Способ определения оптимальных режимов процесса резания конструкционных сталей
METHOD FOR DETERMINING OPTIMAL MODES OF CUTTING PROCESS OF STRUCTURAL STEELS

Изобретение относится к области обработки материалов резанием и может быть использовано для определения оптимального режима резания в конкретных условиях обработки на выбранном технологическом оборудовании, а также для оценки качества используемого инструмента и оборудования.
Известен способ определения обрабатываемости материалов резанием за счет регистрации мгновенных сил резания (Авторское свидетельство СССР на изобретение №1510983, «Способ определения обрабатываемости металлов», класс МПК В23В 1/00) [1].
В соответствии с этим способом осуществляют процесс резания, производят запись мгновенных значений тангенциальной составляющей силы резания, на полученной стружке определяют частоту сколов (обусловленных сдвиговыми деформациями) элементов стружки, строят график изменения спектральной плотности мгновенных значений силы резания, исключают из графика интервалы частоты, соответствующей частотам образования сколов элементов стружки и определяют обрабатываемость по оставшейся части графика спектральной плотности мгновенных значений силы резания по величине площади под кривой спектральной плотности (от нуля до частоты образования элементов стружки).
Недостатком известного способа является значительная трудоемкость за счет измерения параметров стружек, сложности установки силоизмерительного устройства на станке. Кроме того, способ не позволяет определять оптимальные режимы резания в реальном времени процесса формообразования.
Также известен способ определения оптимальных режимов резания, включающий выполнение пробных проходов, получение стружек, измерение толщины элементов стружек Δх (сколов), определение отношения толщины элементов - Δх к толщине срезаемого слоя - a. В качестве оптимального режима резания принимают значение скорости резания или подачи, при которых отношения Δх/а находится в пределах 0,9÷1,1 (Патент РФ на изобретение №2514251 «Способ определения оптимальных режимов резания», класс МПК В23В 1/00) [2].
Недостатком данного способа также является значительная трудоемкость, а также отсутствие возможности определять оптимальные режимы резания непосредственно на станке в реальном времени.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности, совокупности признаков и достигаемому результату является способ, описанный в патенте РФ на изобретение №2538750 «Способ определения оптимальной скорости резания в процессе металлообработки» (класс МПК В23В 1/00; В28В 25/06; B23Q 15/08) [3].
В соответствии с данным способом, производят предварительную обработку заготовок из заданного материала при различных скоростях резания, измеряют заданные параметры, отображающие износ режущего инструмента, измеряют и записывают вибрационные параметры станка с последующим выделением в записи, посредством полосовых фильтров, высокочастотной и низкочастотной составляющих вибрации, определяют амплитудные значения указанных составляющих, находят отношение упомянутых значений амплитуд (высокочастотной и низкочастотной). За величину оптимальной скорости принимают скорость, при которой отношение значений амплитуд является минимальным.
Основным недостатком рассматриваемого способа является определение только одного параметра режима резания - скорости резания.
Кроме того, не учитываются варьирование величины рабочей подачи, амплитудные значения вибросигналов, как высокочастотной, так и низкочастотной составляющей являются не полной характеристикой процесса вибрации. Наиболее полной характеристикой процессов вибрации является спектральная плотность, описанная в авторском свидетельстве СССР №1510983 (запись в первом абзаце).
Задачей заявляемого способа определения оптимальных режимов процесса резания конструкционных сталей в процессе механической обработки является снижение трудоемкости определения оптимальных режимов обработки процесса резания с учетом динамических свойств технологической среды в процессе формообразования.
На фиг. 1 приведен фрагмент графика изменения основных параметров записи автоколебательного процесса от времени резания.
По оси абсцисс - время процесса; по оси ординат - параметры автоколебательного процесса: 1 - смещение резца и заготовки; 2 -относительная скорость смещения резца; 3 - изменение силы резания во времени; 4 - средняя температура в контакте резца и стружки.
