МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ОБРАБОТКИ НА СТАНКАХ С ЧПУ В ПРИКЛАДНЫХ CAD CAM СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ КРИТЕРИЯ СКОРОСТИ СЪЕМА ЗАГОТОВКИ С ДЕТАЛИ

MODELING OF HIGH-SPEED MACHINING ON CNC MACHINES IN APPLIED CAD CAM SYSTEMS BASED ON SPEED OF STOCK REMOVAL FROM A PART CRITERION

Oleg Polyachkov

student, department " Engineering», Togliatti State University,

Russia, Tolyatti

Denis Levashkin

scientific supervisor, Ph.D. tech. Sciences, Associate Professor, Department of “Equipment and Technologies of Mechanical Engineering Production, Togliatti State University,

Russia, Tolyatti

АННОТАЦИЯ

Процессы обработки металлов с высокой скоростью резания используются уже давно. Эта технология имеет множество преимуществ, и имеет ряд недостатков в связи с поиском правильного сочетания высокой производительности, скорости и низкой энергоёмкостью процесса резания. Связанно это с высокими требованиями для высокоскоростной обработки (ВСО). Однако с помощью выбора скорости снятия припуска и соблюдения рекомендованных режимов резания можно выйти на характеристики процессов обработки близких к ВСО, если добиться правильного соотношения параметров скорости вращения инструмента и скорости снятия припуска с поверхности детали. Тогда для конкретных значений мощности привода главного движения, параметров подачи и скорости инструмента, выбранный режим по своей интенсивности будет соответствовать высокоскоростному. В данной работе представлена теоретическая постановка данной гипотезы на основе результатов моделирования в прикладных САПР САМ.

ABSTRACT

Metal machining processes with high cutting speed have been used for a long time. This technology has many advantages and has a number of disadvantages due to the search for the right combination of high productivity, speed and low energy consumption of the cutting process. This is due to the high requirements for high speed machining (HSM). However, by selecting the stock removal rate and adhering to the recommended cutting modes, it is possible to achieve the characteristics of machining processes close to HSS if the correct ratio between the parameters of tool rotation speed and stock removal rate from the workpiece surface is achieved. Then for specific values of the main motion drive power, feed parameters and tool speed, the selected mode will correspond to the high-speed mode in its intensity. This paper presents a theoretical formulation of this hypothesis based on the results of modelling in CAD CAM.

Ключевые слова: обработка металла, высокоскоростная обработка, классическая обработка метала.

Keywords: metal processing, high-speed machining, classical metal processing.

Главными различие между традиционными методами обработки металла и ВСО является скорость и объем снимаемого слоя в единицу времени. Чем больше величина этих параметров, тем выше износ инструмента. На рисунке 1 представлена зависимость износа инструмента от скорости.

Рисунок 1. Зависимость износа инструмента от скорости

Умеренные режимы резания (диапазон скоростей v1–v2 на рис. 1) характеризуются периодами стойкости инструмента, в несколько раз превышающими нормативный период стойкости, однако производительность обработки, которая в первую очередь определяется скоростью резания, для этих режимов минимальна.

Нормальные режимы резания (диапазон скоростей v0–v3 на рис. 1) предполагают компромисс между относительно высокой стойкостью и относительно высокой производительностью. Такие режимы широко используются в единичном и серийном производстве при работе на универсальных станках, и именно они чаще всего рекомендуются в общемашиностроительных нормативах.

Форсированные режимы резания (диапазон скоростей v4–v5 на рис. 1) используют в тех случаях, когда данная операция является лимитирующей по производительности в технологической цепочке изготовления детали или при работе на сложном дорогом оборудовании, когда несмотря на повышенные затраты на инструмент важнее окупить дорогостоящее оборудование за счет большой производительности обработки. [1]

Таким образом ВСО позволяет быструю обработку, с щадящими для станка силами, но при этом значительно увеличивает износ инструмента. Так же важной особенностью ВСО является уменьшение тепловыделения рабочего инструмента и обрабатываемой детали. Это обусловлено малым временем контакта режущей кромки с заготовкой и стружкой, что большая часть тепла, образующегося в зоне резанья не успевает нагреться и переходит в мелкую стружку, которая забирает тепло с собой. При ВСО очень важно соблюдать тепловой режим. Поэтому СОЖ крайне нежелателен, в отличие от обдува позволяющему стружке покинуть обрабатываемый участок быстрее. [2]

В качестве объекта исследований возьмём деталь, из стали 40. Заготовка для данной детали является кругляк с диаметром 90мм и толщиной 30 мм. Исходная геометрия детали представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Исходная геометрия детали

Режущий инструмент возьмём концевую фрезу НИР М110 (M110-100100R00 H24), рисунок 3.

