Оптимизация технологического процесса токарной обработки валов

В таблице 3.1.1 приведены модуль упругости и коэффициент Пуассона для трех различных марок сталей, из которых изготовлены исследуемые валы.

Таблица 3.1.1

Характеристики упругости различных марок стали

Конструкция вала	Материал	Модуль упругости, ГПа	Коэффициент Пуассона
Вал 1	Сталь 45	200	0,3
Вал 2	Сталь 40Х	210	0,28
Вал 3	Сталь 40ХН	220	0,26

Назначим начальные режимы обработки валов. Операция наружного точения всех трех конструкций подразумевает получение диаметрального размера со следующими характеристиками:

- диаметр Ø48 мм;

- квалитет точности 9;

- размер поля допуска 62 мкм.

Для обеспечения требуемой точности необходимо, чтобы суммарные отжимные деформации, то есть полные перемещения точек заготовки в зоне обработки, под действием тангенциальной и радиальной составляющих силы резания не превышали четверти величины поля допуска на получаемый после обработки размер.

ΔYZ ≤ δ/4,                                                      (3.1.1)

где  ΔYZ – величина полных отжимных перемещений, мкм;

δ – величина поля допуска на размер, мкм.

ΔYZ ≤ 62/4 = 15,5 мкм.

Назначим начальные режимы резания.

1. Глубина резания. При чистовой  обработке рекомендуется 0,5 – 1,5 мм. Примем t = 1,5 мм.

2. Подача. При чистовой обработке  стали с получением шероховатости Rz 2,5 и радиусе при вершине резца 0,5 мм рекомендуется 0,11 – 0,18 мм/об. Примем S = 0,18 мм/об.

3. Скорость резания. На чистовых  операциях при использовании  инструмента с пластиной из  твердого сплава рекомендуется 150 – 200 м/мин.

Примем ориентировочно Vор. = 200 м/мин.

Рассчитаем частоту вращения шпинделя nрасч., мин-1:

nрасч. = 1000·Vор./π·D,                                       (3.1.2)

где D – максимальный диаметр заготовки в зоне резания, D = d + 2t, где d – получаемый диаметр; D = 48 + 2·1,5 = 51 мм.

nрасч. = 1000·200/π·51 = 1248,27 мин-1.

Для станка 16К20 выбираем стандартную частоту n = 1250 об/мин.

Рассчитаем фактическую скорость резания V:

V = π·D·n/1000

V = π·51·1250/1000 = 200,277 м/мин.

Теперь на основании полученных данных о режимах резания необходимо рассчитать начальные составляющие силы резания PZ, PY и PX.

PZ - главная вертикальная (тангенциальная) составляющая силы резания при точении; в общем случае - сила, действующая в направлении скорости главного движения резания. Зависит от параметров режима резания, материала обрабатываемой детали, используемого инструмента. Может быть рассчитана по эмпирической формуле: 

(Н),                             (3.1.3)

где t, S, V – соответственно глубина резания, подача и скорость;

xp, yp, np – показатели степеней пропорциональности соответствующих режимов;

СPZ – общий коэффициент пропорциональности;

KPZ – поправочный коэффициент, рассчитывается по следующей формуле:

,                               (3.1.4)

где - поправочный коэффициент, учитывающий влияние механических свойств обрабатываемого материала на Рz. ;

- поправочный коэффициент, учитывающий  влияние качества заготовки на Рz;

  - поправочные коэффициенты, учитывающие влияние геометрических параметров режущей части инструмента на Рz.

PY, PX – соответственно радиальная и осевая составляющие силы резания. Рассчитываются по аналогичной методике.

Рассчитаем составляющие силы резания.

CPZ = 384; xpz = 0,9; ypz = 0,9; npz = -0,15; KPZ = 1·1·1,08·1·1 = 1,08.

PZ = 10·384·1,50,9·0,180,9·200,277-0,15·1,08 = 579 H;

CPY = 355; xpy = 0,6; ypy = 0,8; npy = -0,3; KPY = 1·1·1,3·0,75·1 = 0,975.

PY = 10·355·1,50,6·0,180,8·200,277-0,3·0,975 = 229 H;

CPX = 241; xpx = 1,05; ypx = 0,2; npx = -0,4; KPY = 1·1·0,78·1,07·1 = 0,8346.

PX = 10·241·1,51,05·0,180,2·200,277-0,4·0,8346 = 265 H.

На рис. 3.1.1 – 3.1.3 представлены конструкции валов, подлежащих исследованию. Токарной обработке во всех трех случаях подвергается средняя ступень вала, на которой схематически в виде небольшой ступеньки показан процесс снятия припуска. 

3.1.  Оптимизация режимов резания при обработке вала 1

Первая конструкция вала представлена на рис. 3.1.1.

