СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ РЕЗАНИЯ
METHOD OF ACCELERATED DETERMINATION OF OPTIMUM CUTTING SPEED

Изобретение относится к области обработки металлов и сплавов резанием и может быть использовано для выбора оптимального режима резания, обеспечивающего минимум износа, а также инструментального материала максимальной производительности.
Известны способы определения оптимального режима изнашивания при обработке резанием, основанные на экспериментальном установлении экстремальных зависимостей силы, коэффициента трения, интенсивности изнашивания и характеристик качества поверхности от внешних воздействий на систему трения (резания) - скорости, давления или сечения срезаемого слоя [1-5 Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. Киев: Технiка, 1970. - 395 с.]. Эти способы можно считать классическими, их недостатком является необходимость проведения трудоемкости и дорогостоящих экспериментов по установлению оптимального режима изнашивания.
Известен также используемый в условиях резания металлов метод нахождения оптимальной величины подачи как точки пересечения линий графиков термоЭДС на передней и задней поверхностях инструмента при вариации подачи в выбранном диапазоне [Рыжкин А.А. Синергетика изнашивания инструментальных режущих материалов. Ростов н/Д, Изд. центр ДГТУ, 2004. с.214].
Метод обеспечивает получение данных, удовлетворительно согласующихся с табличными, но трудоемок и требует использования специального разрезного резца с его точной регулировкой.
м.p.
м.р.
Известен способ определения оптимальной скорости резания для твердосплавных инструментов, заключающийся в том, что при разных температурах Q (4-6) точек производят стандартные измерения твердости сплава по Виккерсу и по графикам lgHV=f(Q) находят точку перелом этих линий, которая является температурой максимальной работоспособности Q, а затем по графику зависимости Q=t(V) определяют по этой температуре Q оптимальную скорость. Несмотря на сравнительную простоту реализации самого способа, он достаточно трудоемок, так как требует применения защитной атмосферы (или вакуума) при измерениях твердости при разных температурах; в противном случае не исключено неконтролируемое влияние на твердость образующейся на твердом сплаве оксидной пленки и смещение точки перелома прямых lgHV=f(Q) [Патент RU №2173611, В23В 1/00, 2001 г.].
Известен способ определения оптимальной скорости резания, суть которого состоит в том, что осуществляется предварительный нагрев твердосплавных образцов, и температура, при которой в окисленной поверхности твердого сплава возникает парамагнитное состояние, соответствующее минимуму поглощенной энергии СВЧ, - выбирается в качестве исходного параметра. Затем по температуре этого минимума по графику «температура - скорость резания» находится оптимальная скорость [Патент RU №2168394, В23В 1/00, 2000 г.].
Этот способ имеет физическое обоснование, но сложен в реализации и достаточно трудоемок.
<mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>˜</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover>
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>ε</mi></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>˜</mo></mover><mo>/</mo><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover></mrow>
Наиболее близким по выполнению является способ определения оптимальной скорости резания, заключающийся в том, что режущий инструмент и деталь включают в электрическую цепь, регистрируют переменную
и постоянную
составляющие термоЭДС зоны резания, а оптимальную скорость резания определяют по минимуму или точке перегиба кривой параметра
как функции скорости (авторское свидетельство SU №903750, В23В 1/00, 1982 г.).
Недостаток этого способа состоит в недостаточно высокой точности определения скорости.
Техническим результатом изобретения является повышение точности выбора оптимальной скорости резания при подборе инструментального материала с максимальной износостойкостью.
z
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>P</mi><mo>˜</mo></mover><mi>z</mi></msub></mrow>
<mover accent="true"><mi>υ</mi><mo>˜</mo></mover>
<mrow><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˜</mo></mover><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>P</mi><mo>˜</mo></mover><mi>z</mi></msub><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo>˜</mo></mover></mrow>
<mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˜</mo></mover>
Технический результат достигается тем, что для пары инструмент-деталь при различных скоростях резания v определяют тангенциальные силы резания P флуктуации тангенциальных сил резания
и флуктуации скорости резания
, а в качестве критерия оптимальной скорости резания используют мощность флуктуации
, при этом значение оптимальной скорости резания, соответствующей минимальной интенсивности изнашивания инструмента, определяют по максимальному значению мощности флуктуаций, полученной на кривой изменения комплекса
.
z
N
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>P</mi><mo>˜</mo></mover><mi>z</mi></msub></mrow>
<mover accent="true"><mi>υ</mi><mo>˜</mo></mover>
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>N</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˜</mo></mover><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>¯</mo></mover></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mover accent="true"><mi>P</mi><mo>˜</mo></mover><mi>z</mi></msub><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo>˜</mo></mover></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mi>z</mi></msub><mi>υ</mi></mrow></mfrac></mrow>
Технический результат достигается также тем, что для пары инструмент-деталь при различных скоростях резания v определяют тангенциальные силы резания P, флуктуации тангенциальных сил резания
, и флуктуации скорости резания
, а в качестве критерия оптимальной скорости резания используют коэффициента использования мощности флуктуации
, при этом значение оптимальной скорости резания, соответствующей минимальной интенсивности изнашивания инструмента, определяют по точке перелома коэффициента использования мощности флуктуации, полученного на кривой изменения комплекса K.
