Оптимизация параметров процесса точения высокотвердых чугунов пластинами из ПКНБ
Получены эмпирические зависимости показателей процесса точения от переменных параметров, технических ограничений показателей и технологической себестоимости обработки. Выполнены расчеты режимов резания и геометрии лезвия пластин из поликристаллического кубического нитрида бора, проведен анализ влиян...
Збережено в:
| Дата: | 2008 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2008
|
| Назва видання: | Сверхтвердые материалы |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20745 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Оптимизация параметров процесса точения высокотвердых чугунов пластинами из ПКНБ / Ю.Г. Кравченко, А.А. Семыкин, А.Я. Ярошик // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 5. — С. 59-65. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-20745 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-207452025-02-09T12:16:08Z Оптимизация параметров процесса точения высокотвердых чугунов пластинами из ПКНБ Кравченко, Ю.Г. Семыкин, А.А. Ярошик, А.Я. Исследование процессов обработки Получены эмпирические зависимости показателей процесса точения от переменных параметров, технических ограничений показателей и технологической себестоимости обработки. Выполнены расчеты режимов резания и геометрии лезвия пластин из поликристаллического кубического нитрида бора, проведен анализ влияния твердости чугунов и технических ограничений на оценочные показатели. 2008 Article Оптимизация параметров процесса точения высокотвердых чугунов пластинами из ПКНБ / Ю.Г. Кравченко, А.А. Семыкин, А.Я. Ярошик // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 5. — С. 59-65. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20745 621.9.01 ru Сверхтвердые материалы application/pdf Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Исследование процессов обработки Исследование процессов обработки |
| spellingShingle |
Исследование процессов обработки Исследование процессов обработки Кравченко, Ю.Г. Семыкин, А.А. Ярошик, А.Я. Оптимизация параметров процесса точения высокотвердых чугунов пластинами из ПКНБ Сверхтвердые материалы |
| description |
Получены эмпирические зависимости показателей процесса точения от переменных параметров, технических ограничений показателей и технологической себестоимости обработки. Выполнены расчеты режимов резания и геометрии лезвия пластин из поликристаллического кубического нитрида бора, проведен анализ влияния твердости чугунов и технических ограничений на оценочные показатели. |
| format |
Article |
| author |
Кравченко, Ю.Г. Семыкин, А.А. Ярошик, А.Я. |
| author_facet |
Кравченко, Ю.Г. Семыкин, А.А. Ярошик, А.Я. |
| author_sort |
Кравченко, Ю.Г. |
| title |
Оптимизация параметров процесса точения высокотвердых чугунов пластинами из ПКНБ |
| title_short |
Оптимизация параметров процесса точения высокотвердых чугунов пластинами из ПКНБ |
| title_full |
Оптимизация параметров процесса точения высокотвердых чугунов пластинами из ПКНБ |
| title_fullStr |
Оптимизация параметров процесса точения высокотвердых чугунов пластинами из ПКНБ |
| title_full_unstemmed |
Оптимизация параметров процесса точения высокотвердых чугунов пластинами из ПКНБ |
| title_sort |
оптимизация параметров процесса точения высокотвердых чугунов пластинами из пкнб |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| publishDate |
2008 |
| topic_facet |
Исследование процессов обработки |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20745 |
| citation_txt |
Оптимизация параметров процесса точения высокотвердых чугунов пластинами из ПКНБ / Ю.Г. Кравченко, А.А. Семыкин, А.Я. Ярошик // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 5. — С. 59-65. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| series |
Сверхтвердые материалы |
| work_keys_str_mv |
AT kravčenkoûg optimizaciâparametrovprocessatočeniâvysokotverdyhčugunovplastinamiizpknb AT semykinaa optimizaciâparametrovprocessatočeniâvysokotverdyhčugunovplastinamiizpknb AT ârošikaâ optimizaciâparametrovprocessatočeniâvysokotverdyhčugunovplastinamiizpknb |
| first_indexed |
2025-11-25T23:12:39Z |
| last_indexed |
2025-11-25T23:12:39Z |
| _version_ |
1849805891648356352 |
| fulltext |
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 59
Исследование процессов обработки
УДК 621.9.01
Ю. Г. Кравченко, А. А. Семыкин,
А. Я. Ярошик (г. Днепропетровск)
Оптимизация параметров процесса точения
высокотвердых чугунов пластинами
из ПКНБ
Получены эмпирические зависимости показателей процесса то-
чения от переменных параметров, технических ограничений показателей и тех-
нологической себестоимости обработки. Выполнены расчеты режимов резания
и геометрии лезвия пластин из поликристаллического кубического нитрида бора,
проведен анализ влияния твердости чугунов и технических ограничений на оце-
ночные показатели.
