Расчет и обеспечение режимов резания в САПР ТП на станках с ЧПУ при точении углеродистых сталей по требуемому параметру шероховатости поверхности

ЙпЛООБШТКА

УДК 621.9.015

Расчет и обеспечение режимов резания в САПР ТП на станках с ЧПУ при точении углеродистых сталей по требуемому параметру шероховатости поверхности

А. Л. Плотников, А. С. Сергеев, Н. Г. Зайцева

Введение

На современном этапе развития машиностроения вопрос обеспечения качества обработки поверхности деталей на станках с ЧПУ является одним из приоритетных. Он приобретает особую актуальность при работе станков с ЧПУ в режиме многостаночного обслуживания как одного из главных направлений по повышению производительности станочных работ. В практике металлообработки лезвийным инструментом очень часто случается так, что расчетное значение высоты микронеровностей, заложенное в технологический процесс на стадии его проектирования, не совпадает с измеренным. Причем измеренные значения или превышают расчетные и качество обработанной поверхности выходит за допуски по классу шероховатости, или расчетные значения завышены, что требует снижения подачи, а это уменьшает производительность. Известны факторы, влияющие на качество обработки при точении [1, 2], которые входят в формулы расчета Яа и Я2. Следует отметить, что расчетные формулы из справочной литературы рекомендованы для узкого диапазона сочетания инструментального и обрабатываемого материалов и имеют ограниченное применение. Данное обстоятельство затрудняет автоматизированный расчет высоты микронеровностей системой ЧПУ при смене условий обработки для новой контактной пары. Для решения этой проблемы необходимо построить математическую модель расчета высоты микронеровностей и ввести в нее оперативный параметр, характеризующий теплофизические свойства контактируемой пары: режущий инструмент — обрабатываемая сталь.

Разработка математической модели

В работе [1] при расчете значения Яа для каждой из четырех марок сталей (ст. 20, сталь 3, сталь 45, ст. 70) приводятся свои по-

правочные коэффициенты и степенные зависимости, призванные учесть изменяющиеся условия формирования высоты микронеровности. Но, даже полученные для одного вида контактной пары, они дают значительное расхождение между расчетным и фактическим значениями микронеровностей. На основе работы [1] было просчитано значение Яа при получистовой и чистовой наружной токарной обработке гладких валов из стали 45 твердосплавными сменными многогранными пластинами (СМП) марки Т15К6 по эмпирической формуле

БЬ1 (90 + у )А

т^3 Vk4

Условия обработки: глубина резания 0,51 мм, подача 8 - 0,11 - 0,34 мм/об, скорость резания V - 80 -180 м/мин, радиус закругления резца г - 1 - 1,2 мм, передний угол у -

- - 4°, главный угол в плане ф - 75°, вспомогательный угол в плане ф1 - 15°. Значения показателей в формуле (1): Ъх - 0,85, к2 -

- 0,65, к3 - 0,36, к4 - 0,15, К0 - 7,0 — взяты по рекомендациям работы [1]. Результаты эксперимента при Е = 10,8 мВ приведены в табл. 1.

Расчетные значения высоты микронеровностей сравнивали с измеренными профило-графом-профилометром «Абрис-ПМ7». Сравнение расчетных значений высоты микронеровностей по формуле (1) и измеренных показало значительные расхождения. Относительная ошибка расчетных значений по источнику [1] по сравнению с измеренными находилась в интервале 42-139 %. Подобные обстоятельства снижают эффективность металлообработки и не позволяют использовать математические модели расчета для рационального выбора режимов резания на стадии проектирования в САПР ТП или при работе станков с ЧПУ.

Можно предположить, что причина ошибок кроется в методике определения поправочного коэффициента К0 в формуле (1), кото-

И

№ 3(69)/2012

МЕТАЛЛООБРАБОТКА

МЕТАППИЦ!

Таблица 1

Шероховатость Яа, мкм

Скорость резания V, м/мин Подача в, мм/об Глубина резания t, мм измеренная по экспериментам расчетная по источнику [1] Процент относительной ошибки расчетная по формуле (3) Процент относительной ошибки

0,26 4,3 7,5 75 4,8 11

80 0,3 1 4,9 8,4 72 5,6 14

0,34 5,8 9,3 60 6,0 4

0,26 3,5 7,2 104 4,6 31

100 0,3 1 4,6 7,9 71 5,3 15

0,34 5,7 8,7 42 5,8 2

0,26 3,4 6,8 100 4,5 32

120 0,3 1 4,8 7,6 58 5,2 8

0,34 4,7 8,4 78 5,6 19

0,11 1,8 3,5 94 2,08 11

140 0,15 0,5 2,4 4,4 83 2,7 12

0,21 2,7 5,7 110 3,5 29

0,11 1,5 3,3 124 2,08 33

160 0,15 0,5 2,03 4,3 113 2,7 35

0,21 2,3 5,5 139 3,5 34

0,11 1,7 3,3 105 2,0 18

180 0,15 0,5 2,3 4,1 78 2,7 17

0,21 3,3 5,3 60 2,6 21

рыи должен учитывать свойства каждой контактной пары, но, представленный среднестатистическим значением, он не может учесть случайный характер формирования контактных пар из-за широкого допуска на физико-механические свойства инструментального и обрабатываемого материалов.

