Пути совершенствования прогностических моделей стойкости рещущих пластин

1. Введение

Задача своевременной замены режущих пластин является особенно актуальной для металлорежущего оборудования с ЧПУ. В настоящее время существует достаточно много производителей, которые предлагают режущие пластины, стойкость которых может в несколько раз отличаться друг от друга, несмотря на одинаковый заявленный инструментальный материал. Данные вариации связаны с технологией их изготовления и различным химическим составом. Тем не менее, для всех случаев существует необходимость прогнозирования максимального времени работы режущей кромки до её критического износа

Как правило, производитель рекомендует определённый интервал скоростей резания и подач, при которой гарантирует ориентировочные значения стойкости инструмента, полученные на основе статистических экспериментальных исследований. При этом значения приводятся не для конкретного материала, а для группы материалов.

Очевидно, что реальные производственные условия тех или иных предприятий отличаются: жёсткость системы СПИД, физико-механические характеристики обрабатываемого материала (варьируются в определённых пределах), нестационарные условия обработки, конкретные назначаемые в рекомендуемом интервале режимы резания и др.

Дополнительным фактором служит тот факт, что далеко не каждый производитель может обеспечить стабильность качества каждой партии режущих пластин (например, износостойкость для пластин одной марки, но разных партий изготовления может отличаться в десятки раз, в пределах одной партии изготовления – в несколько раз, для разных вершин одной и той же пластинки – 1,5–3 раза [1].

Таким образом, существует потребность в проведении серии стойкостных испытаний для конкретных режущих пластин, используемых на производстве, что, как правило, требует значительных временных и материальных затрат.

Целью данной работы является поиск путей совершенствования прогностических моделей стойкости режущих пластин. Для этого необходимо решить следующие задачи: проанализировать существующие методы стойкостных испытаний режущих пластин; рассмотреть возможности численного моделирования процессов резания; предложить численно-эмпирический метод прогнозирования стойкости режущих пластин.

2. Методы стойкостных испытаний режущих пластин

Согласно ISO 3685 [2] в качестве критерия отказа режущего инструмента рассматривают достижение определённых значений регулярного и нерегулярного износа по задней поверхности, глубины лунки износа по передней поверхности и её расстояние от режущей кромки. В данном стандарте также приведена методика проведения стойкостных испытаний, которая предполагает получение зависимости:

V_c·T_c^-1/k=C

v_c – скорость резания, м/мин; T_c – стойкость инструмента, мин; k – коэффициент, учитывающий наклон кривой стойкости инструмента, С – константа.

Согласно [3] различают два вида стойкостных испытаний: полные и ускоренные. Полные испытания проводят в условиях приближенных к условиям конкретной реальной обработки. Ускоренные испытания позволяют сократить их объем и трудоемкость за счёт применения принципов моделирования, экстраполяции по нагрузке или времени. Моделирование может быть как математическим, так и физическим. Математические модели разрабатываются на основе исследований механизма процесса. Однако, учитывая тот факт, что процесс резания является сложным и мультифакторным, модель будет представлять сложную для решения систему уравнений. Физическое моделирование предполагает замену исследуемого процесса на другой более простой, с корректировкой технологических и иных параметров. При этом, главным образом, рассматривают более значимые факторы, а менее значимыми пренебрегают или учитывают в упрощенном виде.

Также в настоящее время внедряются методы прогнозирования периода стойкости режущего инструмента, основанные на использовании параметров, характеризующих материал режущего инструмента, базирующиеся на различии численных значений характеристик физико-химических свойств инструментального материала в зависимости от колебаний его состава, структуры и параметров процесса изготовления. Такими параметрами могут быть магнитная проницаемость, микротвёрдость, удельная электропроводность, теплопроводность, внутреннее трение, ультразвуковые свойства, акустическая эмиссия, коэффициент температуропроводности. Тем не менее, все представленные методы позволяют получить относительные значения стойкости режущего инструмента, а для установления корреляционной связи требуется проведение стойкостных испытаний в паре с конкретным обрабатываемым материалом.

3. Возможности численного моделирования процессов резания

Численное моделирование процессов резания является современным передовым инструментом для определения путей повышения производительности и снижения себестоимости механической обработки.