Рисунок 3. Параметры инструмента

Параметры инструмента, где диаметр D = 10мм, длина режущей части L1 = 40 мм, длина рабочей части L2 = 60 мм, длина инструмента L = 100 мм, диаметр d (h6) = 10мм

На первом этапе моделирования зададим рекомендованные режимы для фрезы, при работе 0.5D инструмента и 10мм глубины резания: n (скорость вращения шпинделя) – 4038 об/мин, fv (минутная подача) – 339 мм/мин.

В результате моделирования получим время обработки детали равное 13 минут 25 секунд. Рисунок 4.

Рисунок 4. Результат расчета времени обработки детали при рекомендованных режимах обработки

Проведём моделирование для данной детали с применением ВСО. Режимы ВСО: 0.15D инструмента, 30 мм глубины резания, n (скорость вращения шпинделя) – 10000 об/мин, fv (минутная подача) – 3000 мм/мин. Для этой же детали обработка займет 3 минуты 10 секунд, рисунок 5

Рисунок 5. Результат расчета времени обработки детали при форсированных режимах обработки

На основании полученных результатов моделирования режимов ВСО можно подтвердить одну из основных гипотез современности, что для ВСО необходимо оборудование высокой жесткости. Однако, как показали полученные результаты, в принципе выход на режим СВО возможен и на оборудовании любого типа, вопрос только в соотношении скорости вращения инструмента и скорости снятия припуска. Вопрос именно в том, что в этом случае будет является критерием достижимости ВСО. Соответственно:

1. Результаты моделирования в АДЕМ показали, что существует эффект применения форсированных режимов обработки в виде сокращения времени обработки одной и той же детали [3].

2. Показано, что для моделирования режимов обработки ВСО для станков с приводом главного движения малой мощность можно добиться выхода на высокопроизводительную обработку детали путем применения в расчетах информации о износе инструмента, предельной скорости вращения инструмента и предельной для этого режима обработки скорости снятия припуска с поверхности детали.

3. Показана необходимость проведения исследований в области баланса соотношения допустимого износа инструмента, предельной скорости вращения инструмента и предельной скорости снятия припуска с поверхности детали для расчета ВСО для любого типа металлорежущего оборудования.

Таким образом, в данной работе в качестве результата показана гипотеза, что выход на режим ВСО достижим для любого типа оборудования, также и верно обратное заключение, когда для выхода на режим ВСО в каждом конкретном случае необходимо выполнение условий соотношения допустимого износа инструмента, предельной скорости вращения инструмента и предельной скорости снятия припуска с поверхности детали.

Дальнейшим развитием гипотезы могут стать исследования, направленные в несколько направлений, одно из них – теоретическое моделирование, оно как известно является трудоемким процессом, и трудно верифицируемо (имеет большой временной лаг). Другое направление –цифровизация процессов ВСО в прикладных САПР САМ по критерию скорости снятия припуска с детали путем поиска, оценки и прогнозирования результатов обработки с помощью простейших инструментов анализа больших данных (результатов процессов ВСО снятых с реального оборудования с ЧПУ), нейросетей и искусственного интеллекта.

Список литературы:

1. Doluk, E.; Rudawska, A.; Kuczmaszewski, J.; Miturska-Barańska, I. Surface Roughness after Milling of the Al/CFRP Stacks with a Diamond Tool. Materials 2021, 14, 6835.https://doi.org/10.3390/ma14226835
2. Фельдштейна, Э. И. Обрабатываемость сталей / Э. И. Фельдштейна. – М. : Машгиз, 1953. – 254 с.
3. Даниленко Б.Д., Зубков Н.Н. Д18 Выбор режимов резания (продольное точение, сверление спиральными сверлами, фрезерование концевыми фрезами): Учеб. пособие / Под ред. В.С. Булошникова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. — 52 с.: ил.