Волгоград, Волгоградская область, Россия
В статье рассматривается проблема технологического обеспечения стабильности операций глубокого сверления, выполняемых на автоматизированном оборудовании – многоцелевых станках с ЧПУ. Рассмотрена группа деталей, изготавливаемых из крупногабаритных кузнечно-прессовых заготовок. Показано, что перевод обработки с универ-сального горизонтально-расточного станка с использованием комплекта специальных сверл и зенкеров позволяет исключить необходимость изготовления специального инструмента и повысить режимы резания, однако сохраняет-ся проблема стабильности обработки. Исследование твердости таких поковок обнаружило неравномерность дан-ной характеристики на различных участках заготовки. Несмотря на то, что с точки зрения статистики совокуп-ность экспериментальных данных является однородной и технологический процесс металлургического производства поковки является стабильным, выявленное непостоянство твердости оказывается весьма чувствительным для по-следующей стадии механической обработки, а именно для такого специального вида обработки как глубокое сверле-ние. Экспериментальные исследования стружкообразования при обработке отверстий подтвердили приведенное положение. Отмечено, что задача управления работоспособностью инструментов и качеством получаемых поверх-ностей должна решаться как на стадии технологической подготовки производства, так и непосредственно при вы-полнении операций. Последнее может быть решено посредством адаптивного управления, которое на современных серийно выпускаемых многоцелевых станках с ЧПУ реализуется по величине действующей мощности резания, что не требует переоборудования автоматизированного станочного парка механообрабтывающих участков. Приведено обоснование выбора факторов и уровней их варьирования для построения регрессионных моделей, предназначенных для технологической подготовки и адаптивного управления операциями глубокого сверления на многоцелевых станках с ЧПУ.
глубокое сверление, твердость, работоспособность инструмента, шероховатость, адаптивное управление, режимы резания
Предпосылки проблемы обеспечения стабильности обработки глубоким сверлением на многоцелевых
станках с ЧПУ
Технологическое обеспечение стабильности процессов механической обработки резанием остается актуальной проблемой для автоматизированных машиностроительных производств [1, 2]. От успешности ее решения зависят комплексные показатели надежности и эффективности использования технологической системы, в т.ч. коэффициент использования, коэффициент выхода годной продукции, коэффициент сохранения производительности.
В структурной модели процесса резания выделяют входные, функциональные и выходные параметры обработки. К входным переменным относят управляющие, определяющие и возмущающие факторы. Стохастический характер свойственен возмущающим факторам, к которым принадлежат случайные изменения физико-механических свойств обрабатываемого и инструментального материалов, припуска на обработку, статических и динамических характеристик станков и другие [3]. Нестабильность механических свойств, которую в цеховых условиях с достаточной степенью оперативности и универсальности можно оценивать по твердости, внутри партии заготовок или в пределах участков крупногабаритной заготовки имеет влияние на характер температурно-деформационной напряженности процесса резания. Постоянство силы резания, как функционального параметра обработки, находится в неотъемлемой зависимости от этого. В результате формируются предпосылки нестабильности периода стойкости инструмента и качества обработанных поверхностей как выходных характеристик технологического процесса обработки резанием. Статистика гласит, что в механических цехах, укомплектованных автоматизированным оборудованием с ЧПУ, преждевременная потеря работоспособности является причиной замены инструментов в каждом втором случае [4].
Неравномерность механических свойств между различными участками крупногабаритных кузнечно-прессовых заготовок может оказывать заметное влияние на стабильность протекания процессов последующей механической обработки. Указанное непостоянство свойств является проявлением технологической наследственности предшествующих этапов получения кузнечного слитка, обработки давлением, термической обработки и переносит свое влияние на операции формообразования механической обработкой. Такое воздействие проявляется в особенности для специальных видов резания, таких как, например, глубокое сверление.
В полной мере указанные особенности можно наблюдать при обработке крупногабаритных корпусных деталей. В фокусе исследования находилась группа корпусных деталей, изготавливаемых из поковок призматической формы габаритами до 550×550×600 мм. Обрабатываемый материал – конструкционная легированная сталь. В маршруте изготовления присутствует объемная закалка с отпуском. Конструкторско-технологической особенностью рассматриваемого предмета является необходимость обработки глубоких сквозных отверстий с отношением длины к диаметру отверстия до l/dотв. = 20.
