УДК 621.941

Біланенко В.Г. к.т.н., доцент, Цимбал А.Ю.

Національний технічний університет України «КПІ»

ВИЗНАЧЕННЯ ФІЗИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕСІВ ОБРОБЛЕННЯ РІЗАННЯМ

Сучасне машинобудівне виробництво розвинутих індустріальних держав базується на широкому використанні верстатів з ЧПУ. Швидкий прогрес в розвитку обчислювальної техніки забезпечує вдосконалення технологічних можливостей сучасних металообробних верстатів. Необхідно приймати до уваги, що подальший прогрес машинобудівного виробництва в будь-яких державах світу базується на широкому використанні верстатів з ЧПУ та багатоцільових верстатів на їх основі.

Технологічне підготовлення виробництва на базі верстатів з ЧПУ має свої специфічні технологічні завдання, які є обов’язковими для виконання та забезпечення ефективного використання верстатного обладнання. Для реалізації технологічних процесів на верстатах з ЧПУ необхідно проектувати операційні технологічні процеси, які є базою для подальшого розроблення управляючих програм.

При проектуванні операційних технологічних процесів необхідно послідовно вирішити такі типові технологічні завдання:

· спроектувати послідовність виконання технологічних переходів в кожній технологічній операції;

· визначити припуски для виконання кожного технологічного переходу та встановити обґрунтовані вимоги до характеристик якості обробленої поверхні;

· визначити режими різання для виконання кожного технологічного переходу.

Вирішення такої сукупності технологічних завдань забезпечує підготовлення вихідних даних для створення управляючих програм для верстатів з ЧПУ. Розрахунок режимів різання для більшості лезових видів оброблення мають загальну послідовність визначення складових режиму різання: глибини різання; подачі та швидкості різання. Система технічних обмежень для розрахунку режимів різання включає міцність та жорсткість заготовки, що оброблюється; міцності закріпної частини та леза інструменту; міцності механізму подач та при токарному обробленні за умов установки заготовки в центрах міцності заднього центру.

Технологічні переходи лезового оброблення здійснюються з дією значної сили різання, яка необхідна для видалення заданого припуску. Особливо великі значення має сила різання для умов чорнового оброблення, завданням якого є видалення максимально можливої частини загальних припусків. Тому для розрахунку режимів різання необхідно визначати допустимі величини сили різання за міцністю та жорсткістю заготовки, міцністю та жорсткістю конструкції інструменту та різальних кромок леза інструменту, міцністю елементів механізму подач верстату.

Визначення сили різання та її складових необхідна для розрахунку досяжної точності оброблення, елементів верстатних пристроїв та елементів обробних верстатів, визначення роботи різання, кількості теплоти процесу оброблення заданої поверхні та потужності різання, яка визначає енергетичні витрати на оброблення.

Є очевидним, що необхідна сила різання для видалення заданого припуску при виконанні оброблення заданої поверхні буде залежати від усіх параметрів процесу оброблення, а саме:

та додаткові впливи)

(1.1)

де ХОМ -фізико-механічні характеристики оброблюваного матеріалу; ХІМ- фізико-механічні характеристики інструментального матеріалу; ГПРЧІ- геометричні параметри різальної частини інструменту; - відповідно елементи режиму різання, глибина різання, подача, швидкість різання; додаткові впливи включають, наприклад, дію змащувально-охолодних технологічних середовищ, попередню термічну дію на зрізуваний шар, застосування вібрацій для процесу оброблення та можливі інші дії, які застосовуються в процесі оброблення.

Першу математичну залежність для визначення головної складової сили різання за результатами багато чисельних експериментальних досліджень запропонував видатний російський вчений К.О. Зворикін в 1893 році, яка мала наступний вигляд:

(1.2)

де K_z- коефіцієнт пропорціональності, який визначає вплив на головну складову сили різання фізико-механічних характеристик оброблюваного та інструментального матеріалів, конструктивних особливостей лезового різального інструменту, геометричних параметрів різальної частини інструмента, наявності змащувально-охолодних технологічних середовищ та інших додаткових дій на процес різання, наприклад теплової дії на оброблювану поверхню, введення ультразвукових коливань та інше; b- ширина зрізуваного шару, мм; a- товщина зрізуваного шару,мм.