На фиг. 2-а приведена фотография корня стружки и на фиг. 2-6 схема формирования пластически-деформируемого фрагмента стружки толщиной Δх.
На фиг. 3 - фотографии стружек, полученные на электронном микроскопе, сторона, противоположная прирезцовой: a - увеличение ×56; 6 - увеличение ×200.
На фиг. 4 приведена схема мобильного измерительного комплекса. На фиг. 5а, 6 приведена запись одной реализации вибросигнала при обработке заготовки  область - а) и показан частотный спектр вибросигнала данной реализации - б.
На фиг. 5 в показан участок спектра, соответствующий максимальной частоте  Гц, на данном режиме резания: а - реализация вибросигнала при обработке заготовки ( область); 6 - частотный спектр вибросигнала; в - выделенный участок спектра с максимальной частотой
На фиг. 6 приведены графики испытания инструмента на износ.
0
Поставленная техническая задача решается путем предварительного определения частотной характеристики системы Н (f), например, посредством измерения декремента затухающих колебаний, предварительной обработкой резанием на станке заготовки из заданного материала при разных скоростях резания или подачах, измерения для каждой скорости резания или подачи сигнала виброускорения датчиком и преобразованием сигнала вибропреобразователя в спектр частот и построение графика спектра. В спектре частот на каждой скорости или подаче определяют гармонику с максимальной амплитудой, определяют частоту, соответствующую максимальной амплитуде гармоники - f, и относительно этой частоты вычисляют значение полосы частот
0
где f - частота, соответствующая максимальной амплитуде гармоники;
c
f - половина полосы частот, соответствующая максимальной амплитуде гармоники.
c
f
f
f
f=σ, где σ - значение частоты, соответствующее среднеквадратичному отклонению частоты образования фрагментов стружек - Δх (для конструкционных сталей экспериментально определено σ=1100 Гц).
y
Вычисляют значение спектральной плотности вибросигнала Gуказанной полосы частот - Δf.
где А - среднеквадратичное значение амплитуд сигнала вибропреобразователя.
y
x
По определенному значению частотной характеристики системы H(f) и вычисленному значению спектральной плотности сигнала G находят спектральную плотность спектра частот образования фрагментов стружек - G (вход системы).
По соотношению
находят величину Δх сдвиговой деформации (величину сегмента стружки), сравнивают величину Δх с толщиной срезаемого слоя - а. При этом в качестве оптимальной, выбирают скорость резания или подачу, при которой выполняется условие значения Δх/а от 0,9 до 1,1.
В заявляемом способе содержится два этапа:
1) В спектре частот, полученном на каждой скорости резания, находят гармонику с максимальной амплитудой. Величина гармоники с максимальной амплитудой соответствует частоте образования фрагментов (сколов) стружки на данном режиме (факт установлен экспериментально и обоснован теоретически).
Причина появления пика с максимальной амплитудой гармоники следующая. При резании материалов, обладающих запасом пластичности (относительное удлинение ψ>10%), процесс стружкообразования имеет циклический характер. Деформационный цикл образования локального элемента стружки включает следующую последовательность: сжатие локального объема, упрочнение материала под действием деформации сжатия (в материал «закачивается» внешняя энергия; разогрев локального объема (условия адиабатические) с последующим сдвигом фрагмента материала по условной плоскости (поверхности) сдвига за счет теплового размягчения в узкой области; образование нового деформационного цикла (нового фрагмента толщиной Δх).
c
н
-4
-5
При высокоскоростной деформации и быстром нагреве (t=1⋅10÷1⋅10 время сдвига) локального объема материала (толщиной Δх) (при температуре нагрева Т=550÷950 °С) изменяются механические характеристики обрабатываемого материала (упругие модули, предел текучести, предел прочности и др.). Описанные условия создают колебания (автоколебания) сил, действующих в системе резания, фиг. 1 (Корендяев Г.К. «Термомеханическая модель возбуждения автоколебаний при обработке металлов резанием»: автореф. дисс. канд. техн. наук: 01.02.06. Москва, 2012 - 22 с.) [4].
