Способ определения параметра шероховатости на токарных станках с чпу при получистовой и чистовой обработке металла твердосплавным инструментом
Патент 2492968
Авторы
- Зайцева Наталья Григорьевна (RU)
- Плотников Александр Леонтьевич (RU)
- Сергеев Александр Сергеевич (RU)
Правообладатели
Классы МПК
Способ определения параметра шероховатости на токарных станках с чпу при получистовой и чистовой обработке металла твердосплавным инструментом
Способ относится к определению величины параметра шероховатости Ra при обработке стали с измерением термоэлектродвижущей силы. Для повышения точности определения величины параметра Ra предварительно осуществляют кратковременный пробный проход резцом по детали, измеряют термоЭДС, по которой определяют поправочный коэффициент на физико-механические свойства контактируемой пары резец-деталь, а величину параметра шероховатости Ra определяют с использованием измеренного значения термоЭДС по приведенной формуле. 7 табл.
Реферат
Изобретение относится к обработке металлов резанием на токарных станках с ЧПУ и может быть применено для определения параметра шероховатости Ra автоматизированным (программным) путем.
Известен способ определения шероховатости поверхности детали при обработке на металлорежущим станке с использованием сигнала акустической эмиссии. Шероховатость определяют по отношению площадей спектров зарегистрированного и определенного заранее эталонного сигнала акустической эмиссии (см. Патент РФ 2163182 С1 МПК В23В 25/06 от 20.02.2001 г.).
Недостатком способа является то, что он требует наличие новой эталонной детали при смене марки обрабатываемой стали или марки инструмента и нового тарировочного графика. Кроме того, способ не может быть использован на этапе проектирования (разработки) технологического процесса для определения задаваемого значения шероховатости.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному является способ определения параметра шероховатости Ra при обработке наружных цилиндрических поверхностей в условиях получистового и чистового точения, описанный в Справочнике технолога-машиностроителя. T.1 / под ред. А.М. Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова, А.Г. Суслова, - 5 изд., исправл. - М.: Машиностроение - 1, 2003, - 912 с. стр.172, таблица 15 и таблица 20 стр.179. Способ предусматривает определение параметра шероховатости Ra с учетом влияния скорости резания, подачи, переднего угла резца и коэффициента Ко, учитывающего условия обработки.
Недостатком этого способа является то, что он имеет ограниченное применение по маркам обрабатываемых сталей (ст.3; ст.20; ст.45; ст.70) и не учитывает влияние марки инструментального материала на высоту микронеровностей Ra, а такое влияние имеется (см. книгу Развитие науки о резании металлов, под ред. Зорева Н.Н. М.: Машиностроение, 1967. - 416 с. стр.295, рисунок 8.2). При смене марки инструментального материала изменяется его теплопроводность. Влияние теплопроводности контактируемых пар на шероховатость проявляется через передачу количества выделенного при резании тепла в инструмент и стальную заготовку, т.е. через коэффициент теплоусвоения, представляющий собой отношение теплофизических характеристик инструмента и стальной заготовки. Количество тепла, усвоенного объемом срезаемого металла, определяет долю хрупкого и вязкого разрушения в механизме стружкообразования и оказывает влияние на механизм образования микронеровностей и количественное значение параметра шероховатости Ra через температурную прочность металла.
Указанный недостаток приводит к тому, что рассчитанное значение параметра шероховатости Ra на стадии проектирования технологического процесса токарной обработки по наиболее близкому к заявленному способу не дает приемлимого совпадения с фактическим и это значение выходит за пределы допуска по классу шероховатости, что приводит или к браку по качеству обработанной поверхности или к недоиспользованию резерва повышения производительности (увеличения подачи). При существующем разбросе свойств (как между марочным составом так и внутри его) инструментального материала и обрабатываемых сталей определение параметра шероховатости Ra с ориентацией на среднее (справочное) значение этих свойств (коэффициент Ко) приводит к значительным ошибкам
Задача, на решение которой направлено изобретение состоит в повышении точности определения параметра шероховатости Ra при обработке углеродистых, конструкционных и низколегированных сталей за счет оперативного определения величины поправочного коэффициента Ко, учитывающего физико-механические (теплофизические) свойства каждой контактной пары.
Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является повышение точности определения параметра шероховатости Ra программным (автоматизированным) путем на токарных станках с ЧПУ.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявленном способе определения параметра шероховатости на токарных станках с ЧПУ при получистовой и чистовой обработке металла твердосплавным инструментом предварительно осуществляют кратковременный пробный проход резцом по детали, измеряют термоЭДС, по которой определяют поправочный коэффициент Ко на физико-механические свойства контактируемой пары резец-деталь, а величину параметра шероховатости Ra определяют с использованием измеренного значения термоЭДС по формуле (I):
R a = K o S 0,85 ( 90 + γ ) 0,65 r 0,36 ⋅ V 0,15 ⋅ м к м (1)
где Ко=А+кЕ - поправочный коэффициент на физико-механические свойства контактной пары резец-деталь;
А - постоянная, равная 0,474, определенная из условий предварительной обработки (V=100 м/мин, S=0,1 мм/об и t=1 мм);
к - коэффициент, равный 0,11, определенный из условий предварительной обработки;
Е - термоЭДС, мВ;
S - подача, мм/об;
γ - передний угол резца;
r - радиус при вершине резца;
V - скорость резания, м/мин;
t - глубина резания, мм.
Впервые предложено для определения параметра шероховатости Ra при токарной обработке использовать не справочное значение поправочного коэффициента Ко, учитывающего среднестатистическое значение физико-механических свойств контактируемых пар резец-деталь, а оперативный сигнал термоЭДС, полученный в одинаковых условиях кратковременного пробного прохода резцом по стальной заготовке по всем сочетаниям контактных пар, среди группы углеродистых, конструкционных и низколегированных сталей при обработке их твердосплавным инструментом.
Использование в заявленном способе определения параметра шероховатости Ra термоЭДС пробного прохода контактной пары повышает точность его определения, т.к. удельная составляющая термоЭДС, входящая в общую формулу полного значения ЭДС пары зависит от физико-механических, химических и теплофизических свойств конкретной контактной пары. (см. книгу Г.И. Епифанова «Физика твердого тела», М: Высшая школа, 1977, стр.262-264).
В заявленном способе определения параметра шероховатости Ra коэффициент Ко определяется для каждой контактной пары уравнением Ко=А+кЕ, что исключает ошибки применения среднего справочного значения и обеспечивает повышение точности определения Ra.
Наличие указанных отличительных признаков обеспечивает повышение точности определения параметра Ra при работе токарных станков с ЧПУ и создает возможность производить это определение автоматизированным (программным) путем.
Способ осуществляется следующим образом. Перед началом обработки детали по разработанному технологическому процессу осуществляют кратковременный (4-5 с) пробный проход твердосплавными инструментами по выбранным сталям на строго одинаковых режимах резания (V=100 м/мин, S=0,1 мм/об, t=1 мм), измеряют и фиксируют величину термоЭДС в парах, а затем этими же инструментами производят обработку сталей на выбранных технологических режимах (V, S, t) и измеряют параметр шероховатости Ra. По его измеренным значениям обратным пересчетом определяют значения коэффициента Ко по формуле (2)
К о = R a r 0,36 ⋅ V 0,15 S 0,85 ( 90 + γ ) 0,65 . (2)
и строят зависимость Ко как функцию от величины термоЭДС пробного прохода Е, по которой определяют численное значение постоянной А и величину коэффициента к в уравнении прямой, связывающей зависимость Ко от термоЭДС пробного прохода, а величину параметра шероховатости Ra определяют с использованием измеренного значения термоЭДС по формуле (1)
R a = K o S 0,85 ( 90 + γ ) 0,65 r 0,36 ⋅ V 0,15 ⋅ м к м (1)
где Ко=А+кЕ - поправочный коэффициент на физико-механические свойства контактной пары резец-деталь;
А - постоянная, равная 0,474, определенная из условий предварительной обработки (V=100 м/мин, S=0,1 мм/об и t=1 мм);
к - коэффициент, равный 0,11, определенный из условий предварительной обработки;
Е - термоЭДС, мВ;
S - подача, мм/об;
γ - передний угол резца;
r - радиус при вершине резца;
V - скорость резания, м/мин;
t - глубина резания, мм.
