Способ определения скорости резания, обеспечивающей максимальную работоспособность резца при точении труднообрабатываемых сталей и сплавов с помощью сборных резцов со сменными режущими твердосплавными пластинами Российский патент 2023 года по МПК B23B1/00 

1. Область техники, к которой относится объект:

Изобретение относится к области обработки металлов резанием, а именно к способам определения скорости резания, обеспечивающей максимальную работоспособность резцов, оснащенных твердосплавными пластинами, путем формирования условий максимальной обрабатываемости материала с возможностью реализации автоматического определения и управления режимами резания при точении труднообрабатываемых сталей и сплавов в различных отраслях машиностроения, а также для оценки качества используемого оборудования.

Изобретение может быть использовано при определении режимов резания для обработки новых материалов или в условиях применения новых инструментов и инструментальных материалов или их износостойких покрытий, а также при введении в производство нового технологического оборудования.

Изобретение может быть использовано при построении автоматической системы управления токарной обработкой труднообрабатываемых сталей и сплавов для установления скорости резания, обуславливающей условия максимальной обрабатываемости материала, что обеспечивает максимальную работоспособность резцов со сменными режущими твердосплавными пластинами.

2. Уровень техники:

Известны способы определения оптимальной скорости резания по графикам зависимостей различных параметров от скорости резания [А.с. СССР №841779, МКИ 3В23В1/00, А.с.СССР№1021519, МКИ3В23В1/00, А.с.CCCP№1155361, МКИ4В23В1/00, Пат. РФ №2173611, МПК 7 В23В 1/00]. Недостатком известных способов является остановка процесса резания для промежуточных измерений и применение дополнительных контролирующих приборов, приспособлений и методик.

Известен способ определения оптимальной скорости резания для твердосплавного инструмента [А.с. СССР №770661, МКИ 3 В23В 1/00, 15.10.80], согласно которому по результатам кратковременных испытаний стандартных образцов обрабатываемого материала определяют температуру, при которой происходит изменение "температурного коэффициента" твердости обрабатываемого материала, далее находят зависимость температуры резания от скорости резания θ=ƒ(V). По изменению коэффициента твердости обрабатываемого материала от температуры на графике θ=ƒ(V) определяется оптимальная скорость резания. Однако, недостаток данного метода заключаются в необходимости проведения трудоемких температурных испытаний, которые также снижают конечную точность результата из-за необходимости измерения температуры в процессе резания, что связано с рядом трудностей.

Известен способ определения оптимальной скорости резания при обработке металлов (RU 2538750 C2, МПК B23B 1/00 (2006.01) опубл. 13.10.2021, Бюл. № 29), включающий предварительную обработку заготовки из заданного материала при разных скоростях резания, полученных путем непрерывного торцевого точения от центра заготовки к краю, с измерением параметров, отображающих износ режущего инструмента, и определение по ним значения оптимальной скорости резания. В качестве информативных параметров для определения износа используют амплитудные значения высокочастотной и низкочастотной составляющих вибрации станка, за величину оптимальной скорости резания принимают значение скорости, при которой отношение амплитудных значений высокочастотной составляющей к низкочастотной минимально. Недостатком описанного способа является принятое в итоге значение оптимальной скорости резания, которое значительно больше скоростей, полученных другими методами. За оптимальную скорость принимается та, при превышении которой начинаются интенсивные колебания системы «резец-заготовка», сопровождаемые ударами в зоне контакта инструмента и обрабатываемой поверхности, приводящие к резкому росту высокочастотной составляющей спектра. Следовательно, скорость, принимаемая за оптимальную, является ничем иным, как пределом чувствительности рассматриваемого способа и пределом устойчивости технологической системы станка.

Известен способ определения скорости максимальной обрабатываемости резанием при точении сталей и сплавов (RU 2535839 C2 МПК B23B 1/00, B23B 25/06 опубл. 20.12.2014), выбранный в качестве прототипа, заключающийся в предварительной обработке выбранного материала на разных скоростях резания и построении зависимостей P=ƒ(V), ξ=ƒ(V), θ=ƒ(V), по которым определяется диапазон температуры резания, соответствующий переходу стружки из сливной в элементную, сопровождающийся стабилизацией коэффициента усадки стружки на постоянном значении. Соответствующий диапазон скоростей резания обеспечивает максимальную обрабатываемость материала, что доказывается минимальным относительным износом резца по задней поверхности при этих скоростях.

Недостатком рассмотренного способа является отсутствие рационального способа использования его в автоматических системах для динамического контроля скорости токарной обработки и невозможность реализации без непосредственного участия человека.

3. Сущность изобретения:

Предлагаемое изобретение решает задачу применения данного способа в станках с ЧПУ и модернизированных (оснащенных частотным преобразователем для главного привода) универсальных токарных станках в части автоматического поддержания необходимой скорости резания, которая была определена в результате кратковременных испытаний по экстремальным точкам зависимости главной составляющей виброускорения сборного резца от скорости резания.

Техническим результатом изобретения является снижение трудоемкости определения и поддержания скорости резания, обеспечивающей максимальную работоспособность резцов, оснащенных твердосплавными пластинами, путем формирования условий максимальной обрабатываемости материала. Возможность использования предлагаемого метода в автоматических системах для токарных станков с ЧПУ или модернизированных универсальных станках.

Поставленная техническая задача решается посредством предварительной обработки заготовки из заданного материала при разных скоростях резания с записью параметров, обеспечивающих определение режимов резания максимальной обрабатываемости материала, обуславливающих условия максимальной работоспособности сменных режущих твёрдосплавных пластин. Результат предварительной обработки - зависимость среднеквадратичного значения (СКЗ) вынужденной части спектра главной составляющей виброускорения резца A_z от скорости резания V. По экстремальным точкам зависимости A_z(V) определяют диапазон рекомендуемых скоростей резания. Предварительная обработка может быть произведена оператором станка в ручном режиме или автоматически согласно авторскому алгоритму непосредственно перед началом обработки.

4. Перечень фигур графических изображений:

Указанное техническое решение (способ) поясняется чертежами:

на фиг. 1 - изображена зависимость относительного удлинения (δ₁₀, %) образцов из стали 10Х11Н23Т3МР от температуры (T, °С) при испытаниях на растяжение;

на фиг. 2 - зависимость среднеквадратичного значения главной составляющей виброускорения (A_z, мВ) от скорости резания (V, м/мин) и диапазоны скоростей резания, характеризующиеся разным видом стружки;

на фиг. 3 - зависимости температуры в зоне резания (ϑ, °С), главной составляющей силы резания (P_z, Н), относительного износа по задней поверхности (h_опз, мкм/10³см²) от скорости резания (V, м/мин) при точении стали 10Х11Н23Т3МР.

5. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения (полезной модели):

Согласно изобретению, осуществляется предварительная обработка (точение) заготовки из труднообрабатываемого сплава или стали с помощью сборного резца со сменной режущей твердосплавной пластиной при разных скоростях резания V с записью главной составляющей виброускорения A_z(t) резца и вида сходящей при этом стружки. Скорости резания подбираются таким образом, чтобы перекрыть диапазон температур в зоне резания, вызывающих высокотемпературное охрупчивание материала - изменение вида стружки с суставчатой на элементную. Затем, строится зависимость среднеквадратичного значения (СКЗ) A_z(t) для каждой скорости резания V, по которой определяется диапазон скоростей, соответствующий скачкообразному изменению величины СКЗ виброускорения.

Физическая основа предлагаемого способа описана ниже.

С ростом температуры ряд жаропрочных сплавов имеет склонность к высокотемпературному охрупчиванию, заключающемуся в провале пластичности, выражающемся в значительном уменьшении относительного удлинения перед разрушением при испытаниях на растяжение. Показанное свойство влияет на вид стружки, поскольку при увеличении скорости резания повышается и температура в зоне контакта инструмента и заготовки, материал охрупчивается (фиг 1), стружка утрачивает пластичность и становится суставчатой, а затем элементной. Изменение вида стружки отражается в качественном изменении силового воздействия на режущий инструмент, так как для каждого вида стружки характерна различная площадь контакта с передней поверхностью резца, причем, для элементной и суставчатой прослеживается периодичность в воздействии на резец, в то время как сливная стружка предполагает стабильное, безотрывное нагружение. Переход из сливной, безотрывно скользящей по передней поверхности резца, стружки в суставчатую, состоящую из слабо связанных между собой частиц, сопровождается качественным изменением спектрального состава колебаний режущего инструмента, а именно, в появлении дополнительных гармоник, изменение вида стружки с суставчатой в элементную сопровождается количественным изменением спектра, то есть увеличением его среднеквадратичного значения. Температурно-скоростной фактор вызывает изменения механических характеристик обрабатываемого материала, что отражается в изменении вида стружки и, соответственно, характера вертикальной составляющей P_z, являющейся вынуждающей силой вертикальных осцилляций режущего инструмента.

Пример осуществления способа

На державке сборного резца, вертикально вблизи режущей пластины устанавливают акселерометр, сигналы с которого после усиления и оцифровки записывают в память компьютера. Запись сигнала виброускорения проводят во время точения заготовки из жаропрочной стали или сплава с разными скоростями резания, заданными для обеспечения температуры резания в диапазоне высокотемпературного охрупчивания по зависимости относительного удлинения от температуры при испытаниях на растяжение (фиг. 1). После цифровой фильтрации спектра сигнала виброускорения от собственных резонансных частот станка по полученному спектру вычисляют СКЗ записанных временных сигналов виброускорения (фиг. 2). При увеличении скорости резания наступает высокотемпературное охрупчивание обрабатываемого материала, выражающееся в скачкообразном изменении СКЗ виброускорения (фиг. 2). Рекомендуемые скорости резания лежат в диапазоне между критической точкой первой производной функции A_z(V), после которой следует стремительный прирост ее значения (более 200%), и точкой перегиба A_z(V).

