Энергопотребление при обработке отверстий быстрорежущими сверлами

УДК 621.9.02

Энергопотребление

при обработке отверстий

быстрорежущими сверлами

А.Е. Древаль, П.Ю. Щелокова

Зависимость стойкости инструментов из быстрорежущих сталей от скорости резания носит экстремальный характер. При проектировании операций обработки резанием приходится решать задачи оптимизации по многим критериям. В связи с этим научный и практический интерес представляют изменения энергопотребления процесса обработки с учетом характера изменений стойкости.

В статье рассмотрена операция сверления отверстий. Установлено, что функциональному отказу сверла с ростом наработки, проявляющемуся в виде сколов лезвий зубьев или поломок инструмента, предшествует изменение характера динамических показателей сверления. Это проявляется в том, что относительно плавное нарастание момента резания с увеличением наработки прерывается резкими «всплесками» момента сверления, сопоставимыми с моментом прочности инструмента. Значения моментов сверления, при которых происходит изменение характера динамики процесса, зависят от параметров резания, диаметров сверл и свойств обрабатываемого материала и определяются с помощью экспериментально определенного коэффициента К, устанавливающего взаимосвязь момента разрушения сверла с моментом сверления, предшествующим появлению «всплесков». Разработана частная зависимость коэффициента Кот основных параметров и условий сверления. Установлена связь момента сверления с длительностью наработки инструмента до функционального отказа при различных значениях скорости резания. Это позволяет определять значения мощности сверления в течение обработки и, как следствие, энергопотребление. Установлено, что зависимость энергопотребления от скорости сверления имеет экстремальный характер, при этом скорости резания, при которых наблюдается максимум энергопотребления и максимум наработки, совпадают.

Ключевые слова: режущий инструмент, сверло, скорость резания, износ, момент сверления, мощность, энергопотребление.

ДРЕВАЛЬ Алексей Евгеньевич

DREVAL' Aleksey Evgen'evich

ЩЕЛОКОВА Полина Юрьевна

SHCHELOKOVA Polina Yur'evna

Energy consumption in high-speed hole drilling

A.E. Dreval', P.Yu. Shchelokova

The high-speed steel tool life strongly depends on the cutting speed. The development of cutting operations implies solving multiple-criteria optimization problems. In this context, the dependence of energy consumption on the tool life is of particular scientific and practical interest. This paper deals with hole drilling operations. It has been found that the functional failure of drills manifests itself in the form of tooth or tool damage and is preceded by changing the nature of dynamic drilling parameters. A relatively smooth increase of the cutting torque with operation time is interrupted by abrupt busts of the drilling torque compara-

ble with the ultimate strength of the tool. The values of the drilling torque at which the process character changes depend on cutting parameters, diameters of drills and work material properties. They are determined by the experimental coefficient K setting up a correspondence between the tool failure torque and the drilling torque preceding abrupt busts. The dependence of the coefficient K on the main parameters and drilling conditions is established. The relationship between the drilling torque and the tool operation time before failure at different cutting speeds is formulated. This allows determining the drilling power and, consequently, energy consumption. It has been found that the dependence of the energy consumption on the drilling speed is extreme in nature, with the energy consumption and operation time being maximum at the same cutting speed.

Keywords: cutting tools, drill, cutting speed, drilling torque, failure torque, tool life, power, energy consumption.

Зависимости стойкости быстрорежущих инструментов при обработке заготовок из конструкционных углеродистых сталей от скорости резания носят экстремальный характер, что подтверждено многочисленными исследованиями, выполненными в МГТУ им. Н.Э. Баумана под руководством профессора Г.И. Грановского [1, 2].

Результаты ресурсных испытаний спиральных сверл из быстрорежущей стали Р6М5 (ГОСТ 10903-77) диаметром d = 10,2 мм при обработке сквозных отверстий глубиной 3d в стали 45 (190 HB) с подачей S = 0,23 мм/об, СОЖ — 5% раствор эмульсола «Укринол1» представлены на рис. 1.

Испытания проводились до предельного состояния инструмента (отказа), что проявлялось в виде крупных сколов зубьев или поломках инструмента. В ходе испытаний фиксировалась наработка при одинаковых значениях износа задних поверхностей.

Согласно рис. 1 при прочих равных условиях сверления инструменты, работающие на различных скоростях резания, просверлили до наступления отказа различное количество отверстий. То же наблюдается при достижении сверлами одинаковой величины износа.