Была предпринята попытка использования формулы (1) для расчета высоты микронеровности при точении стали 45 другими марками инструментального материала. Оказалось, что при смене марки инструментального материала, обладающего повышенной теплопроводностью по сравнению с Т15К6, расхождение достигало 3-, 4-кратного значения с четко выраженной зависимостью: с увеличением теплопроводности СМП увеличивалась высота микронеровностей при прочих равных условиях токарной обработки, что подтвердило ранее приведенные данные в работе [2].

Кроме того, обнаружилось, что обработка вала из стали 45 пластинками сплава Т15К6 одной формы, но из разных партий спекания или разных заводов изготовителей в одних и тех же условиях обработки приводит к различной высоте микронеровностей, различающихся на класс шероховатости. Это связано с

различием по фазовому составу пластин различных партий спекания, т. е. с различным содержанием вольфрама в кобальтовой фазе в пределах, допускаемых по техническим условиям изготовления пластин (2-20 %). Различный уровень легирования кобальтовой связки вольфрамом в процессе спекания приводит к разбросу теплофизических характеристик определенной марки твердого сплава как внутри партии спекания, так и между партиями поставки.

В табл. 2 приведены данные по измерению параметра Яа при обработке стали 45 твердосплавными пластинами, рассортированными по значению термоЭДС пробного прохода, являющейся косвенной характеристикой их химического и фазового состава [3].

Таблица 2

Номер пластины

ТермоЭДС пластин марки Т15К6 Е, мВ

12,0 11,4 10,8 9,4

Шероховатость Е„,

3,21 1,05 0,95 0,75

Режимы обработки стали 45

t = 1 мм, в = = 0,11 мм/об, V = 160 м/мин, г = 1 мм, ф = 75°

Ф1 = 15°

мкм

метаАБШШ

Таблица 3

Марка пластины, справочное значение коэффициента теплопроводности, Вт/(м • К) [4] ТермоЭДС пластин Е, мВ Шероховатость Ка, мкм Режимы обработки стали 40Х

Т5К10, 38 14,4 6,4

t = 1 мм, в =

Т15К6, 27 12,3 5,1 = 0,26 мм/об,

ТТ7К12, 21 10,5 4,2 V = 100 м/мин,

г = 1 мм

ТН20, 11 7,9 3,1

Изменение высоты микронеровностей при обработке стали твердосплавными пластинами одной марки с различными значениями термоЭДС есть следствие изменения их теплопроводности по установленной зависимости: чем выше значение термоЭДС, тем выше теплопроводность [4].

Между марками твердого сплава, его теплопроводностью и термоЭДС проявляется аналогичная зависимость (табл. 3).

Использование формулы (1) для построения алгоритма автоматизированного расчета высоты микронеровностей в условиях получистового и чистового точения не представляется возможным из-за значительного расхождения расчетных и фактических значений.

Авторами настоящей статьи в целях решения проблемы обеспечения расчетного значения параметра шероховатости Яа автоматизированным (программным) путем на станках с ЧПУ были поставлены две задачи. Первая — расширить диапазон применения рекомендованной формулы (1) для группы углеродистых и низколегированных сталей при обработке их основными марками отечественных твердосплавных СМП на станках с ЧПУ, введя дополнительный информационный фактор, который оперативно учитывал бы изменение теплопроводности контактируемой пары как со стороны инструмента, так и со стороны обрабатываемой стали. Вторая — сделать модернизированную формулу (1) основой для построения алгоритма автоматизированного расчета высоты микронеровностей самой системой ЧПУ при смене условий обработки для новой контактной пары, заполнив при этом пробел в справочно-норматив-ной литературе.

Формула (1), как и другие, рекомендованные справочно-нормативной литературой, не учитывает влияния марки твердосплавного инструмента и его теплопроводности на

шероховатость. Влияние теплопроводности контактируемых пар на шероховатость обработанной поверхности связано с передачей количества выделенной при резании теплоты в инструмент и заготовку, т. е. через коэффициент теплоусвоения, представляющий собой отношение теплофизических характеристик инструмента и стальной заготовки. Количество теплоты, перешедшей в объем срезаемого металла, определяет долю хрупкого и вязкого разрушения в механизме стружкообразо-вания и оказывает влияние на механизм образования микронеровностей через температурную прочность металла.

В целях оперативной оценки теплофизиче-ских свойств каждой контактной пары были применены наработки по определению силовых и скоростных коэффициентов в формулах составляющих силы резания и скорости резания на основе измерения термоЭДС пробного прохода, когда эта величина использовалась не как температура резания, а как интегральная характеристика физико-механических свойств контактируемых пар [5, 6].