Така структура математичної залежності була прийнята для подальших теоретичних та експериментальних досліджень процесів оброблення різанням, які були виконані на протязі першої половини 20 століття і були покладені в основу базових технологічних рекомендацій, що зберігаються і подаються в різноманітних довідниках для механічного оброблення різанням до теперішнього часу [1,2].

Залежність складових сили різання від режимів різання для всіх видів оброблення мають практично єдину структуру, яка в явному вигляді включає тільки складові режиму різання, а вплив всіх інших параметрів процесу оброблення визначаються коефіцієнтом пропорціональності, наприклад, та поправочним коефіцієнтом .

Так для токарного оброблення в довідниковій літературі [1] залежність складових сили різання від елементів режиму різання виражають степеневими моделями наступного виду:

,

(1.3)

де індекс складової сили різання.

Аналогічну структуру мають моделі для осьової сили та моменту оброблення осьовими інструментами, свердління, розсвердлювання:

,

(1.4)

Головної складової сили різання для фрезерування:

, (Н)

(1.5)

В структурі математичних моделей (1.3), (1.4) та (1.5) невідомими параметрами є показники степеню та коефіцієнти пропорціональності.

Невідомі параметри математичних моделей, що наведені в довідниковій літературі, були визначені за результатами експериментальних досліджень силових залежностей для різних видів оброблення різанням та визначених певних раціональних умов оброблення. Відомі на той час конструкційні матеріали були розділені на такі групи:

· конструкційні вуглецеві та леговані сталі та сталеве литво;

· сірі чавуни;

· ковкі чавуни;

· жароміцні та корозійностійкі сталі;

· мідні гетерогенні сплави;

· алюмінієві сплави.

Для кожної групи конструкційних матеріалів були визначені типові конструкційні матеріали, які найбільш повно репрезентували дану групу матеріалів. Найбільш багато чисельні експериментальні дослідження були виконані для токарного оброблення, оброблення осьовими інструментами та оброблення фрезеруванням. Для заданих умов оброблення були визначені ефективні інструментальні матеріали, конструкції різального інструменту та геометричні параметри різальної частини, необхідність застосування мастильно-охолодних технологічних середовищ.

Експериментальні дослідження виконувались за схемою одно факторних досліджень, які передбачають зміну тільки одного параметру при незмінних інших параметрах, що повинно передбачати відсутність взаємного впливу змінних параметрів, що додатково не досліджувалось, а приймалось на рівні робочої гіпотези. Важливим додатковим недоліком таких моделей є відсутність статистичних оцінок адекватності таких моделей, характеристик їх точності та обмеженість їх надійного застосування для інших конструкційних матеріалів, які складають названі групи та можливість їх застосування для нових конструкційних матеріалів.

Проведені нами експериментальні дослідження залежності складових сили різання від елементів режиму різання за схемою багатофакторних експериментів підтверджують найбільший вплив глибини різання, але у всіх експериментах другою складовою за впливом є поперечний переріз () і лише третім фактором за силою впливу є подача інструменту. За результатами експериментальних досліджень отримували адекватні поліноміальні моделі, які перевірені за всіма статистичними оцінками.

На жаль, зміна характеристик конструкційного матеріалу, інструментального матеріалу та геометричних параметрів різальної частини потребує додаткових експериментальних досліджень та отримання нових математичних моделей. За умов тривалого випуску однотипної продукції, для якої використовується обмежена кількість конструкційних матеріалів побудова таких поліноміальних моделей може бути доцільною та ефективною, оскільки вимірювання складових сили різання не потребує тривалих експериментальних досліджень, а отримані моделі значно підвищують точність та ефективність технологічних рішень, що приймаються.

Аналіз сучасних тенденцій вдосконалення машинобудівної продукції показує, що створення заданих експлуатаційних характеристик виробів машинобудування забезпечується застосуванням спеціальних конструкційних матеріалів з специфічними фізико-механічними характеристиками, які суттєво відрізняються від умов для яких визначені параметри степеневих моделей. За останні двадцять років відбулись значні зміни в технологічних процесах виготовлення інструментальних матеріалів, розроблені фізичні та хімічні процеси нанесення поверхневих покривів на робочі поверхні інструментів, які є засобом цілеспрямованого формування нових властивостей різальних інструментів для заданих конкретних умов оброблення. Не менш важливим є створення нових конструкцій різальних інструментів, особливо це відноситься до конструкцій осьових різальних інструментів та фрез.