Несмотря на целый ряд преимуществ (широкие возможности варьирования параметрами обработки, высокий уровень точности выполнения сложных расчётов, гибкость и мультифакторность), данные модели имеют ряд недостатков: невозможность одновременного учёта факторов на макроуровне (уровень системы СПИД), мезоуровне (термомеханические процессы в зоне резания) и микроуровне (трещинообразование, адгезия, химические явления и др.); отсутствие всей необходимой информации для моделирования (структура обрабатываемого материала, наличие включений, учёт случайных факторов и др.); чувствительность моделей к особенностям того или иного программного обеспечения (например, если программное обеспечение базируется на применении конечно-элементного моделирования, данная проблема будет связана с возможными случаями разрушения конечно-элементной сетки).

Тем не менее, термомеханическое моделирование даёт понять характер распределения потоков обрабатываемого материала вдоль поверхности режущей пластины, а также проанализировать состояние обрабатываемого материала при больших деформациях и нагружение той или иной контактной зоны (например, рис. 1).

Рис.1 – Распределение напряжений по фон Мизесу при точении стали ШХ15 [4]

Для стабильных условий обработки такое моделирование может послужить одним из базовых модулей в прогнозировании стойкости режущей пластины.

4. Численно-эмпирические методы прогнозирования стойкости режущих пластин

Использование исключительно эмпирических методов не является целесообразным, исходя из большого объёма требуемых экспериментальных исследований. Применение исключительно численного моделирования не предоставляется возможным из-за отсутствия полной информации о процессе резания и сложности учёта их многофакторного влияния. На основании этого в настоящее время рационально применять численно-эмпирические методы прогнозирования стойкости режущих пластин. При прогнозировании стойкости режущей пластины для работы на конкретном металлорежущем оборудовании в заданных производственных условиях может быть применён следующий метод. Прогнозирование стойкости режущей пластины базируется на термомеханической имитационной модели процесса резания и модели стойкости режущей пластины.

Термомеханическая имитационная модель процесса учитывает физико-механические свойства обрабатываемого материала и режущего инструмента, поведение материала при больших деформациях, геометрические параметры режущего инструмента, параметры трибологического и теплового взаимодействия контактирующих поверхностей, режим резания. Подробная методика термомеханического моделирования представлена в работе. [5]

Модель стойкости режущей пластины представляет собой регрессионное уравнения зависимости стойкости T от термомеханических параметров нагружения (контактного нормального напряжения σ контактного касательного напряжения τ и контактной температуры θ), полученного на основании экспериментальных исследований и имитационного моделирования.

T(σ,τ,θ)=e^{k+x·ln(σ)+y·ln(τ)+z·ln(θ)}

где k, x, y, z – коэффициенты уравнения регрессии.

Для определения коэффициентов регрессионного уравнения требуется провести ряд испытания в целях получения базовых значений стойкости, которые позволяют учесть ряд факторов, связанных с условиями заданного производства.

5. Заключение

Предложенный численно-эмпирический метод позволяет прогнозировать стойкость для конкретных режущих пластин с учётом заданных производственных условий, при этом значительно сокращается требуемый для этого объём экспериментальных исследований. Особо ценным является термомеханическое понимание процессов происходящих в зоне резания, что позволяет также выполнять и оптимизационные задачи.

Список использованной литературы

1. Бибик В. Л. Методы прогнозирования стойкости режущих инструментов / В. Л. Бибик // Фундаментальные исследования. – М.: Издательский Дом Академия Естествознания, 2011. – № 12 (часть 1) – С. 81-84.
2. ISO 3685. Essais de duree de vie des outils de tournage a partie active unique. Decembre 1993. - AFNOR, 1993.- 55 p.
3. Черепахин А. А. Стойкостные испытания режущего инструмента : монография / А. А. Черепахин, В. Ф. Солдатов. – М. : РУСАЙНС, 2016. – 122 с.
4. Сидорова Е. В. Определение влияния режимов резания на термомеханическое нагружение режущей пластины при точении ШХ15 / Е. В. Сидорова / Прогресивні технології і системи машинобудування: міжнародний зб. наукових праць. – Донецьк: ДонНТУ, 2014. – Вип. 49. – С. 165-171.
5. Sydorova H. Pratique de la modelisation des processus de coupe avec assistance / H Sydorova // HAL: l’archive ouverte du Centre pour la communication scientifique directe. – 2014.