Ключевые слова: точение, резание, высокотвердые чугуны, по-
ликристаллический кубический нитрид бора, параметры оптимизации.
Существующие справочные данные по выбору режимов реза-
ния высокотвердых материалов и геометрии лезвия в целом отражают уро-
вень производительности обработки и стойкости режущих инструментов
(РИ) и носят рекомендательный характер по применяемости поликристалли-
ческих сверхтвердых материалов на основе кубического нитрида бора
(ПКНБ), так как не могут учитывать конкретных технических, технологиче-
ских и экономических требований к выполняемой операции.
Для расчета оптимальных параметров процесса резания необходимо соз-
дание математической модели, которая должна состоять из системы зависи-
мостей показателей процесса от переменных (оптимизируемых) параметров,
технических ограничений (ТО) этих показателей, области существования
самих параметров и целевой функции (ЦФ) в качестве критерия оптимизации
[1, 2]. Современная вычислительная техника и программное обеспечение
позволяют решать задачи многофакторной оптимизации с экономической ЦФ
методом нелинейного программирования.
Цель работы — оптимизировать режимные и геометрические параметры
процесса получистового и чистового точения отбеленных чугунов габарит-
ными режущими пластинами из ПКНБ.
Обрабатываемыми материалами были низколегированные отбеленные чу-
гуны исполнения с шаровидным ШХН (НВ = 330—400), пластинчатым ПХН
© Ю. Г. КРАВЧЕНКО, А. А. СЕМЫКИН, А. Я. ЯРОШИК, 2008
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 60
(НВ = 400—540) графитом и высокохромистый износостойкий чугун
ИЧ210Х28Г3С (НВ = 540—610).
Исследования показателей процесса выполняли сборными резцами [3, 4]
высокой жесткости с регулировочным выдвижением после заточки монолит-
ной квадратной пластины SNMN 09047 12,7×12,7×4,76 мм из ПКНБ марки
киборит и вставки с напайной пластиной на твердосплавной подложке
∅ 15,9×4,76 мм из ПКНБ марки ниборит при неизменных углах в плане ϕ =
ϕ′ = 45°, задних α = α′ = 8°, наклона режущих кромок λ = λ′ = 8° у квадрат-
ных и λ = λ′ = 0° у напайных пластин.
Показателями процесса служили тангенциальная Pz, радиальная Py и осе-
вая Px составляющие силы резания, температура резания θ, период стойкости
лезвия T, вероятность неразрушения режущей кромки PT и высотный пара-
метр шероховатости обработанной поверхности Ra.
Основу математической модели составляли полученные [5—7] эмпириче-
ские зависимости показателей процесса точения П от параметров режима
резания (глубины t, подачи S и скорости v), геометрии лезвия (переднего угла
γ, радиуса вершины r и величины износа по задней поверхности h) и твердо-
сти чугунов НВ в удобном при расчетах структурном виде [2]:
иПоПзП 200
)1()1(
90
1П KKНВhrStc
q
uzyx ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛++⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ γ−= ν
η
v (1)
с коэффициентом размерно-параметрической пропорциональности сП и по-
правочными коэффициентами на марку обрабатываемого KоП и инструмен-
тального KиП материалов.
Базовыми обрабатываемым и инструментальным материалами с KоП = 1 и
KиП = 1 приняты низколегированные чугуны и ПКНБ марки киборит.
Значения показателей степени и соответствующих коэффициентов (1)
приведены в табл. 1.
Таблица 1. Значения коэффициентов и показателей степени
зависимости (1)
Пока-
затели
про-
цесса П
сП
x y z η ν u q
KоП
(высоко-
хромистый
чугун)
KиП
(ПКНБ
ниборит)
Pz, Н 883,8 0,85 0,68 –0,15 0,6 0,15 0,6 0,55 1,2
Py, Н 369,2 0,92 0,60 –0,11 1,4 0,23 1,5 1,15 1,25
Px, Н 330,0 1,0 0,54 –0,11 1,2 –0,19 1,3 0,85 1,25
θ, ºC 426,8 0,1 0,19 0,3 0,4 –0,2 0,6 0,65 1,1
T, мин 29,26 –0,3 –0,75 –1,55 –0,75 0,11 τ(h) –1,4 0,8 0,75
PT –3,376 0,1 0,8 0,3 –4,5 –0,4 p(h) 1,5 1,5 0,7
Ra, мкм 19,83 0,1 1,15 –0,18 –0,1 –0,55 0,6 –0,2 1,3
Примечание. )0,88,278,251()( 32 hhhhh +−+=τ ;
])([exp иПоПП KKhptcP x
T ⋅⋅⋅⋅−= KK ;
)03,249,512,644,31()( 432 hhhhhhp +−+−= [7].
