Расчет скорости резания при многолезвийной обработке

Расчет скорости резания при многолезвийной обработке

Министерство образования и науки РФ

ФГБ ОУ ВПО Волгоградский Государственный Технический Университет

Кафедра «Автоматизация производственных процессов»

СЕМЕСТРОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Управление системами и процессами в машиностроении»

Тема: «Расчет скорости резания при многолезвийной обработке»

Выполнил: ст. гр. ТОА-425 Лысиков М.С.

Проверил: Сергеев А.С.

Волгоград 2012

Содержание

Введение

Задание

1. Расчет скорости резания по различным источникам

2. Анализ причин расхождения расчетных значений скорости резания, преимущества и недостатки существующих методик

. Альтернативный метод расчета режимов резания

3.1 Предпосылки использования альтернативного метода расчета

3.2 Физические основы использования величины термоЭДС пробного прохода как метода оценки свойств контактируемых пар

3.3 Расчет скорости резания альтернативным методом

4. Разработка блок-схемы алгоритма автоматизированного выбора скорости резания для станков с ЧПУ

Заключение

Список литературы

Введение

многолезвийный резание автоматизированный

На основе достижений электроники, вычислительной техники и приборостроения были разработаны принципиально новые системы программного управления - системы ЧПУ, широко используемые в промышленности. Совершенствование данных систем позволяет добиться высокой автоматизации процесса резания.

Но процесс резания по своей природе нестабилен, а потому необходимо разрабатывать методы по повышению его надежности - т.е., стабильности самого технологического процесса. Под стабильностью подразумевается выпуск определенного количества качественной продукции за заданный промежуток времени.

Период стойкости инструмента - один из основных факторов, влияющих на стабильность процесса резания. В зависимости от него определяют значения режимов резания. В настоящее время существует множество методик расчета этих значений, однако, расхождения значений, полученных при разных методах, может доходить до 200%.

В этом и заключается основная проблема - методики не обеспечивают оптимальных режимов, тем самым затрудняют автоматизацию процесса резания.

Одним из путей решения этой проблемы является разработка новых методик, учитывающих не только механические, но и теплофизические свойства материала.

Таким направлением является разработка концепции оперативной оценки сочетания физико-механических и теплофизических свойств каждой контактной пары, автоматизированный выбор режимов резания с учетом этих свойств и корректировка режимов при их изменении. Одним из таких методов является альтернативный метод расчетов режимов резания, основанный на применении термо-ЭДС.

В работе анализируется методика расчета основных параметров режима резания при токарной обработке и выявления факторов, влияющих на расчет скорости резания для токарной обработки по справочной литературе, причины расхождения расчетных значений скорости резания и расчет скорости резания альтернативным методом. В заключении будет разработана блок-схема автоматизированного выбора оптимальных по производительности режимов токарной обработки на станках с ЧПУ.

Задание

Данные

Тип токарной обработки: чистовая

Материал режущей части: Т15К6

Материал заготовки: Сталь 25ХГС

Диаметр фрезы: D = 100 мм

Ширина фрезерования: D = 90 мм

Глубина фрезерования: t = 0,9 мм

Количество зубьев: z = 8

Подача на зуб: S = 0,15 мм

Геометрия инструмента: сменные твердосплавные пятигранные пластины

Состояние поверхности заготовки: без корки

Временное сопротивление: 870 МПа

Рассчитать скорость резания для фрезерной обработки по справочно-нормативной литературе.

Проанализировать причины расхождения расчетных значений скорости резания, недостатки существующих методик.

Рассчитать скорости альтернативным методом.

Определить физические основы альтернативного метода расчета.

Разработать блок схему алгоритма автоматизированного выбора скорости резания для станков с ЧПУ.

1. Расчет скорости резания по различным источникам.

Способ №1: Справочник технолога-машиностроителя. Под ред. А.Г. Косиловой, Р.К.Мещерякова. [1]

V=∙Кv,

где Кv - общий поправочный коэффициент на скорость резания, учитывающий фактические условия резания.