Следует отметить, что процесс стружкообразования, являющийся основным физическим процессом формообразования, осуществляется с наибольшей долей поглощения подводимой внешней энергии. Оставшаяся часть энергии расходуется на процессы трения, происходящие на передней и задней поверхностях лезвия инструмента.
Частота процесса сдвиговых деформаций соответствует частоте образования фрагментов стружки - Δх, фиг. 2 и фиг. 3. Данное положение вытекает из основных соотношений механики процесса резания металлов (В.Ф. Бобров. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975. Стр. 102-103) [5].
Величина абсолютного сдвига ΔF, фиг. 2б, определяется по выражению:
0
где ε - величина относительного сдвига.
Время сдвига:
c
где V - скорость сдвига.
Заменив в (6) значение AΔF из (5), получаем
т.е. время сдвига прямо пропорционально величине Δх. Кроме того, данное соотношение подтверждено экспериментально. Так как величина фрагментов Δх коррелирует со временем образования этого фрагмента, а значит и с частотой его образования.
Таким образом, максимальная амплитуда сигнала на полосе частот сдвиговых деформаций всегда соответствует частоте стружкообразования. Этот установленный факт позволяет идентифицировать (определять) частоту стружкообразования на любом режиме резания.
y
x
x
x
2) По измеренному в данном опыте значению спектральной плотности вибросигнала - G (2) и заранее установленной частотной характеристики системы - H(f) (учитывает динамические свойства системы) находится спектральная плотность процесса сдвиговых деформаций (стружкообразования) - G (3) (процедура определения G описана в примере практической реализации). По вычисленному значению спектральной плотности спектра частот образования фрагментов стружек - G определяется величина сдвиговой деформации фрагмента стружки - Δх (4), а затем сравнивается ее с толщиной срезаемого слоя - а. Сравнение этих параметров осуществляется при каждом изменении скорости резания (подачи) до наступления момента Δх=а. При этом в качестве оптимальной выбирают скорость резания или подачу, при которой выполняется условие Δх/а от 0,9 до 1,1.
Заявляемый способ определения оптимальных режимов процесса резания конструкционных сталей в процессе механической обработки осуществляется следующим образом.
Пример 1. Обрабатывается заготовка из стали 40ХН на токарном станке, материал режущей части инструмента твердый сплав Р20. Сменная многогранная пластина SNUM - 120412 Т2. Режим резания: глубина резания t=1,5 мм, рабочая подача S=0,21 мм/об; скорость резания изменяется от V=0,47 м/с до V=4,9 м/с. В первом опыте скорость резания V=0,47 м/с.Показанный на фиг. 4 токарный станок (фиг. 4) с установленной в нем обрабатываемой деталью (1) и резцом (2) оснащен мобильным измерительным комплексом, содержащим резцедержатель с датчиком - 3, измерительно-информационную систему, состоящую из: 4 -согласующего устройства, 5 - модуля сбора данных, 6 - монитора.
Посредством мобильного измерительного комплекса, фиг. 4 (либо иным способом) определяется частотная характеристика (передаточная функция) технологической системы, включающей токарный станок, резцедержатель с датчиком (поз. 3) и заготовку (поз.1).
В процессе обработки на стартовом варианте режима резания (V=0,47 м/с) осуществляется запись виброускорения датчиком АР 2019 (поз. 3), установленным на резцедержателе станка. Запись сигнала осуществляется модулем сбора данных N1 PXI-1042 (поз.5).