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 61
С учетом эксплуатационных свойств ПКНБ [5, 7, 8] и данных табл. 1 для
операций получистового и чистового точения выбраны соответственно нибо-
рит (на металлической связке, имеет в сравнении с киборитом большую
прочность, более эффективный при работе с увеличенными сечениями среза)
и киборит (на керамической связке, обладает в сравнении с ниборитом боль-
шей износостойкостью, более эффективный при работе с повышенными ско-
ростями резания).
Для каждого из показателей процесса точения применяли следующие ТО с
исходными данными для их расчета.
Мощность резания из условия долговечности станка не должна превы-
шать три четверти мощности главного привода:
N = Pzv ≤ 0,75|Nп|η, (2)
где |Nп| = 15000 Вт; к. п. д. передачи η = 0,85.
Деформация (изгиб) державки резца ƒи ограничивает тангенциальную со-
ставляющую силы резания:
Pz ≤ |ƒи|· 3
и
6
ии
10
3
L
IE , (3)
где
12
3
и
BHI = — момент инерции сечения державки шириной В = 32 мм и
высотой H = 40 мм; Eи = 200·109 Па — модуль упругости стали державки; Lи
= 75 мм — длина вылета стержневого резца; |ƒи| равна 0,02 и 0,01 мм для
получистового и чистового точения соответсвенно.
Упругая деформация (прогиб) заготовки ƒз зависит от радиальной состав-
ляющей силы резания:
Ру ≤ |ƒз| 3
з
6
ззз
10 L
ІЕK , (4)
где 4
з 05,0 DI = — полярный момент инерции сечения; D = 200 мм — диа-
метр заготовки; Ез = 130·109 Па — модуль упругости материала заготовки;
Kз = 110 — коэффициент, учитывающий способ закрепления заготовки в тех-
нологической системе резания (в патроне с поддержкой задним центром);
Lз = 1500 мм — общая длина заготовки; |ƒз| ограничивали величинами 0,02 и
0,01 мм для получистового и чистового точения соответственно.
Осевая составляющая силы резания связана с прочностью механизма по-
дачи станка неравенством
м.п75,0 PPx ≤ . (5)
Здесь м.пP = 9000 Н.
Температура резания должна быть меньше критической теплостойкости
инструментального материала:
т9,0 θ≤θ . (6)
Для ниборита на металлической связке температура тθ = 1100 °С, для
киборита на керамичекой связке тθ = 1300 °С [8].
Период стойкости для обеспечения рациональной эксплуатации РИ дол-
жен быть больше нормативного:
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 62
нТТ ≥ , (7)
нТ принимали равным 45 и 60 мин для ниборита и киборита соответсвенно.
Вероятность неразрушения режущей кромки за период стойкости прини-
мали соответственно допустимому значению вероятности безотказной рабо-
ты необслуживаемых простых технических систем:
ТТ РР ≥ , (8)
ТР соответствовала 0,8 и 0,85 для получистового и чистового точения.
Площадь обработанной поверхности TTPSF v600о = должна превышать
площадь поверхности заготовки 100/пз DLnF π= (L — длина обрабатывае-
мой поверхности; nп — число проходов за один период стойкости резца; в
данном случае L = 750 мм, nп = 1):
зο FF > . (9)
Параметр шероховатости назначали согласно нормам технологического
обеспечения требованиям чертежа детали:
RaRa ≤ , (10)
для получистового и чистового точения Ra = 5 и 2,5 мкм соответственно.
Область существования оптимизируемых параметров:
max,,,,,min іі ХhrStХ ≤γ≤ v . (11)
Пределы значений режимных и геометрических параметров: t = 1—2 и
0,5—1 мм для получистового и чистового точения; S = 0,1—0,5 мм/об; v =
0,5—2,5 м/с; γ = (–30)—0°; r = 0,8—3,2 и 0,8—1,6 мм для ниборита и кибори-
та; h = 0,2—0,8 мм.