Была проведена экспериментальная проверка предлагаемого способа по точности определения параметра шероховатости Ra и сравнения точности «определения по прототипу при токарной обработке марок сталей ст.45; СТ.40Х; ШХ15 твердосплавными инструментами марок Т15К6, Т5К10, ТТ7К12, ТН 20 на режимах получистовой и чистовой обработки на токарном станке с ЧПУ 16К20Ф3. Результаты экспериментальной проверки приведены в таблицах 1-7. Резание проводилось резцами, оснащенными пятигранными сменными неперетачиваемыми пластиками (СНП).
Условия обработки: диапазон изменения глубины резания 0,5-1 мм, диапазон изменения подач S=0.11-0,34 мм/об, диапазон изменения скорости резания V=80-180 м/мин, радиус закругления резца r 1,2 мм, передний угол γ минус 4 градуса, главный угол в плане φ=75 градусов, вспомогательный φ1=15 градусов.
| Таблица 1 | ||||||||
| Сталь 45-Т15К6 (Е=10,8 мВ) | ||||||||
| Скорость резания V, м\мин | подача S, мм/об | Глубина резан., t мм | Шероховатость Ra, мкм | Шероховатость Ra, мкм | ||||
| Прототип расчетная | Прототип измеренная | % относит ошибки | предлаг. способ расчет. | предлаг. способ измеренная | % относит. ошибки | |||
| 80 | 0,26 | 1 | 7,5 | 4,3 | 75 | 4,8 | 4,3 | 11 |
| 0.3 | 1 | 8,4 | 4,9 | 72 | 5,6 | 4,9 | 14 | |
| 0,34 | 1 | 9,3 | 5,8 | 60 | 6,0 | 5,8 | 4 | |
| 100 | 0,26 | 1 | 7,2 | 3,5 | 104 | 4,6 | 3,5 | 31 |
| 0.3 | 1 | 7,9 | 4,6 | 71 | 5,3 | 4,6 | 15 | |
| 0,34 | 1 | 8,7 | 5,7 | 42 | 5,8 | 5,7 | 2 | |
| 120 | 0,26 | 1 | 6,8 | 3,4 | 100 | 4,5 | 3,4 | 32 |
| 0.3 | 1 | 7,6 | 4,8 | 58 | 5,2 | 4,8 | 8 | |
| 0,34 | 1 | 8,4 | 4,7 | 78 | 5,6 | 4,7 | 19 | |
| 140 | 0,11 | 0,5 | 3,5 | 1,8 | 94 | 2,08 | 1,8 | 11 |
| 0,15 | 0,5 | 4,4 | 2,4 | 83 | 2,7 | 2,4 | 12 | |
| 0,21 | 0,5 | 5,7 | 2,7 | 110 | 3,5 | 2,7 | 29 | |
| 160 | 0,11 | 0,5 | 3,3 | 1,5 | 124 | 2,08 | 1,5 | 33 |
| 0,15 | 0,5 | 4,3 | 2,03 | 113 | 2,7 | 2,03 | 35 | |
| 0,21 | 0,5 | 5,5 | 2,3 | 139 | 3,5 | 2,3 | 34 | |
| 180 | 0,11 | 0,5 | 3,3 | 1,7 | 105 | 2,0 | 1,7 | 18 |
| 0,15 | 0,5 | 4,1 | 2,3 | 78 | 2,7 | 2,3 | 17 | |
| 0,21 | 0,5 | 5,3 | 3,3 | 60 | 2,6 | 3,3 | 21 |
| Таблица 2 | |||||
| Сталь 45 - ТТ7К12 (Е=9,5 мВ) | |||||
| Скорость резания V, м\мин | подача S, мм/об | глубина резания t, мм | Шероховатость Ra, мкм | ||
| Предлагаемый способ расчетная | Предлагаемый способ измеренная | % относительной ошибки | |||
| 0,26 | 1 | 4,1 | 3,8 | 8 | |
| 80 | 0.3 | 1 | 4.8 | 5,5 | 12 |
| 0,34 | 1 | 5,3 | 6,2 | 14 | |
| 0,26 | 1 | 4,2 | 4,0 | 5 | |
| 100 | 0.3 | 1 | 4,9 | 5,1 | 4 |
| 0,34 | 1 | 5,3 | 6,3 | 16 | |
| 0,26 | 1 | 4,1 | 4,5 | 9 | |