В процессе сверления происходит постепенное накопление дефектов на инструменте в виде износа рабочих элементов — ленточек

L, м 100

80

60

40

20

[ ( \

\

7 / \

\

u \

.........

/ ^ 4

л i¿3 t

/ // \L2 s /

и 6 12 18 24 30 у, м/мин

Рис. 1. Зависимость наработки сверл от скорости резания:

1 — при функциональных отказах; 2 — Н3 = 0,3 мм;

3 — Н3 = 0,4 мм; 4 — Н3 = 0,5 мм при критериях равного износа

и задних поверхностей. Изнашивание инструмента сопровождается увеличением момента и осевой силы сверления. При определенном уровне износа изменяются физические условия контакта рабочих поверхностей инструмента и заготовки, которые приводят к резкому возрастанию момента сверления и, как следствие, к отказу инструмента в виде разрушения.

Экспериментальные исследования показывают, что сверла можно эксплуатировать до того значения момента сверления Мрездоп, которому предшествует появление «всплесков» момента, обусловленных схватыванием изношенных поверхностей инструмента с заготовкой. Достижение состояния схватывания поверхностей ленточек или задних поверхностей с заготовкой происходит с различной интенсивностью, зависящей от скорости резания. В качестве примера на рис. 2 представлены экспериментально полученные зависимости средних значений момента сверления от величины износа при различных скоростях сверления (условия обработки представлены на рис. 2). На монотонно возрастающих зависимостях наблю даются

Рис. 2. Зависимость момента резания Мрез от износа задних поверхностей и ленточек сверла при £ = 0,2 мм/об; й =10,2 мм; сталь 45 197-205 НВ:

1 — V =3 м/мин; 2 — V =7,8 м/мин; 3 — V = 31,2 м/мин

МАШИНОСТРОЕНИ

«всплески» момента сверления, близкие или сопоставимые с моментом прочности инструмента. В статье не рассматриваются физические причины и вклад износа отдельных конструктивных элементов в формирование отказов инструмента в различных диапазонах скорости резания, более подробная информация по этому вопросу представлена в работе [3]. Следовательно, необходимо выдерживать соотношение

Мрез.доп — Мразр/ К,

где Мразр — момент разрушения инструмента; К — коэффициент, характеризующий соотношение между Мразр и Мрездоп на данном режиме обработки, при котором с учетом износа режущих элементов инструмента проявляются качественные изменения зависимости Мрез = = / (к) — возникают «всплески» момента.

Коэффициент К является сложной функцией и зависит от большого количества действующих факторов. В первую очередь это: физико-химические свойства контактирующих материалов инструмента и заготовки; параметры режима резания; геометрические особенности режущих лезвий, которые определяют энергетическое состояние в зоне резания.

С учетом большого количества действующих факторов для расчета коэффициента К принят эмпирический подход, заключающийся в том, что для определенного класса обрабатываемых материалов экспериментально установлены частные зависимости К от основных параметров сверления. Зависимости К от значений диаметра сверл, скорости и подачи при сверлении, твердости заготовки представлены на рис. 3. Эксперименты при сверлении стали 45 твердостью 197—205 НВ проводились до поломки сверл, каждый опыт повторялся не менее 3 раз.

Общая зависимость коэффициента К от указанных параметров, установленная на основе частных, имеет вид

К = 3,833 10—1 V °'2492 6—0'8331 й °'304 НВ0'0924.

Результаты расчета коэффициента К для условий сверления, соответствующих представленным выше и на рис. 1, отражены в сводной таблице. По значению коэффициента К можно определить момент и мощность резания, которые предшествуют наступлению функционального отказа сверла при конкретном значении скорости резания.

2,5

\ / к- -As) K=Av

~K=Ai )

у i— 1х \ )

3 7,8 31,2 1 1 1 1 1 1

0,1 0,2 0,3 0,5 0,8

6,8 10,2 21

240

280

S, мм/об d, мм НВ

180 201

Рис. 3. Зависимость коэффициента К = Мразр/Мрездоп от основных параметров процесса сверления

Автор работы [4] на основании анализа большого числа расчетных моделей моментов разрушения Мразр и осевой силы разрушения Рразр доказывает, что сверла соответствующие ГОСТу, имеющие нормальный вылет, разрушаются под действием крутящего момента, кгс/мм, который может быть определен по формуле

Мразр = 0,026.1G1,

4 m + 0,2л

q3,

где т — безразмерный параметр, учитывающий отношение диаметра сердцевины сверла к к его диаметру й, т = к/й; п — безразмерный параметр, учитывающий отношение ширины зуба в сечении, перпендикулярном винтовой линии сверла В к его диаметру, п = В/й; ттах — предел хрупкой прочности быстрорежущей стали сверла, ттах = 155... 175 кгс/мм2; д — диаметр спинки сверла.