Кv= Кмv. Кпv. Киv,

где Кмv - коэффициент, учитывающий качество обрабатываемая поверхности;

Кпv - коэффициент, учитывающий состояние обрабатываемая поверхности заготовки;

Киv - коэффициент, учитывающий материал инструмента.

Найдем по таблицам коэффициенты Сv, m, x, y. Т.к., материал режущей части - Т15К6, без СОЖ, тогда получим коэффициенты:

Сv = 332; q= 0,2; x= 0,1; y= 0,4; u=0,2; p= 0; m= 0,2 [1];

vтаб = = 250,2 м/мин

Кмv находим по формуле:

Кмv= Кг∙ ()= 0,8∙ ()= 0,69

где Кг и nv берем из таблиц Кг=0,8, nv=1 [1, стр. 359, табл.1];

Кпv=1,0 (без корки) [1, стр. 361, табл.5];

Киv=1,0 (Т15К6) [1, стр.361, табл.6];

Кv= 0,69∙1,0∙1,0= 0,69

Находим скорость:= 250,2 ∙ 0.69 = 172,6 м/мин.

Способ №2: Справочник технолога-машиностроителя. Под ред. А.Н.Малова. [2]

V = KV,

где Cv, m, x, y, q, p - коэффициент и показатели степени соответственно;

KV - поправочный коэффициент;

СV = 332; q = 0,2; x = 0,1 ;y=0,4; u = 0,2; m=0,2 [2, стр. 441, табл. 37];

КV = Kмv Kпv Киv,

где Kмv - коэффициент, учитывающий качество обрабатываемого материала;

Kпv - коэффициент, учитывающий состояние поверхности заготовки;

Киv - коэффициент, учитывающий инструментальный материал.

870 МПа=87 кгс/мм2

Kмv=

Kпv =1 (без корки) [2, стр. 426, табл.14];

Киv =1 [2, стр. 426, табл.15];

КV = 0,86 ∙ 1 ∙ 1 = 0,86;

Находим скорость резания: V = 0,86 = 257,4 м/мин.

Способ №3: Прогрессивные режущие инструменты и режимы резания металлов: Справочник. Под ред. Баранчикова В.И. [3]

= vт Kv ,

vт =640 [3, стр. 307 , табл. 115]

коэффициент общий поправочный

= Kvм Kvи Kvп Kvо Kvв Kvφ

где Kvм - коэффициент, учитывающий марку обрабатываемого материала;и - коэффициент, учитывающий материал инструмента;

Kvп - коэффициент, учитывающий состояние обрабатываемой поверхности;- коэффициент, учитывающий влияние СОЖ;в - коэффициент, учитывающий отношение фактической ширины фрезерования к нормативной;

Kvφ - коэффициент, учитывающий форму обрабатываемой поверхности.

Kvм = 0,35 (так как материал заготовки Сталь 25ХГС, σв=870МПа) [3, стр.11, табл.1];и = 1,52 (т.к. материал инструмента Т15К6) [3, стр. 308, табл. 118];п = 1,0 (без корки) [3, стр. 308, табл. 118];

Kvφ = 1,0 ( = 60o) [3, стр. 308, табл. 118];о = 1,0 (без СОЖ) [3, стр. 308, табл. 118];в = 1,0 [3, стр. 308, табл. 118].

Откуда Kv = 0,35 ∙ 1,52 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 1 = 0,532

Определим скорость резания:= 640 ∙ 0,532 = 340,5 м/мин.

Способ №4: Обработка металлов резанием: справочник технолога. Под ред. А.А.Панова. [4]

= vt∙K9∙K10∙K11

где vт= 240 м/мин - табличное значение скорости резания [4, стр. 655, табл. 7];- коэффициент, зависящий от отношения диаметра фрезы к ширине фрезерования;= 1,0 [4, стр. 658, табл. 7];- коэффициент, зависящий от характеристики обрабатываемого материала;= 0,8 [4, стр. 658, табл. 7];- коэффициент, зависящий от периода стойкости инструмента;= 1,5 [4, стр. 659, табл. 7];

Находим скорость резания: v= 300∙1∙0,8∙1 = 240 м/мин.