Коэффициент К0 в формуле (1) для получистового точения предлагается определять по зависимости

К0 = 0,474 + 0,11Е,

где Е — термоЭДС предварительного пробного прохода, мВ, измеренная на режимах резания: V = 100 м/мин, 8 = 0,1 мм/об, t = 1 мм.

Для каждой новой контактной пары модернизированная формула выглядит следующим образом:

ч вх

Ка = (0, 474 + °,11Е) "

Результаты расчета Яа на основе модернизированной формулы (3) представлены в табл. 1. Использование в формуле (3) оперативной информации из зоны резания позволяет определять сочетание теплофизических свойств каждой контактной пары до начала обработки по технологическому процессу по значению термоЭДС предварительного пробного прохода и вести расчет параметра Яа с учетом свойств каждой новой контактной пары.

Результаты сравнения измеренных значений Яа с расчетными при обработке стали 20 резцом Т15К6 (Е = 11,8 мВ), стали 20 резцом Т5К10 (Е = 13,6 мВ), стали 40Х резцом ТН20 (Е = 7,9 мВ) с использованием зависимости (3) приведены в табл. 4. Геометрические па-

МЕТАЛЛООБРАБОТКА

МЕТЙШШ1

Таблица 4

Скорость резания V, м/мин Подача мм/об Расчетное Ва, мкм (ст. 20, Т15К6, Е - 11,8 мВ) Измеренное Ва, мкм Расчетное Ва, мкм (ст. 20, Т5К10, Е - 13,6 мВ) Измеренное Ва, мкм Расчетное Ва, мкм (40Х, ТН20, Е - 7,9 мВ) Измеренное значение Ва, мкм

0,26 4,7 4,1 5,8 4,5 3,8 2,85

80 0,3 5,6 4,7 6,6 5,7 4,5 2,9

0,34 6,2 6,3 7,4 6,7 4,9 3,1

0,26 4,6 4,1 5,6 4,9 3,7 3,1

100 0,3 5,4 4,4 6,4 5,5 4,3 5,0

0,34 6,0 5,1 7,1 6,1 4,7 4,1

0,26 4,5 3,8 5,5 4,3 3,6 2,3

120 0,3 5,2 4,2 6,2 5,1 4,1 3,0

0,34 5,8 4,8 6,9 5,3 4,5 4,3

раметры твердосплавных пластин те же, что и в табл. 1.

Оперативное определение значения коэффициента К0 позволяет значительно увеличить точность расчета высоты микронеровностей при заданных режимах обработки и обеспечить совпадение их значений с фактическими по классу шероховатости.

Адекватность математической модели (3) была проверена также при получистовом точении стали ШХ15 сплавом ТТ7К12 и показала удовлетворительную сходимость расчетных и измеренных значений.

Выводы

1. Базовая математическая модель расчета высоты микронеровностей для получистового и чистового точения углеродистых сталей твердосплавным инструментом, данная в работе [1], при введении в нее оперативного параметра, характеризующего теплофизиче-ские свойства контактной пары К0, может использоваться для расчета параметра шероховатости Ва при обработке конструкционных и малолегированных сталей всей гаммой твердосплавных инструментов.

2. Максимальная относительная ошибка расчета Ва по формуле (3) при сравнении с измеренной величиной составляет +37 %, но эта ошибка не выходила за пределы допуска 4-6-го класса шероховатости по ГОСТ 2789-79.

3. Модифицированная формула (3) позволяет использовать ее как основу для построения блок-схемы алгоритма автоматизированного расчета высоты микронеровностей в САПР ТП [7] или специальным блоком самой системы ЧПУ.

Литература

1. Справочник технолога-машиностроителя. В 2 т. Т. 1 / Под ред. А. М. Дальского, А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова, А. Г. Суслова. 5-е изд., исправл. М.: Машиностроение-1, 2003. 912 с.

2. Зорев Н. Н. Развитие науки о резании металлов. М: Машиностроение, 1967. 416 с.

3. А. с. № 1009609. Способ определения режущих свойств твердосплавных инструментов / А. Л. Плотников, Е. В. Дудкин. Бюл. № 13. 1983.

4. Плотников А. Л., Таубе А. О. Управление режимами резания на токарных станках с ЧПУ. Волгоград: Политехник, 2003. 184 с.

5. Пат. № 2063307 Российская Федерация. С1 6 В 23 В 25/06. Способ определения допустимой скорости резания при механической обработке детали твердосплавным инструментом / А. Л. Плотников. № 94010673/08, заявл. 29.03.94; опубл. 10.07.96. Бюл. № 19.

6. Пат. № 2120354 Российская Федерация. С1 В 23 В 25/06. Способ определения составляющих силы резания на токарных станках с ЧПУ / А. Л. Плотников, В. В. Еремеев. № 97116947/20, заявл. 14.10.97. Бюл. № 29.

7. Плотников А. Л., Чигиринский Ю. Л., Фролов Е. М., Крылов Е. Г. Новая методика построения модулей расчета режимов резания в САПР ТП механической обработки // СТИН. 2009. № 2. С. 19-25.

№ 3(69)/2012

45