Є очевидним, що сучасні умови машинобудівного виробництва вимагають нових підходів до визначення фізичних характеристик процесів лезового оброблення. Сучасні передові інструментальні фірми SECO, Sandvik Coromant, Hoffman Group фірма GARANT для визначення складових сили різання використовують питому силу різання, величина якої безпосередньо визначається фізико-механічними характеристиками оброблюваного конструкційного матеріалу та характеристиками процесу оброблення, а саме: площею поперечного перерізу шару, що зрізується, переднім кутом різального інструменту та товщиною зрізуваного шару. Питома сила різання в загальному вигляді визначається за формулою:

(1.6)

де - головна складова сили різання, Н; f-площа поперечного перерізу шару, що зрізується, мм².

За таких умов розрахункова формула головної складової сили різання має вигляд:

(1.7)

де р- питома сила різання, Н/мм²; а-товщина зрізуваного шару, мм/об; b- ширина зрізуваного шару, мм.

Фірма SECO використовує розділення сучасних конструкційних матеріалів на двадцять дві групи і для кожної такої групи визначається середня питома сила різання, величина якої коригується з урахуванням умов оброблення. Питома сила для заданих умов оброблення розраховується за формулою:

(1.8)

де - середня питома сила різання для даної групи конструкційних матеріалів, Н/мм²; γ-передній кут різальної частини інструменту, град; - подача різального інструменту, мм/об; φ –головний кут в плані, град; - показник степеня, який враховує вплив товщини зрізуваного шару на величину загальної питомої сили різання. В технологічних рекомендаціях даних інструментальних фірм наводяться границі міцності групи конструкційних матеріалів, - середня питома сила різання для даної групи конструкційних матеріалів та показник степеня .

Для перевірки роботоздатності залежності (1.7) нами були проведені порівняльні розрахунки головної складової сили різання для умов чорнового оброблення конструкційної сталі 50 ГОСТ1050-88 після гартування та відпуску (МПа) за вітчизняними технологічними рекомендаціями, даними шведської фірми SECO та німецької фірми GARANT, яка входить до складу Hoffman Group. Глибина різання змінювалась в діапазоні мм, подача мм/об, швидкість різання залишалась незмінною і дорівнювала м/хв., передній кут º, головний кут в плані º, кут нахилу головної різальної кромкиº.

Для заданих умов процесу різання питома сила оброблення за формулою (1.8) та даними фірми SECO складає: р=2195, Н/мм², а за даними фірми GARANT складає р=2309, Н/мм² . Результати розрахунків головної складової сили різання за формулами (1.3) та (1.7) наведено в табл.1.

Таблиця 1-Результати розрахунків головної складової сили різання

Незмінні елементи різання	V=150 м/хв			S=0,5мм/об
Глибина різання, h, мм	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5	5,0
PzT,H (1.3)	1646	2058	2469	2881	3292	3704	4115
PzП,H фірма SECO (1.7)	2195	2744	3293	3951	4390	4939	5488
PzП,H фірма GARANT (1.7)	2309	2886	3464	4041	4618	5195	5773

Відносна похибка розрахунків за даними вітчизняних довідників [1] та фірми SECO складає δ=33,35 % а за даними фірми GARANT сягає δ=40,28%. В той час, як похибка розрахунків за даними фірми SECO та фірми GARANT складає лише δ=5,25%, що є не суттєвим для таких розрахунків.

Виконаний порівняльний аналіз технологічних рекомендацій свідчить про доцільність використання даних про питому силу для підвищення достовірності розрахунків складових сили різання та інших фізичних характеристик процесів оброблення лезовими інструментами, які використовують в розрахунках величину сили різання, наприклад, роботи різання, потужності різання, а також визначення елементів режиму токарного оброблення, а саме подачі, яка допускається найбільшою складовою сили різання та швидкості різання, яка допускається потужністю двигуна головного приводу верстата.

1. Справочник технолога машиностроителя: В 2 т. т.2 /Под ред. А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова.- 4-е изд., перераб и доп.- М.: Машиностроение,1986.-496с.

2. Обработка металлов резанием: Справочник /А.А. Панов, В.В. Аникин, Н.Г. Бойм и др.; Под общ. ред. А.А. Панова.-М.: Машиностроение,1988.-736с.