СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ СИЛЫ РЕЗАНИЯ НА ТОКАРНЫХ СТАНКАХ С ЧПУ Российский патент 1998 года по МПК B23B25/06 B23B1/00 

Изобретение относится к обработке металлов резанием и может быть применено на токарных станках с ЧПУ в ручном (настроечном) режиме и в режиме автоматизированного определения составляющих силы резания, которые, в свою очередь, необходимы для расчета усилия зажима деталей (P_Z) и расчета допустимой стрелы прогиба детали (P_Y) программным путем в условиях чистового и получистового точения.

Известен способ определения составляющих силы резания при токарной обработке (см. книгу "Справочник технолога-машиностроителя". т. 2. под ред. А.Н. Малова. М. : Машиностроение, 1973, стр. 427; стр. 429 табл. 20; табл. 21; стр. 430 - 431, табл. 22 - 24), по которому определение составляющих силы резания ведется по технологическим параметрам процесса резания (t, S, V), показателям степеней при каждом из них и ряду поправочных коэффициентов по формулам:



где
- постоянные, учитывающие влияние на составляющие P_Z, P_Y, P_X некоторых постоянных условий резания, для которых поправочные силовые коэффициенты равны единице;
t - глубина резания, мм;
S - подача, мм/об;
V - скорость резания. м/мин;
поправочные силовые коэффициенты, каждый из которых выражает влияние условий резания на величину составляющих P_Z, P_Y, P_X.

Например:
где
K_м - коэффициент, учитывающий прочность обрабатываемого материла;
K_ϕ- величину главного угла в плане ϕ;
K_γ- величину переднего угла резца γ;
K_r -радиус при вершине резца r;
K_λ- угол наклона главной режущей кромки λ.
Значения обобщенных коэффициентов определяется также по формуле 4, но входящие в нее сомножители имеют другие величины, которые определяются справочной литературой.

Недостатки известного способа определения составляющих силы резания проявляются в следующем:
1. Коэффициент в формуле 4, учитывающий влияние марки стали на величину C_P, определяется по формуле

где
σ_вр- временное сопротивление стали на разрыв, кгс/мм²,
n_i - это n_z, n_y, n_x - показатели в формуле 5 для определения поправки от прочности стали на составляющие P_Z; P_Y; P_X и соответственно равные 0,75; 1,35; 1.

Определению численного значения должны предшествовать выборочные механические испытания стали на разрыв (σ_вр) из партии поставки, что является существенным препятствием на пути автоматизированного определения составляющих силы резания.

Использование же среднего справочного значения σ_вр для конкретной марки стали вносит существенную ошибку в результат, т.к. не учитывает существующий разброс физико-механических свойств стали внутри марочного состава и разброс ее структурного состояния (см. книгу А.П. Гуляев "Металловедение" М.: Металлургия, 1978, стр. 201). К тому же "механические свойства обрабатываемого материала весьма сложно и противоречиво влияют на составляющие силы резания . . . P_Z, P_Y, P_X при увеличении прочности обрабатываемого материала могут и возрастать и уменьшаться" (см. книгу В.Ф. Боброва "Основы теории резания металлов" М. : Машиностроение, 1975, стр. 212 - 213, а также результаты, полученные авторами при сравнении расчетных значений P_Z, P_Y, P_X по формулам 1, 2, 3, измеренных динамометром УДМ-600 при обработке различных сталей, приведенные в табл. 1 - 15).

2. В формулах 1, 2, 3, 4 отсутствует поправка, которая бы учитывала влияние различных физико-механических и теплофизических свойств твердосплавных инструментов (Т5К10, Т15К6, Т30К4, ТТ7К12, ВК8 и др.) на величину составляющих силы резания. А такое влияние имеется. "... Силы резания уменьшаются по мере увеличения в режущем сплаве карбидов титана. Более резко изменяются при этом силы, расположенные в основной плоскости (радиальная сила P_Y) и менее резко силы, расположенные в плоскости резания (тангенциальная сила P_Z). . . " (см. книгу М.И. Клушин "Резание металлов" М.: Машгиз, 1958, стр. 261; см. там же, дополнительно, о влиянии механических свойств обрабатываемого металла на силы резания).

Совокупность указанных недостатков проявляется в том, что известный способ определения составляющих силы резания не дает точного совпадения их расчетного значения с измеренным. Особенно большие расхождения (до 200%) имеют место при расчете радиальной составляющей P_Y, что отрицательно сказывается на точности обработки деталей в условиях чистового и получистового точения, т. к. расчетное значение P_Y определяет допустимую стрелу прогиба и допустимую подачу (см. Г.А. Монахов, А.А. Оганян и др. "Станки с программным управлением. Справочник." М.: Машиностроение, 1975, стр. 234).