Следует отметить, что конструктивные особенности деталей для изделий энергетической, нефтегазовой, атомной промышленности, специального машиностроения, а также судостроения вызывают необходимость выполнения сверления глубоких отверстий. Обработке подвергаются как тела вращения на станках для глубокого сверления токарной и вертлюжной компоновки, так и призматические корпусные детали с использованием специальных наладок и оборудования. На сегодняшний день формируется тенденция концентрации выполняемых операций на многоцелевых станках с ЧПУ. Например, технология глубокого сверления корпусными сверлами со сменными пластинами или ружейными сверлами с напайными пластинами для обработки деталей энергетического машиностроения реализуется на токарно-фрезерных ОЦ [5]. Кроме этого, в современной промышленности применяются сверлильные станки для обработки решеток теплообменников, днищ, рабочих колес турбин, литейной форм, например, модели серии BW («TBT», Германия) и модели серий CAMDER G, GS, HS («WIM», КНР), с компоновкой, близкой к структуре горизонтального многоцелевого станка с ЧПУ. При этом кинематика оборудования позволяет осуществлять наклон оси шпинделя для получения глубоких отверстий в заготовках под заданным углом.
Внедренный ранее маршрут обработки с учетом уровня имевшихся средств технологического оснащения предполагал использование сконструированных и изготавливаемых специальных сверл, и зенкеров длиной до 1450 мм для горизонтально-расточного станка. С целью совершенствования технологии – исключения необходимости изготовления специальных инструментов и интенсификации режимов резания – была реализована обработка корпусными сверлами для глубокого сверления со сменными твердосплавными режущими и направляющими пластинами на горизонтальном многоцелевом станке с ЧПУ. Подача СОЖ выполняется по каналам внутри корпуса сверла под высоким давлением –
5 МПа. Непостоянство обрабатываемости материала в пределах одной крупногабаритной заготовки, между заготовками в одной партии, а также между заготовками из разных партий способствует недостаточной стабильности периода стойкости режущего инструмента и качества получаемых поверхностей [6].
Отсюда следует, что требуемое от технологического процесса обеспечение стабильности и качества обработки глубоких отверстий на многоцелевых станках с ЧПУ в условиях непостоянства свойств обрабатываемого материала и стохастического характера процесса резания, формирует научную проблему, актуальную для современной практики машиностроительных предприятий.
Исследование нестабильности обрабатываемости крупногабаритных кузнечно-прессовых заготовок
С целью установления характера неоднородной обрабатываемости в пределах размеров крупногабаритной заготовки между заготовками одной плавки, проходившими совместную термическую обработку в одной партии, а также между заготовками разных плавок были выполнены нижеописанные исследования.
В кузнечно-прессовых заготовках габаритами 550×550×600 мм во взаимно перпендикулярных плоскостях в области объемов материала, предстоящего к удалению при обработке сквозных отверстий, с постоянным шагом были проконтролированы значения твердости. Измерения выполнялись с интервалом, позволяющим получить по 10 совокупностей замеров вдоль соответствующих поверхностей призматической заготовки. Для исследований использовался переносной твердомер «Константа КТ» («Константа», Россия). Статистически обработанные результаты исследований сведены в табл. 1 [7].
Установленное по данным эксперимен-тальных исследований распределение случай-ной величины твердости обрабатываемого материала подчиняется закону нормального распределения (рис. 1).
Анализ полученных величин стандартного отклонения и коэффициента вариации, который достигает 18,2 %, твердости материала крупногабаритных поковок демонстрирует непостоянство обрабатываемости в пределах объемов заготовки. Более того, зафиксировано трехкратное отличие величин коэффициента вариации твердости между заготовками одной плавки, проходившими совместную термическую обработку в одной партии, и между заготовками разных плавок (табл. 1). Несмотря на то, что с точки зрения статистики совокупность является однородной и технологический процесс металлургического производства поковки является стабильным (коэффициента вариации твердости не превышает 33 %), указанное непостоянство твердости оказывается весьма чувствительным для последующей стадии механической обработки, а именно для такого специального вида обработки как глубокое сверление [7].