| 120 | 0.3 | 1 | 4,8 | 4,9 | 2 |
| 0,34 | 1 | 5,2 | 5,8 | 10 | |
| 0,11 | 0,5 | 1,9 | 2,1 | 10 | |
| 140 | 0,15 | 0,5 | 2,5 | 2,2 | 14 |
| 0,21 | 0,5 | 3,2 | 2,6 | 23 | |
| 0,11 | 0,5 | 1,9 | 1,9 | 0 | |
| 160 | 0,15 | 0,5 | 2,4 | 2,3 | 4 |
| 0,21 | 0,5 | 3,2 | 2,4 | 33 | |
| 0,11 | 0,5 | 1,8 | 1,8 | 0 | |
| 180 | 0,15 | 0,5 | 2,3 | 1,9 | 21 |
| 0,21 | 0,5 | 3,1 | 2,3 | 34 |
| Таблица 3 | |||||
| Сталь 45 - ТН20 (Е=5,9 мВ) | |||||
| Скорость резания V, м\мин | подача S, мм/об | глубина резания t, мм | Шероховатость Ra, мкм | ||
| Предлагаемый способ расчетная | Предлагаемый способ измеренная | % относительной ошибки | |||
| 0,26 | 1 | 3.2 | 4,3 | 25 | |
| 80 | 0.3 | 1 | 3,7 | 4,8 | 23 |
| 0,34 | 1 | 4,1 | 4,4 | 7 | |
| 0,26 | 1 | 3,1 | 3,7 | 16 | |
| 100 | 0.3 | 1 | 3,6 | 3,6 | 0 |
| 0,34 | 1 | 3,9 | 3,7 | 5 | |
| 0,26 | 1 | 3,0 | 3,2 | 6 | |
| 120 | 0.3 | 1 | 3,5 | 3,6 | 3 |
| 0,34 | 1 | 3,8 | 3,9 | 3 | |
| 0,11 | 0,5 | 1,2 | 1,7 | 29 | |
| 140 | 0,15 | 0,5 | 1,6 | 1,8 | 11 |
| 0,21 | 0,5 | 2,1 | 2,3 | 9 | |
| 0,11 | 0,5 | 1,24 | 2,0 | 37 | |
| 160 | 0,15 | 0,5 | 1,61 | 1,9 | 16 |
| 0,21 | 0,5 | 2,16 | 2,41 | 14 | |
| 0,11 | 0,5 | 1,22 | 0,9 | 33 | |
| 180 | 0,15 | 0,5 | 1,59 | 1,45 | 7 |
| 0,21 | 0,5 | 2,12 | 2,5 | 16 |
| Таблица 4 | |||||
| Сталь 40Х - ТН20 (Е=7,9 мВ) | |||||
| Скорость резания V, м\мин | подача S, мм/об | глубина резания t, мм | Шероховатость Ra, мкм | ||
| Предлагаемый способ расчетная | Предлагаемый способ измеренная | % относительной ошибки | |||
| 0,26 | 1 | 3,8 | 2,8 | 35 | |
| 80 | 0.3 | 1 | 4,5 | 3,5 | 32 |
| 0,34 | 1 | 4,9 | 3,7 | 32 | |
| 0,26 | 1 | 3,7 | 3,1 | 19 | |
| 100 | 0.3 | 1 | 4,3 | 5,5 | 21 |
| 0,34 | 1 | 4,7 | 4,1 | 14 | |
| 0,26 | 1 | 3,6 | 3,3 | 9 | |
| 120 | 0.3 | 1 | 4,2 | 3,7 | 13 |
| 0,34 | 1 | 4,5 | 4,3 | 5 | |
| 0,11 | 0,5 | 1,61 | 2,3 | 30 | |
| 140 | 0,15 | 0,5 | 2,14 | 1,9 | 22 |
| 0,21 | 0,5 | 2,8 | 2,2 | 27 | |
| 0,11 | 0,5 | 1,58 | 1,48 | 7 | |
| 160 | 0,15 | 0,5 | 2,1 | 1,9 | 22 |
| 0,21 | 0,5 | 2,7 | 2,0 | 35 | |
| 0,11 | 0,5 | 1,55 | 1,55 | 0 | |
| 180 | 0,15 | 0,5 | 2,0 | 1,6 | 25 |
| 0,21 | 0,5 | 2,6 | 2,0 | 30 |
| Таблица 5 | |||||
| Сталь 40Х - ТТ7К12 (Е=10,5 мВ) | |||||
| Скорость резания V, м\мин | подача S, мм/об | глубина резания t, мм | Шероховатость Ra, мкм | ||
| Предлагаемый способ расчетная | Предлагаемый способ измеренная | % относительной ошибки | |||
| 0,26 | 1 | 4,8 | 5,05 | 4 | |
| 80 | 0.3 | 1 | 5,4 | 5,7 | 5 |
| 0,34 | 1 | 5,9 | 5,6 | 5 | |
| 0,26 | 1 | 4,5 | 4,2 | 7 | |
| 100 | 0.3 | 1 | 5,2 | 5,2 | 0 |
