Бесплатная публикация статей в журналах ВАК и РИНЦ

Уважаемые авторы, образовательный интернет-портал «INFOBRAZ.RU» в рамках Всероссийской Образовательной Программы проводит прием статей для публикации в журналах из перечня ВАК РФ по направлениям: экономика, философия, политология, педагогика, филология, биология, сельское хозяйство, агроинженерия, транспорт, строительство и архитектура и др.

Возможна бесплатная публикация статей в специализированных журналах по многим отраслям и специальностям. В мультидисциплинарных журналах возможна публикация по всем другим направлениям. 

Журналы реферируются ВИНИТИ РАН. Статьям присваивается индекс DOI. Журналы включены в международную базу Ulrich's Periodicals Directory и РИНЦ.

Подпишитесь на уведомления о доступности опубликования статьи. Первую рекомендацию вы получите в течении 10 минут - ПОДПИСАТЬСЯ

РАЗРАБОТКА CТОЙКОСТНОЙ МОДЕЛИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОТКАЗНОСТИ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СПИРАЛЬНЫХ СВЕРЛ ДЛЯ ТИПА ПРОИЗВОДСТВА

Аннотация. Более 60% деталей машин, механизмов и приборов имеют отверстия, в основном обрабатываемые быстрорежущими спиральными сверлами. Спиральные сверла являются единственным инструментом для получения отверстий в сплошном материале резанием. Безотказность сверл повышает стабильность производства и гарантирует отсутствие бракованных изделий от их поломки. Поэтому обеспечение безотказности быстрорежущих спиральных сверл при условии их максимальной стойкости достаточно актуальная проблема. В статье на основании большого объема экспериментальных исследований показана возможность выбора параметров режима резания, обеспечивающих максимальную стойкость сверл и способа их эксплуатации, обеспечивающего полное удаление дефектов износа при заточке. Разработана стойкостная модель, учитывающая тип производства и условия эксплуатации сверл, выходным параметром которой является их максимальная стойкость с необходимой вероятностью безотказной работы. Предложенная стойкостная модель может быть рекомендована для всех типов производства, где применяются быстрорежущие спиральные сверла.

Ключевые слова: сверло, стойкость, износ, скорость резания, подача, диаметр, твердость.

Более 60% деталей машин и механизмов имеют отверстия, около 20% станков машиностроительной промышленности являются сверлильными, без учета обработки сверлением на станках других типов. Сверление, единственный способ получения отверстий резанием в сплошном материале, поэтому сверла являются одним из наиболее часто применяемых режущих инструментов.

Отказ сверла в виде поломки, приводит к остановке оборудования и, как правило, к браку изделия. Существующие стойкостные модели получены методом однофакторного эксперимента, стойкость в них представлена в детерминированной форме и не учитывает случайный характер процессов изнашивания. Справочником технолога-машиностроителя [1] предложена зависимость для расчета допустимых скоростей резания при сверлении, имеющая вид:

, (1)

где V – скорость резания, d – диаметр сверла, S – подача на оборот сверла, Т – период стойкости. Статистический анализ параметров режима резания автоматизированного производства показал, что в основном используется диапазон скоростей резания 9–16 м/мин [2]. Рассчитанный по зависимости (1) период стойкости для сверл диаметром 11 мм на скорости резания 15 м/мин составил 7,68 ч. Это значение периода стойкости сравнимо со средними стойкостями, представленными в ра­боте [3] по результатам производственных испытаний. У сверл диаметром 11,5 мм средняя стойкость равна 8,73 ч. Период стойкости близкий к средней стойкости сверл работавших в аналогичных производственных условиях указывает на то, что половина сверл выйдет из строя по его окончании. Вместе с тем зависимость (1) не учитывает твердость обрабатываемого материала, которая существенно влияет на среднюю стойкость [3]. Поэтому обеспечение безотказной работы быстрорежущих спиральных сверл достаточно актуальная проблема.

Целью работы является разработка и научное обоснование стойкостной модели обеспечения безотказности спиральных сверл, учитывающей условия эксплуатации и случайный характер процесов изнашивания.

В работах [4–7] проведен анализ условий эксплуатации и восстановления быстрорежущих спиральных сверл, на основании которого и в соответствии с целью исследований поставлены задачи исследований:

  • выбор параметров режима резания максимальной стойкости быстрорежущих спиральных сверл;
  • обеспечение полного удаления дефектов износа при заточке;
  • разработка стойкостной модели для определения максимальной стойкости быстрорежущих спиральных сверл с учетом условий эксплуатации, типа производства и случайного характера процессов изнашивания.

    Методы исследований

    Задачи исследования решались испытаниями быстрорежущих спиральных сверл в лабораторных и производственных условиях.

    Испытывались спиральные сверла диаметром по ГОСТ 10903-77 из стали Р6М5 при обработке заготовок из углеродистых конструкционных сталей. Испытания сверл проводились до функционального отказа – полной потери режущих свойств в результате износа конструктивных элементов, участвующих в формировании отверстия. В производственных условиях испытывались партии сверл различных диаметров, по 25 шт. каждого диаметра.