К недостаткам известного способа относится и то, что в расчетных формулах используются данные о механических свойствах сталей, полученные при стандартных методах испытания на растяжение, которые не соответствуют условиям резания (условиям пластического деформирования стали) по уровню температур, величине и скорости деформации (см. книгу Т.Н. Лоладзе "Прочность и износостойкость режущего инструмента" М.: Машиностроение, 1982, стр. 15). Т.е. формулы 1 - 5 не учитывают действительного упрочненного состояния срезаемых объемов стали, которые из-за различной степени упрочнения по-разному оказывают влияние на P_Z, P_Y, P_X.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является оперативный учет разброса физико-механических свойств обрабатываемых сталей, учет их упрочненного состояния в условиях процесса резания и учет теплофизических свойств твердосплавного инструмента как между марками твердого сплава, так и внутри марочного состава при определении составляющих силы резания.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является повышение точности расчетного значения составляющих силы резания в условиях определения их значений автоматизированным (программным) путем на токарных станках с ЧПУ.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения составляющих силы резания на токарных станках с ЧПУ при чистовой и получистовой обработке металла с измерением термоэлектродвижущей силы предварительно осуществляют кратковременный пробный проход резцом по детали, измеряют термоЭДС, по которой определяют поправку на физико-механические свойства контактируемой пары и геометрию инструмента, а составляющие силы резания P_Z, P_Y, P_X определяют с использованием измеренного значения термоЭДС и рабочих параметров процесса резания (t; S; V) по формулам
P_Z = (A_Z + K_ZE) t¹S^0,75V^-0,15, кгс, (6)
P_Y = (A_Y + K_YE) t^0,9S^0,6V^-0,3, кгс, (7)
P_X = (A_X + K_XE) t¹S^0,5V^-0,4, кгс, (8)
где
t - глубина резания, мм;
S - подача, мм/об;
V - скорость резания, м/мин;
E - термоЭДС, мВ;
A_Z, A_Y, A_X - постоянные, соответственно равные 320; 300; 360, определенные из условий предварительной обработки;
K_Z, K_Y, K_X - коэффициенты, соответственно равные 5,5; 10; 7, определенные из условий предварительной обработки.

Использование в заявленном способе определения составляющих силы резания термоЭДС пробного прохода твердосплавным инструментом по стали повышает точность их определения, т.к. термоЭДС используется как оперативная информация о физико-механических (теплофизических) свойствах контактируемой пары и упрочненного состояния срезаемых объемов стали. Информативная ценность сигнала термоЭДС пробного прохода подтверждается анализом физических основ генерирования этого сигнала. Известно, что величина термоЭДС определяется произведением удельной (дифференциальной) термоЭДС пары и разностью температур горячего и холодного спая термопары (см. книгу Г.И. Епифанова "Физика твердого тела". М.: Высшая школа, 1977, стр. 262 - 264). В свою очередь, удельная термоЭДС зависит от природы контактируемых тел, т.е. от их физико-механических, химических и теплофизических свойств. Для постоянных условий пробного прохода ее величина в основном определяется значением контактной составляющей, т.е. разностью работ выхода электронов из контактируемых тел (разностью уровней Ферми). Фононная и объемная составляющие удельной термоЭДС в условиях пробного прохода очень малы и их значением можно пренебречь.

Работа выхода электронов весьма чувствительна к объемным изменениям в металлах и особенно в сплавах при изменении состава, структуры и образования новых фаз (см. книгу Е.М. Савицкий, И.В. Буров и др. "Электрические и эмиссионные свойства сплавов" М.: Наука, 1978, стр. 148 - 151; стр. 186).

При постоянных запрограммированных режимах кратковременного пробного прохода (например, V = 100 м/мин; S = 0,1 мм/об; t = 1 мм) для всех сочетаний контактируемых пар: стали - твердосплавные инструменты, термоЭДС служит интегральной характеристикой свойств стали, твердого сплава и условий резания (температура, наличие или отсутствие СОЖ и т.п.). При этом учитывается и реальная геометрия инструмента.

В заявленном способе определения составляющих силы резания коэффициенты учитывающие условия резания и свойства контактируемых пар, выражены как переменные от термоЭДС пробного прохода и определены уравнениями: что повышает точность определения составляющих силы резания.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками идентичности всем существующим признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Способ осуществляется следующим образом. Предварительно, на выбранных постоянных режимах пробного прохода, соответствующих уровням чистовой или получистовой обработки (например: V = 100 м/мин; S = 0,1 мм/об; t = 1 мм) производят кратковременную (3-4 с) обработку различных сталей твердосплавными инструментами различных марок (ВК, ТК, ТТК). Измеряют и фиксируют термоЭДС в парах, полученную при пробных проходах. Затем этими же твердосплавными инструментами производят резание сталей на выбранных технологических режимах (t, S, V) и измеряют составляющие силы резания P_Z, P_Y, P_X токарным динамометром. По их измеренным значениям обратным пересчетом определяют по формуле, например

и строят зависимость как функцию от величины термоЭДС пробного прохода E, по которой определяют численное значение постоянных A_Z, A_Y, A_X и величины коэффициентов K_Z, K_Y, K_X в уравнениях прямых, связывающих зависимости от термоЭДС пробного прохода. В дальнейшем определение составляющих силы резания производят по формулам
P_Z = (A_Z + K_ZE) tS^0,75V^-0,15, кгс (6)
P_Y = (A_Y + K_YE) t^0,9S^0,6V^-0,3, кгс (7)
P_X = (A_X + K_XE) tS^0,5V^-0,4, кгс (8)
Определенные по предлагаемым формулам составляющие силы резания используются системой ЧПУ станка (процессором) в алгоритмах автоматизированного расчета усилий зажима детали (P_Z) и в алгоритме автоматизированного выбора допустимой подачи (P_Y). Результаты сравнительной проверки определения составляющих силы резания по предлагаемому способу и способу расчета на основе использования справочных данных о значениях поправочных коэффициентов приведены в табл. 1 - 15.