Эффективность эксплуатации РИ наиболее комплексно оценивается пере-
менными составляющими технологической себестоимости обработки Cт =
Cc + Cи + Cэ, основные затраты которой связаны с амортизацией станка и
заработной платой рабочего (Cc), эксплуатацией инструмента (Cи) и расходом
силовой энергии (Cэ). Поэтому ЦФ оптимизационной модели была принята
удельная себестоимость обработки [9]
( )( )[ ]
vtS
KNN
ТР
K
ТР ТТ
60
с11ЗИc1
C
эппмо
c
y
η−+ε+++++⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ τ+ε+
= , (12)
где ε = 0,15 — коэффициент, связанный с дополнительным временем на тех-
нологические переходы; τс = 2 мин — время на смену и настройку РИ; Kо =
1,07 — коэффициент, зависящий от затраты времени на обслуживание стан-
ка; N, Nп, η — см. выражение (2); Kп = 0,2 — отношение мощности привода
подач и вспомогательных механизмов к мощности главного привода; см —
стоимость станкоминуты работы станка и рабочего; И — стоимость РИ, при-
ходящаяся на один период стойкости; З — стоимость заточки; сэ = 3,33·10–6
у.д.е./(Вт·мин) — стоимость электроэнергии.
Формула (12) включает стоимость станкоминуты работы станка и заработ-
ной платы рабочего
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 63
м
нр
з.сг
сс
м Ф60
З
Ф60
аЦc
K
K
+= . (13)
Здесь Цс = 30000 у.д.е. — стоимость токарного станка, ас = 0,075 — норма
амортизационных отчислений, Фг = 4015 ч — годовой фонд времени двух-
сменной работы, Kз.с = 0,85 — коэффициент загрузки станка, Зр = 500 у.д.е. —
месячная зарплата рабочего-станочника, Kн = 1,2 — коэффициент надбавки,
Фм = 164 ч — месячный фонд рабочего времени. Таким образом, см = 0,072
у.д.е./мин.
Затраты Cи (12) состоят из приходящейся на один период стойкости стои-
мости РИ (пластины)
( ) в
уи
1
Ц
И
пі
K
+
= (14)
и стоимости заточки
в
к
к
зз
Цc
З
п
і
+τ
= , (15)
где Ци = 30 (ниборит) и 50 (киборит) у.д.е. — цена режущей пластины (инст-
румента); Kу = 1,15 — коэффициент случайной убыли; nв = 1 (ниборит) и 4
(киборит) — число вершин пластины; τз = 5 и 10 мин (ниборит и киборит) —
штучное время на заточку; сз = 0,064 у.д.е./мин — стоимость станкоминуты
заточки (13) (цена заточного станка Цз = 6900 у.д.е., амортизационные отчис-
ления от стоимости заточного станка аз = 0,103, зарплата рабочего-заточника
Зз = 500 у.д.е.); Цк = 200 у.д.е. — цена заточного алмазного круга; iк = 200 для
ниборита и 75 для киборита — число заточек одним кругом; З = 1,32 и 0,82
у.д.е. для ниборита и киборита.
Количество заточек пластины в (14) определяется из выражения [7]
( )[ ]
( )( )Δ+δΔ+δ
Δ+δ+−
=
р
р 11
K
KР
ВKі Т
B , (16)
которое учитывает ширину пластины в направлении заточки В = 14 (ниборит)
и 12,7/2 (киборит) мм, коэффициент использования пластины KВ = 2/3 (нибо-
рит) и 1/3 (киборит), величину естественного износа лезвия в основной плос-
кости в направлении главной секущей плоскости
αγ−
α=δ
tgtg1
tgh
, коэффици-
ент превышения глубины разрушения лезвия над величиной δ износа Kр = 4,
технологический припуск на заточку Δ = 0,1 мм.
Результаты расчетов по значениям исходных данных (2)—(16), выполнен-
ных на ПЭВМ с использованием программного продукта MathCad, сведены в
табл. 2.