    Определение параметров режима резания максимальной стойкости быстрорежущих спиральных сверл для типа производства

    Параметры режима резания при сверлении, в отличие от других видов обработки, включают скорость резания и подачу. Глубина резания равна половине диаметра сверла.

    Известно, что тип производства определяется годовым объемом выпуска изделий. С уменьшением объема выпуска, переходом от массового к крупносерийному, серийному и единичному производству, производительность оборудования растет, что обусловлено увеличением номенклатуры изделий и переходом от автоматизированного оборудования к универсальному. Увеличение производительности оборудования возможно только за счет увеличения скоростей резания. В работе [8] приведен график стойкостной зависимости, имеющий горбообразный вид, и показано, что тип производства меняется с изменением скорости резания правой ветви графика. В этом случае для обеспечения максимальной стойкости спиральных сверл необходимо решить задачу определения минимальной скорости резания при известном объеме выпуска ­изделий.

    Решение задачи представлено в работе [9]. Исходя из годового объема выпуска изделий N, рассчитывается количество изделий, изготавливаемых за одну смену Nсм = Nсм, где Чсм – число рабочих смен в году.

    ,

    где С – число смен в сутки, Ф – число рабочих дней в году.

    ,

    где 365 – число дней в году, В – число выходных дней, П – число праздничных дней.

    По количеству изделий, изготавливаемых за одну смену, рассчитывается суммарная глубина отверстий, просверленных одним сверлом за одну смену:

    ,

    где lо – глубина сверления.

    Суммарное время на сверление этих отверстий ΣТсв рассчитывается следующим образом:

    ,

    где Тсм – продолжительность одной смены, в часах без обеденного перерыва, Σtпр – суммарное время на подачу заготовок в позицию обработки, Σtпо – суммарное время на подвод, перебег и отвод инструмента, КР – коэффициент (КР < 1), учитывающий простой оборудования в течение рабочей смены в связи с текущим ремонтом и техническим обслуживанием, для автоматических линий, агрегатных станков и станков автоматов КР = 0,9.

    Для управляющей программы при обработке деталей на станках с ЧПУ ΣТсв рассчитывается следующим образом:

    ,

    где Σtшт – суммарное штучное время на выполнение всех переходов обработки заготовок, кроме сверлени, КР = 0,97 – для станков с ЧПУ.

    После расчета суммарного времени сверления отверстий определяется частота вращения шпинделя станка из равенства

    ,

    где S – подача на оборот сверла, n – частота вращения шпинделя станка, тогда

    . (2)

    При наличии частоты вращения шпинделя можно вычислить скорость резания по известной формуле

    , (3)

    где d – диаметр сверла.

    Поставив (2) в (3), получим зависимость для расчета минимальной скорости резания при известном годовом объеме выпуска изделий

    , (4)

    В работе [10] рассмотрен способ выбора рациональной подачи, обеспечивающей максимальную стойкость инструмента, и предложена зависимость для ее расчета

    , (5)

    где С = 0,04 для сверл диаметром 8–10 мм и С = 0,035 для сверл диаметром больше 10 мм.

    Для сталей 240-300 HB рассчитанные по формуле (5) подачи следует умножать на коэффициент 0,8, для сталей > 300 HB подачи следует умножать на коэффициент 0,6.

    Полное устранение дефектов износа при заточке сверл

    В работе [11] представлена зависимость среднего износа ленточек при отказе сверл от их диаметров (рис. 1), полученная при проведе­нии производственных испытаний сверл.

    Математическое выражение которой имеет вид:

    . (6)

    В работе [12], на основании анализа лабораторных исследований износа сверл диаметром 10,2 мм, приведены величины износа их задних поверхностей и ленточек до функционального отказа. Графики зависимостей этих параметров от скорости резания показаны на рисунке 2.

    На рисунке 2 видно, что обе зависимости имеют горбообразный вид с точкой максимума. При этом их точки максимума не совпадают, скорость максимума зависимости износа ленточек КЛО от скорости резания более низкая и соответствует 12 м/мин.,
    что подтверждает превалирующее влияние износа ленточек при эксплуатации сверл в диапазоне низких скоростей резания (до 12 м/мин) [13].

    В диапазоне высоких скоростей резания (21 м/мин и выше) износ задних поверхностей hЗО до функционального отказа сверл не зависит от скорости резания, что не противоречит существующим нормативам [14], согласно которым критерий износа сверл зависит только от их диаметра, и не зависит от прочих условий обработки. Практический интерес представляет правая ниспадающая ветвь графика (рис. 2) зависимости износа ленточек до функционального отказа сверл от скорости резания.

    Посредством аппроксимации кроивой износа ленточек (рис. 2) получены зависимости

    , (7)

    . (8)

    Зависимость (7) описывает кривую графика 2, (рис. 2) в диапазоне скоростей резания 12–16 м/мин., (8) – 16–30 м/мин.