| 0,34 | 1 | 5,7 | 6,5 | 12 | |
| 0,26 | 1 | 4,4 | 5,8 | 24 | |
| 120 | 0.3 | 1 | 5,1 | 6,5 | 9 |
| 0,34 | 1 | 5,5 | 6,2 | 11 | |
| 0,11 | 0,5 | 2,1 | 3,3 | 37 | |
| 140 | 0,15 | 0,5 | 2,7 | 3,6 | 22 |
| 0,21 | 0,5 | 3,6 | 3,7 | 3 | |
| 0,11 | 0,5 | 2,0 | 3,1 | 35 | |
| 160 | 0,15 | 0,5 | 2,7 | 4,0 | 32 |
| 0,21 | 0,5 | 3,5 | 3,8 | 8 | |
| 0,11 | 0,5 | 1,9 | 3,2 | 9 | |
| 180 | 0,15 | 0,5 | 2,6 | 4,1 | 36 |
| 0,21 | 0,5 | 3,4 | 4,3 | 21 |
| Таблица 6 | |||||
| Сталь 40Х - Т5К10 (Е=15,6 мВ) | |||||
| Скорость резания V, м\мин | подача S, мм/об | глубина резания t, мм | Шероховатость Ra, мкм | ||
| Предлагаемый способ расчетная | Предлагаемый способ измеренная | % относительной ошибки | |||
| 80 | 0,26 | 1 | 6,5 | 6,9 | 6 |
| 0.3 | 1 | 7,3 | 7,5 | 3 | |
| 0,34 | 1 | 8,2 | 8,1 | 1,3 | |
| 100 | 0,26 | 1 | 6,3 | 6,4 | 1,2 |
| 0.3 | 1 | 7,1 | 7,2 | 1,3 | |
| 0,34 | 1 | 7,9 | 8,3 | 5 | |
| 120 | 0,26 | 1 | 6,1 | 6,5 | 6,5 |
| 0.3 | 1 | 6,9 | 6,9 | 0 | |
| 0,34 | 1 | 7,9 | 8,0 | 1,2 | |
| 140 | 0,11 | 0,5 | 3,0 | 2,4 | 25 |
| 0,15 | 0,5 | 3,1 | 2,5 | 24 | |
| 0,21 | 0,5 | 4,1 | 3,2 | 28 | |
| 160 | 0,11 | 0,5 | 2,3 | 1,9 | 21 |
| 0,15 | 0,5 | 3,0 | 2,5 | 16 | |
| 0,21 | 0,5 | 4,0 | 3,4 | 18 | |
| 180 | 0,11 | 0,5 | 2,2 | 2.1 | 5 |
| 0,15 | 0,5 | 2,9 | 2,3 | 26 | |
| 0,21 | 0,5 | 3,7 | 2,9 | 27 |
| Таблица 7 | |||||
| Сталь ШХ15 - Т15К6 (Е=10,7 мВ) | |||||
| Скорость резания V, м\мин | подача S, мм/об | глубина резания t, мм | Шероховатость Ra, мкм | ||
| Предлагаемый способ расчетная | Предлагаемый способ измеренная | % относительной ошибки | |||
| 0,26 | 1 | 4,7 | 5,1 | 8 | |
| 80 | 0.3 | 1 | 5,5 | 5,3 | 4 |
| 0,34 | 1 | 6,0 | 5,4 | 11 | |
| 0,26 | 1 | 4,7 | 4,5 | 5 | |
| 100 | 0.3 | 1 | 5,4 | 5,4 | 0 |
| 0,34 | 1 | 6,0 | 6,0 | 0 | |
| 0,26 | 1 | 4,5 | 4,9 | 8 | |
| 120 | 0.3 | 1 | 5,2 | 4,5 | 15 |
| 0,34 | 1 | 5,6 | 5,2 | 8 | |
| 0,11 | 0,5 | 2,1 | 3,0 | 30 | |
| 140 | 0,15 | 0,5 | 2,8 | 2,4 | 16 |
| 0,21 | 0,5 | 3,7 | 3,5 | 6 | |
| 0,11 | 0,5 | 2,0 | 2,8 | 28 | |
| 160 | 0,15 | 0,5 | 2,7 | 3,0 | 10 |
| 0,21 | 0,5 | 3,6 | 2,9 | 24 | |
| 0,11 | 0,5 | 2,0 | 1,8 | 11 | |
| 180 | 0,15 | 0,5 | 2,7 | 2,6 | 4 |
| 0,21 | 0,5 | 3,6 | 3,7 | 3 |