z
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>P</mi><mo>˜</mo></mover><mi>z</mi></msub></mrow>
<mover accent="true"><mi>υ</mi><mo>˜</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>˜</mo></mover>
<mrow><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mover accent="true"><mi>P</mi><mo>˜</mo></mover><mi>z</mi></msub><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo>˜</mo></mover></mrow><mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>˜</mo></mover></mfrac></mrow>
<mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover>
Технический результат достигается также тем, что для пары инструмент-деталь при различных скоростях резания v определяют тангенциальные силы резания P, флуктуации тангенциальных сил резания
, флуктуации скорости резания
и переменную термоЭДС
, а в качестве критерия оптимальной скорости резания используют аналог производства энтропии от тепловых процессов на контакте
, при этом значение оптимальной скорости резания, соответствующей минимальной интенсивности изнашивания инструмента, определяют по максимальному значению параметра аналога производства энтропии от тепловых процессов на контакте, полученного на кривой изменения комплекса
.
<mrow><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˜</mo></mover><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>P</mi><mo>˜</mo></mover><mi>z</mi></msub><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo>˜</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mover accent="true"><mi>P</mi><mo>˜</mo></mover><mi>z</mi></msub><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo>˜</mo></mover></mrow><mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>˜</mo></mover></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>N</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˜</mo></mover><mover accent="true"><mi>N</mi><mo>¯</mo></mover></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mover accent="true"><mi>P</mi><mo>˜</mo></mover><mi>z</mi></msub><mover accent="true"><mi>υ</mi><mo>˜</mo></mover></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mi>z</mi></msub><mi>υ</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>ε</mi></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>˜</mo></mover><mo>/</mo><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover></mrow>
Отличием предлагаемого способа является использование в качестве критерия выбора оптимальной скорости комплексов или
, или
, или
, вместо коэффициента
.
Ниже приведен пример осуществления изобретения.
Параметры, входящие в математические зависимости, измеряемые при резании на специальной установке, смонтированной на базе токарно-винторезного станка 1K625:
z
- сила P измерялась динамометром УДМ-600;
- термоЭДС зоны резания E-милливольтметром по стандартной схеме;
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>V</mi><mo>˜</mo></mover><mi>z</mi></msub></mrow>
- для определения флуктуации скорости
регистрировали линейные колебания державки инструмента акселерометрами датской фирмы Брюэль и Кьер типа 4329. Сигналы от акселерометров поступали в усилитель-интегратор, а затем регистрировались милливольтметром переменного тока B3-57 и записывались милливольтметром HB38-4;
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>P</mi><mo>˜</mo></mover><mi>z</mi></msub></mrow>
- переменная составляющая усилия резания
измерялась милливольтметром переменного тока B3-28A и регистрировалась самописцем;
- скорость резания V обеспечивалась кинематикой станка 1K625;
<mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>˜</mo></mover>
- переменный сигнал термоЭДС
, отображающий флуктуации температуры на контакте, выделялся из рабочего сигнала термоЭДС E по специальной схеме, усиливался усилителем и регистрировался ламповым вольтметрам (см. рис.5.13, стр.265, в монографии Рыжкина А.А. Синергетика изнашивания инструментальных режущих материалов. Ростов-на-Дону, изд. центр ДГТУ, 2004).
-3
-3
Резцом с 5-гранной пластиной твердого сплава T15K6 обтачивали болванку из Ст35 на режимах: t=0,5·10 м; S=0,11·10 м/об, скорость резания V изменялась в пределах 1,0-5,00 м/с.
<mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˜</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˜</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover>
N
N
-3
-3
На рис.1-3 представлены графики изменения комплексов
, K,
для точения стали 35 резцами из твердых сплавов T15K6 и BK8 при вариации скоростей резания от 1 до 5 м/с (t=0,5·10 м; S=0,11·10 м/об). На рис.1 и 2 нанесены также экспериментальные данные интенсивности изнашивания резцов из сплавов T15K6 и BK8 (кривая J). Как видно, при оптимальной скорости резания, соответствующей минимуму износа, экспериментальные комплексы
,
принимают максимальные значения, а K имеет точку перелома. Сравнение оптимальных скоростей резания для твердых сплавов BK8 и T15K6 показывает, что сплав T15K6 более производителен, так как оптимальная скорость для него больше, чем сплава BK8 (2,71 м/сек и 2,17 м/с).
<mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˜</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>υ</mi><mo>˜</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>˜</mo></mover>
N
Полученные экспериментально закономерности изменения комплексов
,
, K, от скорости резания соответствуют их термодинамической интерпретации и физическому смыслу: флуктуации скоростей
и
отображают флуктуации температур и являются источниками «отрицательной» энтропии (негэнтропии) относительно зоны контакта, в который имеет место накопление энтропии и износ инструментального материала, т.е. при этих условиях система резания характеризуется повышением диссипативных возможностей зоны контакта, из-за чего уменьшается накопление энтропии и интенсивность изнашивания.
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>ε</mi></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>˜</mo></mover><mo>/</mo><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>¯</mo></mover></mrow>
Для сравнения на рис.1 приведен график изменения величины
. Как видно из рисунка, скорость, соответствующая точке перелома кривой, для T15K6 отличается от скорости, соответствующей минимальному износу (кривая J).
<mover accent="true"><mi>N</mi><mo>˜</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˜</mo></mover>
N
Таким образом, предполагаемый способ с использованием термодинамических комплексов
,
и K, позволяет повысить точность выбора оптимальной скорости резания при подборе инструментального материала с максимальной износостойкостью.