 

 

Таблица 3.1.2

Деформация заготовки в зоне резания в зависимости от ее окружного положения относительно инструмента

Окружное положение заготовки, º	Деформация вдоль оси Y ΔY, мкм	Деформация вдоль оси Z ΔZ, мкм	Полная деформация ΔYZ, мкм
0	3,459	9,518	10,128
30	3,399	9,533	10,121
60	3,447	9,345	9,961
90	3,552	9,09	9,76
120	5,786	8,078	9,936
150	3,868	9,472	10,215
180	3,465	9,608	10,214
210	3,353	9,353	9,936
240	3,39	9,173	9,78
270	3,543	9,083	9,75
300	3,663	9,293	9,989
330	3,621	9,533	10,197
360	3,459	9,518	10,128
Примечание: осевое положение инструмента 8 (по центру заготовки).

Таблица 3.1.3

Деформация заготовки в зоне резания в зависимости от осевого положения инструмента относительно заготовки

Номер осевого положения инструмента	Деформация вдоль оси Y ΔY, мкм	Деформация вдоль оси Z ΔZ, мкм	Полная деформация ΔYZ, мкм
0	1,146	4,611	4,752
1	2,085	5,516	5,897
2	2,572	6,264	6,771
3	2,769	6,992	7,521
4	2,941	7,763	8,301
5	3,428	8,408	9,08
6	3,537	8,948	9,621
7	3,603	9,3	9,975
8	3,612	9,555	10,215
9	3,572	9,563	10,209
10	3,472	9,36	9,984
11	3,322	9	9,594
12	2,861	8,07	8,562
Примечание: окружное положение заготовки 150º.

Таблица 3.1.4

Деформация заготовки в зоне резания в зависимости от способа ее закрепления при обработке

Способ закрепления	Номер осевого положения инструмента	Деформация вдоль оси Y ΔY, мкм	Деформация вдоль оси Z ΔZ, мкм	Полная деформация ΔYZ, мкм
В патроне	1	51,39	158,5	166,6
В патроне с центром	6,3 8	2,637 2,498	6,956 6,821	7,44 7,264
В центрах	8	3,612	9,555	10,215
Примечание: окружное положение заготовки 150º.

По результатам полученных расчетов на данной операции выбираем закрепление заготовки в патроне с центром задней бабки станка, поскольку максимальный отжим детали при обработке в этом случае получается наименьшим, а именно 7,5 мкм.

Теперь попробуем оптимизировать собственно режимы резания. Поскольку глубину резания менять не желательно будем изменять подачу. При изменении подачи изменяются величины составляющих силы резания, то есть значения PZ, PY и PX. При увеличении подачи они возрастают, при уменьшении – убывают. В таблице 3.1.5 представлены значения подач и соответствующие им составляющие силы резания, рассчитанные по формулам 3.1.1.

Таблица 3.1.5

Зависимость сил резания от величины подачи

Подача, мм/об	PZ, H	PY, H	PX, H
0,15	491	198	256
0,2	636	249	271
0,25	777	298	283
0,3	916	345	294
0,35	1052	390	303
0,4	1186	434	311
0,45	1319	477	318
0,5	1450	519	325
0,55	1580	560	331
0,6	1709	600	337
0,65	1836	640	343
0,7	1963	679	348
0,75	2089	717	352

Таблица 3.1.6

Зависимость деформации заготовки в зоне резания от величины подачи

Подача, мм/об	Деформация вдоль оси Y ΔY, мкм	Деформация вдоль оси Z ΔZ, мкм	Полная деформация ΔYZ, мкм
0,15	2,266	5,898	6,319
0,2	2,882	7,635	8,161
0,25	3,474	9,33	9,957
0,3	4,05	11	11,725
0,35	4,609	12,63	13,446
0,4	5,151	14,24	15,146
0,45	5,683	15,84	16,83
0,5	6,214	17,42	18,491
0,55	6,744	18,97	20,131
0,6	7,242	20,52	21,761
0,65	7,748	22,04	23,365
0,7	8,258	23,57	24,971
0,75	8,738	25,07	26,552
Примечание: окружное положение заготовки 150º; осевое положение инструмента 6,3.

Из таблицы 3.1.6 видно, что при подаче 0,4 мм/об полное отжимное перемещение заготовки составляет 15,146 мкм тогда как максимально допустимое его значение, обеспечивающее требуемую точность обработки, 15,5 мкм (см. выше). При подаче 0,45 мм/об отжим заготовки составит 16,83 мкм, что уже превышает допустимый предел и не обеспечит требуемой точности. Таким образом мы можем увеличить значение подачи с 0,18 мм/об, назначенных изначально, до 0,4 мм/об, что допускается при чистовой обработке с выбором соответствующей геометрии резца. В результате появилась возможность более чем в два раза ускорить процесс обработки на данной операции: