Технические науки/8. Обработка материалов в машиностроении

К.т.н. Ракунов Ю.П., д.т.н. Абрамов В.В.

Московский государственный строительный университет, Россия

Регулирование стойкости резцов и качества токарной обработки деталей машин на основе синергетического влияния первичных технологических факторов

Основой автоматизации механической обработки прецизионных деталей машин является стабильность качества их рабочих поверхностей и, прежде всего, показателей точности: отклонений формы в поперечном и продольном направлениях, шероховатости и волнистости поверхностей. Решение задачи создания новых высокопроизводительных и высокоскоростных процессов и станков с ЧПУ, а также эксплуатация существующих станков в условиях автоматизированного точного машиностроения требует знания действительных закономерностей износа и размерной стойкости режущих инструментов (РИ).

В связи с необходимостью автоматизации производственных процессов и широким использованием новых обрабатываемых и инструментальных материалов проблема изучения и повышения размерной стойкости РИ выдвигается в число важнейших задач современного машиностроения.

В настоящем докладе изложена методика выбора критериев стойкости РИ и назначения режимов резания, дающая информацию о размерной стойкости и площади обрабатываемых типоразмеров поверхностей заданного качества и точности обработки. По мере уменьшения припуска (сечения среза) на финишном этапе обработки, когда достигается микроскопическая и долемикронная точность, сила резания уменьшается настолько, что можно ожидать появления нелинейной технологической системы, поскольку организующий эффект силы резания уже утрачен. Например, такое состояние системы возникает в начале и на протяжении всего периода выхаживания при шлифовании. Новое состояние системы пока ещё изучено слабо [1]. Однако, именно это состояние определяет качественные показатели детали. Наиболее полно для изучения поведения указанных систем могут быть использованы принципы синергетики. Синергетика – наука о самоорганизующихся системах.

Для анализа эффективности работы инструмента в автоматизированном производстве решающее значение имеет размерная стойкость [2]. Наиболее объективными являются характеристики размерной стойкости: скорость размерного износа, относительный поверхностный износ и удельная размерная стойкость. Убедительным образом показано, что при синергетическом подходе h_оп и T_ур являются универсальными характеристиками размерной стойкости, т.к. они позволяют объективно сопоставлять режущие свойства различных инструментальных материалов при любых сочетаниях режимов резания (РР): подач и скоростей резания и разных критериях затупления РИ ( табл. 1).

Таблица 1

Критерии размерной стойкости РИ

№№ пп.	Критерии	Обозначе-ние или Формула	Факторы, ограничивающие возможность использования критерия				Возможность использования для расчёта точности обработки
			Скорость резания, Vp, м/мин	Подача So, мм/об.	Размеры обрабатыв. поверхно-сти	Износ инструмен-та, hr или h3
1.	Время работы до замены инструмен-та, мин	Т	+	+	–	+	Нет
2.	Количество обработанных деталей, шт	N	–	–	+	+	Нет
3.	Длина пути резания, м	l = VT	–	+	–	+	Нет
4.	Площадь обработанной поверхности, дм^2	F = 0,1∙V∙T∙So	–	–	–	+	Нет
5.	Линейный относительный износ, мкм/км	hол= [(hr– –hH)∙10^3]: :(l–lH)	–	+	–	–	Нет
6.	Скорость размерно-го износа, мкм/мин	Vh = (V∙hод): :10^3	–	–	–	–	Да
7.	Относительный поверхностный износ, мкм/дм^2	hоп = [(hr–hH)∙10]: :(l–lH)∙So	–	–	–	–	Да
8.	Удельная размерная стойкость, дм^2/мкм	Tур = (l–lH)∙So : : [(hr–hH)∙10]	–	–	–	–	Да

Примечание: Знак (+) означает, что при сравнении РИ или вариантов РР по данному критерию должно соблюдаться равенство ограничивающих факторов.

На основании анализа табл. 1 было принято решение об управлении процессом финишного точения посредством построения стойкостных графиков в координатах Δρ [мкм] – F (дм²), т.е. зависимости размерного износа Δρ = f(F) от площади обработки поверхности заданного качества. Здесь проявляется синергизм влияния режимов резания на износ, а износа режущего клина на показатели качества обработанной поверхности.

Рисунок. Графики синергетического влияния размерного износа и соответствующих ему показателей качества на площадь обработанной поверхности при финишной (тонкой) токарной обработке

На рисунке даны зависимости качества обработанной поверхности и размерного износа различных типоразмеров унифицированных контурных резцов от их стойкости при оптимальных режимах, указанных в таблицах-матрицах [3]. Порядок работы с графиками (см. рисунок) указан в работе [4].