Обнаруженный стохастический характер распределения твердости материала поковки переносит свое влияние на формирование сопротивления деформированию в зоне первичных и вторичных деформаций, отсюда и на тепловыделение, а также на протекание процесса контактного взаимодействия в зоне резания. Представленные обстоятельства способствуют нестабильности периода стойкости инструмента и качества получаемых поверхностей. Операторы, встречающиеся с этим обстоятельством на практике при эксплуатации сверлильно-фрезерно-расточных станков с ЧПУ, называют такое непостоянство свойств обрабатываемого материала «разнотвердостью». Так, при прохождении сверлом «мягких» участков заготовки рабочий вынужден сверх нормативного прерывать обработку для вывода инструмента из глубокого отверстия с целью контроля состояния режущих пластин и процесса стружкодробления [6].
Выполнены также исследования морфологии стружки, образующейся при глубоком сверлении отверстий на горизонтальном многоцелевом станке с ЧПУ в заготовках из представленной выборки (рис. 2).
При обработке заготовки № 24, отличающейся наибольшей вариацией твердости, имело место наличие как элементных стружек с ненадежным скалыванием, так и сливных спиральных. Усредненный диаметр спиралей составлял 11 мм, а длина – 49,3 мм (рис. 2, а).
Во время сверления отверстий в заготовке № 75, имевший наименьший разброс механических свойств, стабильно образовывалась элементная стружка скалывания (рис. 2, б).
При обработке заготовок № 89 и № 66, характеризующихся коэффициентами вариации 10,7 % и 10,1 %, соответственно, имели место как стружки с неравномерным скалыванием, так и спирали со средними диаметрами 10,3 мм и 9,8 мм и длиной 29 мм и 26 мм, соответственно (рис. 2, в, г).
Полученные результаты корреспондируют с данными о непостоянстве механических свойств материала поковок. Наличие как элементной, так и сливной стружки при обработке заготовок № 24, 89 и 66, свидетельствует о наличии участков с неравномерной твердостью. В областях материала с повышенной пластичностью стружколом на сменной многогранной пластине (СМП) при неизменной величине подачи инструмента работает ненадежно. В таких условиях эвакуация стружки затруднена, поэтому оператор многоцелевого станка вынужден принудительно прерывать обработку и варьировать подачу в ручном режиме. Особенно это заметно для заготовки № 24, имевшей наибольшую вариацию твердости.
Таким образом, результаты исследования непостоянства обрабатываемости крупногабаритных кузнечно-прессовых заготовок, свидетельствуют о необходимости разработки научно обоснованного подхода по учету выявленной нестабильности как на стадии технологической подготовки производства, так и на этапе непосредственного выполнения операции глубокого сверления.
Обоснование выбора факторов для построения математических моделей для управления обработкой глубоким сверлением на многоцелевых станках с ЧПУ
Задача управления работоспособностью инструментов и качеством получаемых поверхностей должна решаться как на стадии технологической подготовки производства, так и непосредственно при выполнении операций. Последнее может быть реализовано за счет использования адаптивного управления [8, 9].
Адаптивное управление на современных серийно выпускаемых многоцелевых станках с ЧПУ может реализовано по величине действующей мощности резания, что не требует переоборудования автоматизированного станочного парка механообрабатывающих участков. Для технологической подготовки производства и адаптивного управления необходимы надежные математические модели, связывающие входные, функциональные и выходные параметры процесса резания.
С целью разработки таких математических моделей для обработки глубоким сверлением выбраны следующие факторы: твердость обрабатываемого материала заготовки HB; теплопроводность твердосплавной СМП, Вт/м·К; режимы резания – скорость резания м/мин и подача мм/об (табл. 2). Твердость является характеристикой обрабатываемости материала заготовки, которую с достаточной степенью универсальности и оперативности возможно определять в условиях механообрабатывающих участков. Теплопроводность инструментального материала определяет характер теплораспределения в зоне резания и, соответственно, характер контактного взаимодействия. В качестве функционального параметра процесса выбрана сила резания, Н. В роли выходного параметра, отражающего качество обработанной поверхности, выбрана шероховатость Ra, мкм.