В таблице 1 представлены результаты расчета параметра шероховатости Ra при обработке стали 45 резцом Т15К6, из которой видно, что максимальная относительная погрешность определения параметра Ra по прототипу достигает 58-139%. Ошибка имеет отрицательный знак и не приводит к браку обработки (фактическое значение шероховатости меньше расчетного), но при этом не используется резерв увеличения подачи (производительности обработки). По предлагаемому способу погрешность определения лежит в пределах 2-35% и позволяет использовать резерв повышения производительности. В таблицах (2-7) приведены расчетные и измеренные значения параметра Ra при обработке сталей 45, 40Х и ШХ15 различными марками твердосплавных инструментов. Экперименты проводились с целью расширения диапазона применяемости предлагаемого способа по классу обрабатываемых сталей и учета влияния теплофизических свойств твердосплавного инструмента.
Результаты экспериментов показали, что предлагаемый способ определения Ra учитывает изменения физико-механических свойств контактной пары при смене марки твердосплавного инструмента или марки обрабатываемой стали или при одновременной смене того и другого одновременно. Максимальная относительная погрешность между расчетным значением Ra по предлагаемому способу и измеренным при обработке углеродистых, конструкционных и низколегированных сталей составляет 35%.
Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет повысить точность определения параметра шероховатости Ra при токарной обработке и расширяет диапазон его использования по классу обрабатываемых сталей.
Данный способ не регламентирует номенклатуры марок применяемого твердосплавного инструмента и создает возможность определения на токарных станках с ЧПУ параметра шероховатости Ra автоматизированным (программным) путем, используя формулу (1) как основу для построения алгоритма автоматизированного определения.
Способ определения величины параметра шероховатости Ra на токарном станке с ЧПУ при получистовой и чистовой обработке стали твердосплавным инструментом с измерением термоэлектродвижущей силы, отличающийся тем, что предварительно осуществляют кратковременный пробный проход резцом по детали, измеряют термоЭДС, по которой определяют поправочный коэффициент Ко на физико-механические свойства контактируемой пары резец-деталь, а величину параметра шероховатости Ra определяют с использованием измеренного значения термоЭДС по формуле R a = K o S 0,85 ( 90 + y ) 0,65 r 0,36 ⋅ V 0,15 ⋅ м к м , где Ко=А+к·Е - поправочный коэффициент на физико-механические свойства контактной пары резец-деталь;А - постоянная, равная 0,474, определенная из условий предварительной обработки при V=100 м/мин и S=0,l мм/об;к - коэффициент, равный 0,11, определенный из условий предварительной обработки;Е - термоЭДС, мВ;S - подача, мм/об;γ - передний угол резца;r - радиус при вершине резца;V - скорость резания, м/мин;t - глубина резания, мм.