Диапазон рекомендуемых скоростей резания, полученный по главной составляющей виброускорения резца, согласуется с результатами по механическим характеристикам (вид стружки), относительному износу по задней поверхности, главной составляющей силы резания (фиг. 3). Это доказывает, что главной составляющей виброускорения резца достаточно для определения диапазона скоростей максимальной работоспособности сменных режущих твердосплавных пластин сборных инструментов. Применение других методов, в таком случае, не является обязательным. Таким образом, достигается уменьшение трудоемкости процесса, поскольку нет необходимости проводить дополнительные испытания, а сбор данных о вибрации резца не требует внесения изменений в конструкцию станка.

Описанный метод в полной мере поддается алгоритмизации с реализацией в системе автоматического определения рекомендуемого диапазона скоростей резания по признакам скачкообразного роста значения первой производной и изменению знака второй производной функции СКЗ виброускорения от скорости резания. Имея результаты кратковременных испытаний образца, можно настроить автоматическую систему на динамическое поддержание необходимой скорости резания по результатам контроля среднеквадратичного значения вертикальной составляющей виброускорения резца в определенном диапазоне скоростей резания при точении на станках с ЧПУ или модернизированных универсальных токарных станках. Использование вибрации резца в качестве диагностического параметра снижает трудоемкость определения рекомендуемой скорости резания за счет автоматизации процесса.

В данном примере диапазон рекомендуемых скоростей резания, определённый по вибрации резца, составляет 40 - 50 м/мин (фиг. 2). Минимальный относительный износ по задней поверхности резца наблюдается на скоростях резания 35 - 50 м/мин (фиг. 3). Как и предполагалось, в окрестности данных скоростей происходит изменение вида стружки со сливной в суставчатую, то есть материал охрупчивается. Минимальное значение относительного удлинения от температуры (фиг. 1) наблюдается в диапазоне 650 - 750 °С, что при точении соответствует скорости резания 30 - 50 м/мин. Пересечение указанных диапазонов дает интервал скоростей 40 - 50 м/мин, который обеспечивает условия максимальной обрабатываемости, обуславливающие максимальную работоспособность сборных резцов со сменными режущими твердосплавными пластинами.

6. Промышленная применимость

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет уменьшить трудозатраты инженеров-технологов и операторов-наладчиков станков с ЧПУ на определение рекомендуемых скоростей резания при обработке деталей из труднообрабатываемых материалов.

Упростить внедрение в производство новых материалов с неотработанными режимами резания за счет ускорения определения диапазона скоростей максимальной работоспособности с применением автоматических систем.

Уменьшить затраты на расходные материалы: рациональное использование сменных режущих твёрдосплавных пластин сборных резцов, экономия дорогостоящих труднообрабатываемых материалов в связи с исключением необходимости проведения стойкостных испытаний, перевода дорогостоящего металла в стружку, снижение процента брака изготавливаемых деталей.

Изобретение относится к области обработки металлов резанием. Способ определения скорости резания, обеспечивающей максимальную работоспособность резца при точении труднообрабатываемых сталей и сплавов с помощью сборных резцов со сменными режущими твердосплавными пластинами, включающий определение скорости резания, при котором происходит изменение вида стружки из сливной в элементную. На державке сборного резца вертикально устанавливают акселерометр. Осуществляется предварительная обработка заготовки при разных скоростях резания V с записью временного сигнала главной составляющей виброускорения Az(t) и вида сходящей при этом стружки. Записывают временной сигнал виброускорения во время точения заготовки с разными скоростями резания. Скорость резания, обеспечивающая максимальную работоспособность резца, соответствует скачкообразному изменению величины среднеквадратичного значения главной составляющей виброускорения сборного резца и лежит в диапазоне между критической точкой первой производной функции Az(V), после которой следует прирост ее значения более 200%, и точкой перегиба функции Az(V), построенной по результатам предварительной обработки заготовки при разных скоростях резания V с записью временного сигнала главной составляющей виброускорения Az(t) резца при точении. Обеспечивается снижение трудоемкости определения и поддержания скорости резания, обеспечивающей максимальную работоспособность резцов. 3 ил., 1 пр.

Способ определения скорости резания, обеспечивающей максимальную работоспособность резца при точении труднообрабатываемых сталей и сплавов с помощью сборных резцов со сменными режущими твердосплавными пластинами, включающий определение скорости резания, при котором происходит изменение вида стружки из сливной в элементную, отличающийся тем, что на державке сборного резца вертикально устанавливают акселерометр, осуществляют предварительную обработку заготовки при разных скоростях резания V с записью временного сигнала главной составляющей виброускорения A_z(t) и вида сходящей при этом стружки, записывают временной сигнал виброускорения во время точения заготовки с разными скоростями резания, при этом скорость резания, обеспечивающая максимальную работоспособность резца, соответствует скачкообразному изменению величины среднеквадратичного значения главной составляющей виброускорения сборного резца и лежит в диапазоне между критической точкой первой производной функции A_z(V), после которой следует прирост ее значения более 200%, и точкой перегиба функции A_z(V), построенной по результатам предварительной обработки заготовки при разных скоростях резания V с записью временного сигнала главной составляющей виброускорения A_z(t) резца при точении.