Испытания проводились на токарном станке 16К20Ф3 с системой ЧПУ 2Р22 в диапазоне скоростей резания 90 - 150 м/мин при обработке сталей двухкарбидными твердыми сплавами группы ТК (табл. 1 - 3), однокарбидными группы ВК и безвольфрамовым сплавом ТН-20 (табл. 5 - 7), трехкарбидными группы ТТК (табл. 9 - 11). Резание проводилось напайными твердосплавными пластинками формы 02351; 01411 и многогранными неперетачиваемыми пластинками (МНП) с различной геометрией без применения СОЖ.

Для сталей марок 45, У8; 20Х, 30ХМА, 30ХГСА, 35ХГСА, Х12М, ЭИ961, 14Х17Н2 при обработке твердыми сплавами относительная ошибка по определению составляющих силы резания по предлагаемому способу не превышала 20%, тогда как ошибка при расчете по справочным данным составляет 60 - 200%. Исключение составляет сталь 20 (ошибка 25 - 30%), однако ее можно учесть в автоматизированном способе определения составляющих силы резания введением поправочного коэффициента (например K_СТ.20 = 1,2).

Предложенный способ позволяет оперативно учитывать изменения физико-механических свойств сталей, упрочненное состояние срезаемых объемов металла и изменения теплофизических свойств как между марками твердого сплава (табл. 1 - 13), так и внутри марочного состава (табл. 14 - 15). Применение его на станках с ЧПУ позволяет автоматизировать процесс расчета составляющих силы резания и повысить точность расчета.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в металлообработке при определении составляющих силы резания в условиях чистовой и получистовой обработки металла на токарных станках с ЧПУ как в настроечном (ручном) режиме, так и в режиме автоматизированного определения (диалоговый режим подготовки управляющих программ);
для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке средств и методов;
средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Изобретение относится к обработке металлов резанием и может быть использовано на токарном станке с ЧПУ в ручном (настроечном) режиме и в режиме автоматизированного определения составляющих силы резания для расчета усилий зажима деталей (P_z) и расчета допустимой стрелы прогиба деталей (P_y) в условиях чистового и получистового точения. Для определения составляющих силы резания осуществляют кратковременный пробный проход резцом и измеряют термоЭДС. По термоЭДС определяют поправку на физико-механические свойства контактируемой пары и геометрию инструмента. Составляющие силы резания P_z, P_y, P_x определяют с использованием измеренного значения термоЭДС и рабочих параметров процесса резания (t, S, V) по формулам P_z=(A_z+K_zE)t¹ S^0,75V^-0,15, кгс, P_y=(A_y+K_yE) t^0,9S^0,6V^-0,3, кгс, P_x=(A_x+ K_xE)t¹S^0,5V^-0,4, кгс. Учет разброса физико-механических свойств обрабатываемых сталей, учет их упрочненного состояния в условиях процесса резания и учет теплофизических свойств твердосплавного инструмента как между марками твердого сплава, так и внутри марочного состава позволяет повысить точность расчетного значения составляющих силы резания автоматизированным (программным) путем на токарных станках с ЧПУ. 15 табл.

Способ определения составляющих силы резания на токарных станках с ЧПУ при чистовой и получистовой обработке металла, с измерением термоэлектродвижущей силы, отличающийся тем, что предварительно осуществляют кратковременный пробный проход резцом по детали, измеряют термоЭДС, по которой определяют поправку на физико-механические свойства контактируемой пары и геометрию инструмента, а составляющие силы резания определяют с использованием измеренного значения термоЭДС и рабочих параметров процесса резания (t, S, V) по формулам
P_z = (A_z + K_zE)t¹S^0,75V^-0,15, кгс,
P_y = (A_y + K_yE)t^0,9S^0,6V^-0,3, кгс,
P_x = (A_x + K_xE)t¹S^0,5V^-0,4, кгс,
где
t - глубина резания, мм;
S - подача, мм/об;
V - скорость резания, м/мин;
E - термоЭДС, мВ;
A_z, A_y, A_x - постоянные, соответственно равные 320, 300, 360, определенные из условий предварительной обработки.

K_z, K_y, K_x - коэффициенты, соответственно равные 5,5, 10, 7, определенные из условий предварительной обработки (V = 100 м/мин, S = 0,1 мм/об, t = 1 мм).