0
0
c
c
f
Записанная реализация сигналов (временная область) преобразуется в частотный спектр, фигуры 5 а, б и в, который выводится на экран в виде графика (фиг. 5 б). В полученном спектре удаляются значения низких частот (менее 1500 Гц). Из оставшейся части частотного спектра выявляются значения частоты, соответствующей максимальному пику. Указанная частота соответствует центральной частоте процесса фрагментации стружки на данном режиме резания, равная f=2200 Гц. С учетом вероятностного характера процесса сдвиговых деформаций устанавливается полоса частот - Δf=f±f, соответствующая величине «энергетического горба» в данном спектре (ранее экспериментально определено значение f=σ=1100 Гц, что соответствует величине стандартного отклонения совокупности величины Δх фрагментов стружек).
max
0
c
min
0
c
max
min
Полоса частот Δf=2200±1100, т.е. f=f+f=2200+1100=3300 Гц. f=f-f=2200-1100=1100 Гц. Δf=f-f=3300-1100=2200 Гц.
y
По величине полосы частот (Δf) виброускорения (частот стружкообразования) определяют ее спектральную плотность G (2):
где А - среднеквадратичное значение амплитуд сигнала вибропреобразователя;
Δf - выделенная полоса частот.
y
x
По вычисленному значению G и частотной характеристике - Н, определяется спектральная плотность спектра частот образования фрагментов стружек G (3).
Далее воспользовавшись соотношением (4):
0
вычисляется значение величины фрагмента Δх. Это вычисленное значение Δх сравнивается с толщиной срезаемого слоя - а. В данном примере, при заданном режиме резания Δх=0,137 мм, а=0,179 мм, Δx≠a. Условие равенства не выполняется, следовательно, для достижения оптимального режима необходимо изменить скорость резания. Указанная процедура повторяется до тех пор, пока величина фрагмента Δх не сравняется с толщиной срезаемого слоя. В таблице 1 приведены расчетные данные параметров вибрационных и деформационных характеристик процесса резания в соответствии с примером конкретного применения, полученные при последовательном изменении скорости резания до получения результата Δx≈a (Δх=0,176; а=0,179). Этот оптимальный режим достигается при скорости резания V=2,97 м/с.
Таблица 1 - Расчетные данные параметров вибрационных и деформационных характеристик процесса резания, и соответствие их эксперименту.
Для доказательства оптимальных параметров полученного режима резания по критерию минимального износа инструмента проведены испытания режущего инструмента на износ. Условия испытания соответствуют условиям, приведенным в примере 1.
На фиг. 6 приведены графики, полученные в испытаниях на стойкость (износ) данного инструмента при обработке заготовок из стали 40ХН, t=1,5 мм, S=0,21 мм/об. Поз. 1 - изменение периода стойкости режущего инструмента от скорости резания, поз. 2 - изменение пути резания от скорости резания, поз. 3 - изменение отношения толщины сдвиговых деформаций к толщине срезаемого слоя
Таким образом, максимум пути резания, минимум относительного износа соответствует скорости резания V=2,97 м/с, а отношения Δх/а≈1,0.
Полученные данные подтверждают выполнение задач, на решение которых направлен заявляемый способ.
Пример 2. Условия токарной операции, как и в примере 1. Скорость резания V=3,8 м/с. Варьировали значение подачи. После определения фрагмента Δх в стартовом варианте режимов изменяли величину рабочей подачи. В таблице 2 приведены расчетные данные параметров вибрационных и деформационных характеристик процесса резания в соответствии с примером конкретного применения, полученные при варьировании значения подачи от S=0,075 до S=0,3 мм/об.
Условия Δх=а получены при подаче S=0,15 мм/об.
Таблица 2 - Расчетные данные параметров вибрационных и деформационных характеристик процесса резания, и соответствие их эксперименту.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет определять оптимальные значения режима резания, как в случае варьирования скорости резания, а также и изменением рабочей подачи (при невозможности изменения скорости резания).
Использование заявляемого способа определения оптимальных режимов процесса резания конструкционных сталей при постановке на производство нового изделия, существенно сокращает время отработки оптимальной технологии, т.е. снижает трудоемкость в целом технологического процесса.