В качестве материала заготовок, прошедших упрочняющую термообработку для достижения уровней варьирования твердости согласно табл. 2, использовалась конструкционная легированная сталь 12Х2НВФА.
В качестве инструмента применялись корпусное сверло мод. K5D34032-11 и СМП к нему, имеющие формы квадрата – периферийная (SPMT) и ломаного четырехгранника – центральная (XOMT) («Korloy», Ю. Корея). В экспериментальном исследовании для обеспечения уровней варьирования фактора теплопроводности запланированы твердосплавные СМП без износостойкого покрытия, а также с износостойкими PVD- и CVD-покрытиями, нанесенными методами химического осаждения из парогазовой фазы и физического осаждения из пароплазменной фазы, соответственно [10, 11]. При выборе уровней варьирования факторов скорости резания и подачи (табл. 2) учитывались рекомендации отечественной справочной литературы [12], производителей инструмента для сверления – «Botek» (Германия), «Korloy» (Ю.Корея), а также имеющийся опыт на механообрабатывающем участке, оснащенном многоцелевыми станками с ЧПУ.
Выводы
- Обоснована актуальность проблемы технологического обеспечения стабильности операций глубокого сверления при обработке крупногабаритных кузнечно-прессовых заготовок на многоцелевых станках с ЧПУ.
- Выполнено исследование непостоянства твердости на различных участках крупногабаритных поковок и, соответственно, нестабильной обрабатываемости на операциях сверления.
- Приведено обоснование выбора факторов и уровней их варьирования для построения регрессионных моделей, предназначенных для технологической подготовки и адаптивного управления операциями глубокого сверления на многоцелевых станках с ЧПУ.
1. Плотников А. Л., Чигиринский Ю. Л., Тихонова Ж. С., Фролов Е. М., Крайнев Д. В. Как научить систему ЧПУ решать технологическую задачу по выбору надёжных значений параметров процесса металлообработки // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2022. №. 3. С. 32−39. DOI: https://doi.org/10.30987/2223-4608-2022-3-32-39.
2. Бутенко В. И., Лебедев В. А., Колганова Е. Н., Кадач Р. Г. Эффективные способы заточки металлорежущих инструментов из быстрорежущей стали и твёрдых сплавов // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2024. №. 11. С. 44−48. DOI: https://doi.org/10.30987/2223-4608-2024-44-48.
3. Старков В. К. Физика и оптимизация резания материалов. М.: Машиностроение, 2009. 640 с.
4. Григорьев С. Н., Маслов А. Р. Обработка резанием в автоматизированном производстве: учебник. М.: Машиностроение, 2008. 372 с.
5. Шатцль Д., Коль Р. Глубокое сверление // РИТМ машиностроения. 2015. №. 5. С. 37−39.
6. Ингеманссон А. Р., Толстяков Н. А. Исследование рассеяния твердости крупногабаритных кузнечно-прессовых заготовок и влияния на обрабатываемость резанием // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2023. № 8. С. 18−21. doi: https://doi.org/10.35211/1990-5297-2023-8-279-18-21.
7. Толстяков Н. А., Ингеманссон А. Р. Влияние неравномерного распределения твердости в крупногабаритных кузнечно-прессовых заготовках на характеристики стружкообразования на операциях глубокого сверления // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2024. № 3. С. 30−33. DOI: https://doi.org/10.35211/1990-5297-2024-3-286-30-33.
8. Суслов А. Г., Петрешин Д. И., Шалыгин М. Г., Хандожко В. А. Автоматизированное технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств деталей машин // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2024. №. 7. С. 24−33. DOI: https://doi.org/10.30987/2223-4608-2024-24-33.
9. Унянин А. Н., Финагеев П. Р. Исследование эффективности методики коррекции режима процесса механической обработки с изменяющимися во времени параметрами в условиях неопределенности технологической информации // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2023. №. 12. С. 23−29. doi: https://doi.org/10.30987/2223-4608-2023-23-29.
10. Korloy. Metal cutting tools: catalogue. South Korea: Korloy Publ., 2017. P. 1060.
11. Верещака А. С., Третьяков И. П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1986. 192 с.
12. Справочник технолога / под общей ред. А. Г. Суслова. М.: Инновационное машиностроение, 2019. 800 с.