Для сверла диаметром й =10,2 мм с учетом интервала значений т момент разрушения Мразр = = 69,6...78,6 Н-м. Приведенные ниже расчеты выполнены для среднего значения Мразр= 74,1 Н-м.

Таким образом, зависимости (1)—(3) позволяют установить момент сверления Мразр. доп, предшествующий разрушению инструмента, в зависимости от скорости резания.

При анализе энергопотребления при сверлении принято, что скорость резания не оказывает существенного влияния на величину момента сверления при использовании острозаточен-ных сверл (не изношенных). Правомерность этого положения подтверждается экспериментально. На рисунке 2 видно, что первоначальные значения моментов резания при сверлении с различными скоростями достаточно близки. Этот факт отражен в нормативах режимов реза-

т

max

Известия высших учебных ©аведений

ния, в базовых расчетных зависимостях которых момент сверления функционально не связан со скоростью резания. Одновременно скорость резания оказывает влияние на интенсивность и характер изнашивания рабочих элементов инструмента и, как следствие, на скорость увеличения момента сверления.

При расчете энергетических показателей при сверлении принято, что момент сверления по мере накопления износа рабочих элементов сверла возрастает по линейной зависимости. Это подтверждается специально выполненными лабораторными экспериментами с использованием сверл диаметрами 6,8; 10,2; 21 мм по установлению зависимости увеличения моментов сверления по мере увеличения износа задних поверхностей и ленточек сверл (см. рис. 2). Представленные данные показывают, что средние значения моментов резания монотонно возрастают с увеличением износа и могут быть аппроксимированы с достаточной точностью прямой линией на участках до появления «всплесков» момента.

С учетом линейного характера зависимостей Мрез= /(к), Н-м/мин, скорость увеличения момента сверления

^зн = АМрез I А

где АМрез I — приращение момента сверления от начального М0 до предельного значения (при отказе) Мрез. д0П, АМрез = Мрез. д0П - М^ t — время работы сверла, мин.

Результаты экспериментального исследования наработки сверл (см. рис. 1) позволяют определить время работы сверл t до предельного

состояния в диапазоне скоростей резания от 5 до 30 м/мин по формуле

t =

1000Ь пйЬ

£ 0П

£ 0 ^

Результаты расчетов представлены в сводной таблице.

Мощность процесса сверления в конкретный момент времени t с учетом возрастания момента резания вследствие износа рассчитывается по формуле

М.П (М0 + ^зн ^)п

N _

(М0 + Vизн ^У

9556 1 000v

пй

9556

(М0 + V и

^ )•1000v

9556 9 556пй

Затраты энергии на процесс сверления

^ )•1000v

_ 1 г _ 1 г (М0 + V

Е _ 60 -0 _ 60 -0 9556пй

Л _

1 1000у 60 9 556пй

1 1 000v

- (М

0 + V изн

60 9 556пй

М0t + Vизн I у

^ й _

t2 V

Результаты расчета энергозатрат на процесс сверления на различных скоростях на примере сверления отверстий (см. рис. 1) представлены в сводной таблице. В сводной таблице приведены результаты расчета энергопотребления при эксплуатации сверл до наступления функционального отказа. Аналогичные расчеты, выполненные при наработке сверл до достижения изно-

Сводная таблица расчета энергопотребления

0

0

Характеристика Значение

Скорость резания V, м/мин 6 9 12 15 21 25,8 30

Наработка Ь, м 22 48 82 104 60 50 43

Время работы t, мин 510,6 742,7 951,6 965,5 397,9 269,9 199,6

Расчетное значение коэффициента К 2,417 2,674 2,873 3,037 3,302 3,476 3,609

Расчетное значение Мрез. доп, Нм 30,659 27,713 25,796 24,400 22,438 21,316 20,530

Начальное значение М0, Н-м 11,116

Прирост АМ, Н-м 2,758 2,493 2,320 2,195 2,018 1,918 1,847

Скорость нарастания момента vизн, Н-м/мин 0,005939 0,005368 0,004997 0,004726 0,004346 0,004129 0,003977

Мощность процесса сверления N кВт 0,277 0,444 0,622 0,768 0,881 1,031 1,167

Энергопотребление Е, кВт-ч 2,106 4,770 8,387 10,561 5,449 4,424 3,752

Рис. 4. Зависимость мощности сверления от скорости резания при достижении:

1 — функционального износа; 2 — равного износа h3 = 0,5 мм; 3 — равного износа h3 = 0,3 мм

са задних поверхностей до величин равного износа (см. рис. 1), представлены на рис. 4 и рис. 5.