Способ №5: Режимы резания металлов: Справочник. Под ред. Барановского Ю.В. [5]

= vt∙K1∙K2∙K3

где vт= 130 м/мин - табличное значение скорости резания [5, стр. 88, карта Ф-4];

K1 - коэффициент, зависящий от размеров обработки;- коэффициент, зависящий от состояния обрабатываемой поверхности и ее твердости;- коэффциент, зависящий от стойкости и материала инструмента.

K1 = 1,0 [5, стр.88, карта Ф-4];= 1,0 [5, стр. 91, карта Ф-4];= 1,0 [5, стр. 91, карта Ф-4];

Находим скорость резания: v = 130 ∙ 1,0 ∙ 1,0 ∙ 1,0 = 130 м/мин.

Таблица 1. Значения скоростей резания

Вывод: Расхождение между источниками превышает допустимые 15%, что не дает возможность выбирать необходимую скорость резания. Использовать такие характеристики не рационально. Значит, следует выяснить причины данных расхождений и пользоваться альтернативным методом расчета.

2. Анализ причин расхождения расчетных значений скорости резания, преимущества и недостатки существующих методик

При расчете допустимой скорости для инструмента все значения и поправочные коэффициенты представлены не конкретно для каждого инструментального сплава, а объединены в некоторые группы по соответствующим признакам. Это может означать, что режущие свойства инструментального материала одной марки, обладающего одинаковой геометрией, одинаковы. То же касается и механических свойств обрабатываемых материалов в пределах их марочного состава.

Рассмотрим конкретный пример токарной обработки заготовок из стали 25ХГС твердосплавными пластинами Т15К6. Известно, что существует разброс и режущих свойств инструмента, и физико-механических свойств обрабатываемых материалов. Прежде всего это связанно с некоторыми особенностями металлургического производства, продуктом которого являются твердосплавные инструменты и обрабатываемые материалы (стали и сплавы).

Проблема стабильности свойств обрабатываемого материала остается нерешенной, отчего появляется неодинаковость условий обработки, т.к. химический состав их непостоянный (в пределах допуска и фазового состава). В методиках расчетов используются средние значения параметров материала заготовок и инструментов, что не всегда соответствует реальным условиям.

Общий недостаток в алгоритмах выбора и оптимизации режимов обработки на станках с ЧПУ: невозможно заранее знать точный период износа резца и решить обратную задачу, которая заключается в расчете допустимой скорости резания, при которой бы мог работать резец, соблюдая указанный период стойкости. Эти методы некорректно использовать для построения математической модели автоматического назначения оптимальных режимов резания на станках с ЧПУ невозможно.

3. Альтернативный метод расчета режимов резания

.1 Предпосылки использования альтернативного метода расчета:

Использование данного метода обусловлено проблемой, изложенной в пункте 2. Данный метод учитывает не только свойства материала и геометрии режущего инструмента, но и другие факторы, которые так же являются немаловажными.

Ими со стороны режущего инструмента являются:

1. Изменение состава химического стали инструмента при спекании,

Д опускаемое техническими условиями на его изготовление, что определяет изменение режущих свойств внутри партий спекания в 1,5-2 раза.

. От изменения состава стали меняется теплопроводность инструмента. Теплопроводность влияет на характер распределения теплоты потоков в инструмент и деталь, влияющий на период стойкости инструмента.

Но эти свойства касаются не только инструментального материала, но и материала обрабатываемой детали. Из них можно выделить:

. Колебание химического состава стали в пределах допуска по ГОСТ; некоторые из них значительно влияют на износ инструмента.

. Структурное состояние стали. Определяют ее теплопроводность, которая через соотношение с теплопроводностью инструмента определяет уровень температуры в месте контакта заготовки и инструмента.

Все эти факторы взаимосвязаны и по своему влияют на процесс резания. Значит, необходимо найти и использовать такие параметры, которые бы давали наибольшую информационную ценность, позволяя более эффективно контролировать и стабилизировать процесс резания.

Повысить точность расчета допустимой скорости поможет оперативная информация о стали непосредственно во время процесса резания. Эти данные не представлены в учебных литературах. Одним из путей решения этой задачи может быть метод предварительного робного прохода на строго фиксированных режимах резания для каждой пары «инструмент - деталь» с измерением возникающей при этом термо-ЭДС и использованием величины термо-ЭДС пробного прохода для оценки свойств контактируемых пар и условий резания.

В этом и заключается суть альтернативного метода, где измеряемая термо-ЭДС используется как показатель физических и механических свойств пар «инструмент - деталь».

1.Отсутствие промышленных датчиков для оперативной оценки неразрушающим методом вышеперечисленных факторов со стороны твердого сплава и стали, которые определяют количественную зависимость составляющих силы резания и допустимую скоростей резания.

2. Необходимости получения комплексной оценки теплофизических свойств контактируемых пар в реальных условиях резания, то есть получения оперативной информации о химическом, фазовом составе, структуре стали, ее теплопроводности и степени упрочнения, информации о режущих свойствах инструмента.

. Наличие неотъемлемого, всегда сопутствующего процессу резания сигнала термо-ЭДС естественной термопары, дающего возможность нести полный контроль сочетаемых свойств контактируемых пар.

.2 Физические основы использования величины термо-ЭДС пробного прохода как метода оценки свойств контактируемых пар

Метод термо-ЭДС измеряется с помощью диаграмм, на которых отражены фазовые области контактируемых металлов.

Анализ положительных результатов раздельного использования сигнала термо-ЭДС в процессе резания дает основание использовать закономерности поведения двойных сплавов при объяснении корреляционных связей между термоэмиссионными и физико-механическими свойствами сложных металлических твердых растворов, которыми являются стали и твердосплавные инструментальные материалы.

В замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой.

Величина возникающей термо-ЭДС в первом приближении зависит только от материала проводников и температур горячего (Т1) и холодного (Т2) контактов.

В небольшом интервале температур термоэдс  можно считать пропорциональной разности температур:

 где  - термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термо-ЭДС).

В простейшем случае коэффициент термо-ЭДС определяется только материалами проводников, однако, строго говоря, он зависит и от температуры, и в некоторых случаях с изменением температуры  меняет знак.

Более корректное выражение для термо-ЭДС:

В режиме пробного прохода при V=100 м/мин, S=0,1 мм/об и t=1 мм уровень температур в зоне резания находится в интервале 600-650 °С, поэтому влияние фононной составляющей aф можно не учитывать.

Контактная разность потенциалов вызвана отличием энергий Ферми <#"605586.files/image017.gif">, где  - энергия Ферми,  - заряд электрона <#"605586.files/image020.gif">, значение контактной составляющей удельной термо-ЭДС пары определяется выражением:

. (1)

Из условия выравнивания электрохимических потенциалов электронов в контактируемых поверхностях металлов следует, что:

, (2)

где c2 - работа выхода электронов из детали; c1 - работа выхода электронов из твердого сплава.

Из уравнения (2) следует, что стальная деталь является донором электронов, то есть отдает электроны и имеет положительный заряд, что и подтверждается экспериментально.

Анализ выражений (1) и (2) показывает, что в условиях пробного прохода при постоянных режимах резания различная величина термо-ЭДС пары «сталь - твердый сплав» определяется, в основном, разностью работ выхода электронов из стали и твердого сплава, т.е. величиной aк и разностью температур горячего и холодного спая естественной термопары. Это позволяет использовать эти выражения для оперативной оценки неразрушающим способом свойств контактируемых металлов методом естественной термопары.

Чем выше термо-ЭДС внутри марочного сплава, тем хуже его режущие свойства. Это, в свою очередь, в условиях автоматизированного выбора режимов резания, позволяет оперативно оценить неоднородность твердого сплава по режущим свойствам и назначить режимы обработки с учетом свойств конкретной резцовой пластинки.

Все это позволяет применить термо-ЭДС для оценки фазового состава сплава и химического состава связующей фазы (то есть определения процента растворимости в ней вольфрама) неразрушающим способом, непосредственно в процессе резания.

Таким образом, коэффициент Ки для каждой марки твердого сплава, входящий в формулу для определения допустимой скорости резания, имеет, согласно справочным данным, одно постоянное значение. Величина термо-ЭДС пробного прохода как оценочная характеристика свойств твердого сплава изменяется в зависимости от химических свойств сплава и дает возможность учесть его неоднородность, оперативно оценивать режущие свойства твердосплавного инструмента и его теплопроводность.

С учетом критических замечаний о недостатках существующих методик, а также анализа возможных способов повышения точности расчетных зависимостей, становится актуальной проблема создания математической модели назначения оптимального режима обработки, в основе которой лежат достоверные зависимости и оперативная информация из зоны резания. Оператор должен вносить в систему ЧПУ информацию с минимумом задаваемых параметров: например, величины стойкости инструмента, глубины резания, в то время как остальные расчетные и поправочные величины система ЧПУ должна получать оперативным путем из зоны резания.

В данном методе предлагается получать оперативную информацию о свойствах инструмента и заготовки до начала обработки на рабочих режимах, т. е. в период настройки станка для работы по программе производить пробный проход резцом по заготовке, после чего на основе полученной информации рассчитывать составляющие силы резания и скорость резания.

При постоянных запрограммированных режимах пробного прохода
( V = 100 м/мин; S = 0,1 мм/об; t = 1 мм) для всех сочетаний контактируемых
пар: «сталь - твердосплавный инструмент» термо-ЭДС служит интегральной
характеристикой свойств стали и твердого сплава. При этом учитывается и
реальная геометрия инструмента, и условия резания (температура, степень
упрочнения стали, теплопроводность, наличие или отсутствие СОЖ и т. п.).
Так по условиям предварительного пробного прохода предложено определять
допустимую скорость резания по формуле:

, (3)

где Е - термоэлектродвижущая сила, мВ;

А, к - постоянные, определенные из условий предварительной обработки. Для данной задачи при получистовой обработки A = 375; k = 16,2. В формуле (3) величина Сy определена как переменная от Е и выражена разностью (А - к.Е), что повышает точность определения допустимой скорости резания. Ошибка в расчетном периоде стойкости (при Т=60-120мин) по формуле (3) составляет не более 15%. Аналогичным образом определяются И составляющие силы резания Рл Ру, Рх.

Результаты исследования величины термо-ЭДС как интегрального критерия оперативной оценки режущих свойств инструментального материала, обрабатываемости заготовок и условий резания позволили ввести этот аналоговый сигнал в расчетные формулы для определения режимов резания. Сигнал о величине термо-ЭДС без дополнительного преобразования может быть использован как для определения исходных, так и для коррекции принятых режимов резания.

В данном методе происходит пробный проход по детали, замер величины термо-ЭДС, ее запоминание и расчет режимов резания с помощью системы ЧПУ.

.3 Расчет скорости резания альтернативным методом

Скорость резания при чистовом точении:

Е - термоэлектродвижущая сила пробного прохода (полученная на режимах V = 100 м/мин, S = 0,1 мм/об, t = 1 мм) ,мВ

Рассчитаем V для экспериментально полученных значений термоЭДС по таблице 5 [6, с. 107, табл. 5] для контактной пары сплав Т15К6 - сталь 25ХГС.

Для Е = 12,9 мВ :

130,4 м/мин

Для Е = 14,0 мВ :

178,1 м/мин

Все полученные результаты скоростей резания с учетом таблицы 1, рассчитанных по разным источникам, сведем в таблицу 2.

Таблица 2. Рассчитанные значения скорости резания

4. Разработка блок-схемы алгоритма автоматизированного выбора скорости резания для станков с ЧПУ

Что бы приступить к разработке блок-схемы алгоритма необходимо знать, есть ли возможность каждый раз (когда это необходимо) выполнять пробный проход. Проход может выполнятся как для партии детали, так и после смены инструмента. Наиболее осмысленно применять пробный проход после смены режущей пластины.