Дополнительными оценочными показателями при анализе эффективности
процесса точения в зависимости от условий обработки служили производи-
тельность обработки
vtSQ 60= (17)
и ресурс режущей пластины
( ) в1 піTPR T += . (18)
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 64
Таблица 2. Оптимальные значения параметров процесса точения
Режим резания
Геометрия
лезвия
Оценочные показатели Назначение
операции,
марка ПКНБ
Твердость
чугунов,
HB t,
мм
S,
мм/об
v,
м/с
γ,
град
r,
мм
h,
мм
Q,
см3/мин
R,
мин
Cу,
у.д.е./см3
400
540
2 0,5 1,42
1,04
–11,4
–19,8
85,1
62,4
1445
1462
0,0022
0,0030
Получистовое
точение,
ниборит
610 1,46 0,4 0,70 –26,1
3,2 0,8
24,2 2328 0,0065
400
540
0,24
0,25
2,10
1,55
–19,7
–28,9
0,8 31,5
23,2
2099
2120
0,0051
0,0069
Чистовое
точение,
киборит
610
1
0,17 0,82 –30
1,6
0,72 8,6 4799 0,0150
При принятых исходных данных для ТО и Cу ограничивающими показа-
телями процесса оказались T, PT, Ra для низколегированных чугунов и PT, Ra
(экономическая ЦФ предопределила большие периоды стойкости 71=Т и
128 мин для получистового и чистового точения) для высокохромистого чу-
гуна. Расчетные величина износа лезвия в основной плоскости и количество
заточек (16) соответствовали δ = 0,104—0,109 мм, i = 39,1—40,0 для резцовой
вставки из ниборита и i = 9,3—10,0 для пластины из киборита с nв = 4 (имеем
примерно равное число заточек). Общая тенденция обеспечения наименьшей
Cу заключается в применении максимально допустимых глубины t, радиуса r
и величины износа в плоскости резания h.
C увеличением твердости чугунов отмечено существенное уменьшение
скорости v и переднего угла γ, а при чистовом точении в сравнении с полу-
чистовым — значительное снижение подачи S, увеличение скорости v и
уменьшение переднего угла γ. В целом увеличение твердости чугунов НВ с
400 у низколегированного до 610 у высокохромистого приводит к снижению
производительности Q в 3,52—3,66 раз, увеличению ресурса пластин R в
1,61—2,28 раз и удельной себестоимости обработки Cу в 2,94—2,95 раз. В
сравнении с получистовым точением при чистовом из-за более жестких T, PT,
Ra происходит снижение в 2,69—2,81 раз производительности Q и увеличе-
ние в 1,45—2,06 и 2,30—2,32 раза соответственно ресурса R и удельной себе-
стоимости Cу.
Важнейшим достоинством данной методологии является ее способность
оптимизировать геометрические параметры лезвия и по экономически обос-
нованной величине износа h как аргумента функций периода стойкости T,
вероятности неразрушения PT и количества заточек i обеспечивать макси-
мальный ресурс дорогостоящих пластин из ПКНБ.
1. Якобс Г. Ю., Якоб Э., Кохан Д. Оптимизация резания / Пер. с нем. — М.: Машинострое-
ние, 1981. — 279 с.
2. Кравченко Ю. Г., Пиньковский С. Г., Савченко Ю. В. Постановка задачи оптимизации
параметров процесса резания металлов // Резание и инструмент в технологических сис-
темах: Междунар. науч.-техн. сб. — Харьков: НТУ “ХПИ”, 2005. — Вып. 68.—
С. 273—275.
3. А. с. 1710203 СССР, МПК B 23 B 27/16. Сборный резец с перетачиваемой пластиной /
Ю. Г. Кравченко, О. В. Архипов. — Опубл. 02.07.92, Бюл. № 5.
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 65
4. А. с. 1773573 СССР, МПК B 23 B 27/16. Сборный резец / Ю. Г. Кравченко, О. В. Ар-
хипов. — Опубл. 11.07.92, Бюл. № 41.
5. Кравченко Ю. Г. Рациональные условия точения чугунных прокатных валков //
Металлургическая и горнорудная промышленность. — 1997. — № 2. — С. 57—60.
6. Дидык Р. П., Кравченко Ю. Г., Мелещик В. А. Силы и температура резания при точении
композитами износостойких чугунов // Национальная горная академия Украины: Сб.
науч. тр. — Днепропетровск: Навчальна книга, 2002. — № 13, т. 2. — С. 114—117.
7. Кравченко Ю. Г., Савченко Ю. В. Надежность режущих пластин из композитов при
точении отбеленных чугунов // Високі технології в машинобудуванні: Зб. наук. пр. —
Харків: НТУ “ХПІ”, 2005. — Вип. 1 (10). — С. 99—104.
8. Инструменты из сверхтвердых материалов / Под ред. Н. В. Новикова. — Киев: ИСМ
НАНУ, 2001. — 528 с.
9. Кравченко Ю. Г., Савченко Ю. В. Расчет удельной себестоимости обработки при
точении // Национальный горный университет: Сб. науч. тр. — Днепропетровск: НГУ,
2004. — № 19, т. 4. — С. 88—91.
Национальная металлургическая академия Украины Поступила 11.02.08
|