Выводы

1. При сверлении отверстий в конструкционных сталях в диапазоне скоростей резания 6...30 м/мин с ростом наработки изменяется характер динамики процесса. Относительно монотонное нарастание момента сверления при определенных значениях износа инструмента ограничено возникновением резких «всплесков» моментов сверления, приводящих к функциональным отказам в виде разрушения рабочих элементов или сверла в целом.

2. Установлено, что соотношение между моментом сверления, предшествующим возникновению «всплесков», и моментом разрушения сверла зависит от конструктивных размеров, параметров режима резания и условий и материала заготовки. Предложена эмпирическая зависимость для определения коэффициента, характеризующего это соотношение.

3. Мощность процесса при наступлении функциональных отказов и при сверлении до достижения равного износа задних поверхностей возрастает по линейной зависимости от скорости резания.

4. Энергопотребление при сверлении имеет нелинейный экстремальный характер в зависи-

Информация об авторах

ДРЕВАЛЬ Алексей Евгеньевич (Москва) — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Инструментальная техника и технологии». МГТУ им. Н.Э. Баумана (105005, Москва, Российская Федерация, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1, e-mail: dreval_a@mail.ru).

ЩЕЛОКОВА Полина Юрьевна (Москва) — инженер ОАО «Второй Московский приборостроительный завод» (101000, Москва, Российская Федерация, Россолимо ул., д. 17).

Information about the authors

DREVAL' Aleksey Evgen'evich (Moscow) — Dr. Sc. (Eng.), Professor, Head of «Instrumental Technique and Technology» Department. Bauman Moscow State Technical University (BMSTU, building 1, 2-nd Baumanskaya str., 5, 105005, Moscow, Russian Federation, e-mail: dreval_a@mail.ru).

SHCHELOKOVA Polina Yur'evna (Moscow) — Engineer of OJSC «Second Moscow Instrument Making Plant» (Rossolimo str., 17, 101000, Moscow, Russian Federation).

v, м/мин

Рис. 5. Зависимость энергопотребления от скорости резания при наработке:

1 — до функционального износа; 2 — до равного износа h3 = 0,5 мм; 3 — до равного износа h3 = 0,3 мм

мости от скорости резания. Максимальные значения энергопотребления соответствуют значениям скоростей резания максимальной наработки. Изменения величин допустимого износа сверл оказывает существенное влияние на наработку и энергопотребление.

Литература

[1] Резание и инструмент. Тр. МВТУ им. Н.Э. Баумана. Москва, 1975, № 178, 161 с.

[2] Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. Москва, Высшая школа, 1985, 304 с.

[3] Древаль А.Е., Рагрин Н.А., Самсонов В.А. Формирование отказов спиральных сверл в условиях массового производства. Электронный научно-технический журнал. Режим доступа: http:// tecnomag. edu. ru/ doc/ 250866 (дата обращения 26 августа 2013).

[4] Жилис В.И. Исследование некоторых вопросов прочности спиральных сверл различных конструкций. Вильнюс, ЛитНИИНТИ, 1967,70 с.

References

[1] Rezanie i instrument [Cutting and tool]. Trudy MVTUim. N.E. Baumana [Proceedings of the Bauman Moscow State Technical University]. Moscow, 1975, no. 178, 161 p.

[2] Granovskii G.I., Granovskii V.G. Rezanie metallov [Cutting of metals]. Moscow, Vysshaia shkola publ., 1985. 304 p.

[3] Dreval' A.E., RagrinN.A., Samsonov V.A. Formirovanie otkazov spiral'nykh sverl v usloviiakh massovogo proizvodstva [Spiral Drills Failure Generation in Automated Operation]. Nauka i obrazovanie MGTUim. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU]. Available at: http:// tecnomag. edu. ru/ doc/ 250866. html (accessed 26 August 2013).

[4] Zhilis V.I. Issledovanie nekotorykh voprosovprochnosti spiral'nykh sverl razlichnykh konstruktsii [A study of some problems of strength of twist drills of various designs]. Vil'nius, LitNIINTI publ., 1967. 70 p.

Статья поступила в редакцию 28.08.2013