Анализ экспериментальных данных показывает позволяет установить следующую зависимость:

где Е1 раб и Е2 раб - значения термоЭДС, измеренные на рабочих режимах для двух контактных пар, соответственно, мВ;

Е1 пр. прох. и Е2 пр. прох. - значения термоЭДС этих же пар в условии пробного прохода, мВ.

Из этой зависимости получается следствие, положенное в основу методики автоматизированной коррекции скорости резания при смене хотя бы одного из элементов контактной пары:

 (4)

Алгоритм расчета и коррекции оптимальных режимов обработки партии

деталей предусматривает задание исходных данных обработки детали, вид или материал обрабатываемой детали, номенклатура инструмента, глубина резания, подача и требуемая стойкость инструмента. На самом деле, эти данные можно получать непосредственно из технологического процесса автоматически, а можно задать оператору.

Для первой контактирующей пары "инструмент - заготовка" проводится кратковременная (2-3 секунды) обработка на фиксированном режиме пробного прохода (V = 100 м/мин; S = 0,1 мм/об , t = 1 мм). По измеренной величине термо-ЭДС пробного прохода производится расчет оптимального режима резания. Так, оптимальная скорость резания равна:

В процессе обработки первой заготовки на рабочем режиме измеряется величина термо-ЭДС Е1раб, которая заносится в память системы ЧПУ. При смене детали, инструмента или и того, и другого, обработка начинается на тех режимах, что были приняты для предыдущей пары. Однако вначале процесса резания измеряется рабочая величина термо-ЭДС Е2раб, после чего по формуле (4) рассчитывается термо-ЭДС E2пр.прох.. Далее для текущей пары «инструмент-заготовка» на ЧПУ станка пересчитываются величины параметров оптимального режима резания, и режим обработки автоматически корректируется. Дальнейшая обработка этой детали производится на оптимальных режимах.

В случае смены исходных данных (вида или материала обрабатываемой детали, номенклатуры инструмента) необходимо вновь произвести пробный проход на фиксированных режимах для определения новой величины термо-ЭДС Е1пр. прох..

Блок схема выбора режимов резания при чистовом точении:

Заключение

Согласно проведенным исследованиям можно сделать вывод, что наиболее оптимальный и надежный метод для расчета режимов резания является альтернативный метод, он же - метод пробного прохода. Данный метод позволяет упростить и сократить время корректировки и настройки режимов для соответствующих материалов инструмента и заготовки.

Скорости резания, рассчитанные по справочникам, имеют достаточно большое расхождение в значениях, что характерно при чистовой обработке. Но некоторые из них близки к той, что получена благодаря методу пробного прохода.

В заключении можно сказать, что альтернативный метод расчетов режимов резания, основанный на пробном проходе, оправдал себя и может прийти на замену уже существующих, т.к. подходит для актуальных и развивающихся в наше время систем ЧПУ.

Список литературы:

1.     Справочник технолога-машиностроителя: В 2-х т / В.Б. Борисов, Е.И. Борисов, В.Н. Васильев и др.; Под ред. А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова.- 4-е изд., - М: Машиностроение, 1985.- Т2.- 496с.

2.      Справочник технолога-машиностроителя .В 2т.Т.2/ под ред. А.Н.Малова. -М.: Машиностроение, 1972,-570с.

.        Прогрессивные режущие инструменты и режимы резания металлов: Справочник / В.И. Баранчиков, А.В. Жаринов, Н.Д. Юдина, А.И. Садыхов; Под ред. В.И. Баранчиков.- М: Машиностроение, 1990.- 400с.

.        Обработка металлов резанием: справочник/А.А.Панов[и др.]; под общ. ред. А.А.Панова. - М.: Машиностроение,1988.-736 с.

.        Режимы резания металлов. Справочник / Под ред. Ю.В. Барановского.- М: Машиностроение, 1972.- 410с.

.        Управление системами и процессами в машиностроении: учеб. пособ./А.Л.Плотников.- Волгоград, ИУНЛ ВолгГТУ, 2010.-167с.