Корреляция между типоразмером режущего клина (радиус округления кромки ρ и углы: передний γ и главный задний α) и оптимальным сечением среза (произведением t на S_o с учётом главного угла в плане φ) проявляется достаточно чётко [4]. Именно эта корреляция определяет синергетическое влияние геометрических параметров резца на оптимальные режимы резания (включая V), которые в совокупности обеспечивают минимизацию усилий резания, а, значит, наивысшую точность обработки при максимально возможной размерной стойкости инструмента. Это положение убедительно иллюстрируется данными табл. 2 для различных технологических процессов токарной обработки [5].

Таблица 2

Показатели качества токарной обработки поверхностей и соответствующие

им геометрические параметры резцов и режимы резания

Показатели качества; геометрические параметры резцов; режимы резания	Таблицы-матрицы первичной подсистемы МБТ; твердо-сплавный РИ	Обработка закалённой стали композитами	Алмазное точение цветных металлов	Нанорезание закалённой стали ШХ15, HRС60
Шероховатость Ra, мкм	Ra=0,32÷0,63	Ra =0,1…0,3	Ra < 0,01	Ra < 0,01
Отклонение формы поперечного сечения, мкм	1…3(15) мкм	0,3…0,5 мкм	PV < 0,1 мкм на ø 100 мм	PV < 0,2 мкм на ø 100 мм
Размерная точность	3÷9(50) мкм	0,5…1,5 мкм	< 0,2 мкм	< 0,5 мкм
Радиус округления режущей кромки ρ, мкм	ρфин = 5…10 ρпред =10…15	ρфин = 5…7 ρпред = 7…15	ρ = 0,1÷0,5	ρ < 0,05 (ρ < 50 нм)
Передний угол γ, ^о режущего клина	γ = 13…17^о	γ = (-5)…(-20)^о	γ = 0…(-8)^о	γ = 0^о
Задний угол α, ^о	α =10…15	α = 10…18^о	α = 8…12^о	α = 5^о
Радиус при вершине резца r, мм	0,05…0,2 (0,3)	0,15 + 0,05	(0,2+0,1) 0,2; 0,3	0,25
Главный φ и вспомогательный φ1	φ = 60; 90; 100^оφ1 = 15…20^о	φ = 93…95^о, φ1 = 5^о	φ = 93…95^о, φ1 = 5^о	φ = 30…45^о, φ1 = 0…45^о
Режимы резания:	Спл.36НХТЮ
– скорость, м/мин	V = 40…60	V = 100…160	V = 250…700	V= 53…102
– подача, мм/об	So = 0,02…0,1	So = 0,02…0,04	So = 0,01…0,05	So = 0,002
– глубина, мм	t =0.05…0,5	t = 0,05…0,2	t = 0,01…0,2	t = 0,002

Эти процессы можно рассматривать как аттракторы (каналы эволюции) представленных технологических систем. Очевидно, что может быть использована целая серия императивов (запретов), налагаемых на функционирование технологических систем. Более того, эти запреты, налагаемые на постбифуркационное состояние системы, могут иметь самую различную природу. Так, в случае использования прецизионной технологической системы (налаженной модели станка) должны быть одновременно ограничены скорость, температура, силы, т.е. режимы резания при оптимизации геометрических параметров инструмента. Какой именно императив установить, решает технолог, но для этого надо отчётливо осознавать всю совокупность элементов системы, взаимодействующих друг с другом.

Во всех рассмотренных аттракторах можно и нужно найти оптимальные сочетания первичных технологических факторов, позволяющих применять детерминированный (диалектический) подход к решению задачи устойчивого функционирования рассмотренных технологических систем. Поэтому весьма актуальной и важной является задача разработки новых методов исследования обрабатываемости материалов, которые должны приводить к получению нормативов режимов резания, имеющих прямые связи с размерной стойкостью РИ и точностью обработки.

Найденные критерии оптимизации: удельная размерная стойкость и поверхностный относительный износ являются универсальными – на них не накладывают ограничения ни скорость резания, ни подача на оборот, ни критерии износа инструмента и т.д. Следовательно, эти критерии оптимизации должны использоваться для: сравнительной оценки размерной стойкости РИ, анализа точности и качества обработки, синтеза условий обработки и режимов резания, экономических вариантов технологических процессов, а также для разработки и конструирования систем автоматического управления технологическими гибкими производствами.

Литература

1. Суслов А.Г., Дальский А.М. Научные основы машиностроения. – М.: Машиностроение, 2002. – 684 с.

2. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. – М.: Машиностроение, 1976. – 278 с.

3. Ракунов Ю.П. Разработка системы многоуровневой базовой технологии // Наукоёмкие технологии в машиностроении. – 2012. № 1. – с.40-46.

4. Ракунов Ю.П. Первичная подсистема многоуровневой базовой технологии // Наукоёмкие технологии в машиностроении. – 2012. – № 3. – с.23-31.

5. Захаревич Е.М. Нанорезание закалённой стали. Сб. тезисов докладов на выставке «Металлообработка – Технофорум 2009». М.: ЦВК «Экспоцентр», 25-29. 05.2009.