v в качестве параметра управления. При работе на токарных станках предусмотрена регулировка только оборотов шпинделя и подачи инструмента, которые зависит не только от значения v, но и от ряда других факторов: материала детали, мощности главного привода, вида точения и характеристик режущего инструмента. Поэтому при расчете режимов в первую очередь определяют расчетные обороты шпинделя:

На основании полученного результата по таблицам справочной литературе выбирают соответствующее значение v, которое зависит глубины точения, подачи, материала, типа резца и вида операции.

Для расчета теоретической глубины резания t на основании чертежа определяют размерные характеристики детали и заготовки, а затем с учетом геометрических параметров инструмента вычисляют ее по формуле:

где D — диаметр заготовки; d – конечный диаметр детали.

После вычисления величины t по справочникам определяют табличное значение подачи S в мм/об. В справочных таблицах учтены: вид материала (различные стали, бронза, чугун, титан, алюминиевые сплавы), тип точения (черновое, чистовое), параметры резца и геометрия его подхода к обрабатываемой поверхности. Затем по технологическим таблицам на основании полученных величин t и S определяют vτ — табличное значение скорости резания.

Далее vτ должна быть скорректирована в соответствии с реальными условиями точения, к которым относят: период стойкости и технические параметры резца, прочностные характеристики материала, физическое состояние обрабатываемых поверхностей, геометрия резания.

Корректировка vт осуществляется с помощью группы поправочных коэффициентов:

где v_ут — уточненная скорость резания; K1 — коэффициент, зависящий от времени работы резца; K2, K4 — коэффициенты, зависящие от технических параметров резца; K3 — коэффициент, зависящий от состояния обрабатываемой поверхности; K4 — коэффициент, зависящий от материала резца; K5 — коэффициент, зависящий от геометрии обработки.

После расчета vут вычисляют уточненную скорость вращения шпинделя nут по следующей формуле:

Значение nут должно лежать в диапазоне паспортных скоростей главного привода станка, которые приведены в заводской документации токарного оборудования. Если полученная в результате расчетов nут не имеет точного соответствия в таблицах станка, то необходимо применить ближайшее самое меньшее число.

Формулы для токарной обработки

На последнем этапе рассчитывают фактическую скорость резания v_ф:

V_ф напрямую связана с мощностью главного двигателя станка. Поэтому она является основным параметром при выборе конкретного типа токарного станка для обработки требуемой детали.

Источник