    Используя формулы (7) и (8) и (6), получим зависимости

    , (9)

    . (10)

    По зависимости (9) рассчитывается средний износ ленточек до функционального отказа сверл в диапазоне скоротсей резания 12–16 м/мин., по (10) – в диапазоне скоротсей резания 16–30 м/мин.

    В таблице 1 приведены результаты расчета среднего износа ленточек до функционального отказа сверл по зависимости (9) и погрешности рассчетов.

    Таблица 1 – Фактические и расчетные по формуле (9) средние величины износа ленточек при отказе сверл и погрешности рассчетов

    Диаметр сверла dмм

    9,8

    10,5

    11,5

    12,0

    13,8

    17,5

    21,0

    35,0

    Vм/мин

    13,8

    12,6

    12,6

    12,0

    12,6

    13,8

    13,2

    11,4

    Износ факт., мм

    14,4

    9,7

    10,1

    9,4

    10,5

    18,9

    21,0

    36,0

    Износ расч., мм

    20,28

    11,64

    11,07

    9,4

    9,58

    14,9

    13,2

    11,78

    Погрешность ­расчетов, %

    37,2

    5,83

    9,82

    26,2

    24

    14,58

    3,56

    7,69

    Средняя погрешность расчетов составила 16,11%.

    В работе [11] на основании анализа производственных испытаний сверл показано, что распределения наработки и износа партий сверл всех испытанных диаметров не противоречат нормальному распределению и позволяют принять для их описания закон Гаусса. Коэффициенты вариации распределений наработки и износа всех испытанных партий сверл не превышают значения ϑ = 0,33, что характерно для закона нормального распределения случайной величины. В этом случае максимальный износ ленточек с вероятностью безотказной работы γ = 0,95 можно рассчитать по формуле:

    ,

    тогда зависимости (9) и (10) при­мут вид:

    , (11)

    . (12)

    Зависимость (11) предназначена для расчета износа ленточек с вероятностью безотказной работы γ = 0,95 в диапазоне скоростей резания 12–16 м/мин, а зависимость (12) – для диапазона скоростей резания 16–30 м/мин.

    Разработка стойкостной
    модели

    На рисунке 3 представлена зависимость стойкости от скорости резания, полученная в результате лабораторных испытаний быстрорежущих спиральнных сверл диаметром 10,2 мм [15].

    Аппроксимацией участка максимума (вершины горба) кривой графика зависимости (рис. 3) получено ее математическое выражение (13) [15].

    . (13)

    Зависимость средней стойкости от диаметра, полученная в результате производственных испытаний спиральных сверл диаметрами от 10 до 35 мм [16] представлена на рисунке 4.

    Матемитическое выражение зависимости, представленной на рисунке 4 имеет вид:

    . (14)

    Для определения степени влияния твердости обрабатываемых заготовок на среднюю стойкость сверл использовались результаты производственных испытаний, представленные работе [3].

    На примере сверл близких диаметров 9,8 и 10,5 мм, которыми обрабатывались заготовки различной твердости 200 НВ и 300 НВ соответственно, получена зависимость, имеющая вид:

    . (15)

    Для определения степени влияния подачи на стойкость сверл использовалась зависимость, представленная в работе [17] (рис. 5).

    Посредством ­аппроксимации кривой, представленной на рисун­ке 5, в диапазоне подач от 0,18 до 
    0,3 мм/об получена следующая зависимость:

    . (16)

    Используя зависимости (13–16) построена общая стойкостная зависимость (18), учитывающая влияние скорости резания, диаметра, твердости заготовок и подачи:

    . (17)

    Зависимость (17) предназначена для рассчета стойкости сверл на скоростях максимума стойкости, которые широко используются в автоматизированном массовом производстве [2].

    В таблице 2 представлены фактические и расчетные по зависимости (17) значения стойкости и погрешность расчетов.

    Как видно из представленной таблицы 2 погрешность рассчетов не превышает 0,6%, что указывает на высокую степень аппроксимации.

    Зависимость (17) получена однофакторным экспериментом при проведении которого было максимально исключено влияние случайных факторов процесса обработки [15]. Поэтому значения стойкостей, рассчитанных по зависимости (17) являются максимальными по отношению к распределению стойкостей сверл в производственных условиях эксплуатации, что подтвеждено сравнением с результатми производственных испытаний [15].

    В работе [3] приведены коэффициенты вариации распределений восьми партий сверл разного диаметра. Средний коэффициент вариации равен  = 0,23. Тогда среднюю стойкость, при наличии максимальной, можно определить по формуле:

    . (18)

    Используя формулу (18) получим зависимость (19) для рассчета средней стойкости быстрорежущих спиральных сверл.

    . (19)

    В таблице 3 представлены условия эксплуатации быстрорежущих спиральных сверл в производствеых условиях [3] и сравнительный анализ фактической средней стойкости и расчетной по зависимости (19).

    Таблица 3 – Условия эксплуатации спиральных сверл и сравнительный анализ фактических и рассченых стойкостей

    Диаметр сверла dмм

    9,8

    10,5

    11,5

    12,0

    13,8

    17,5

    21,0

    35,0

    Скорость Vм/мин

    13,8

    12,6

    12,6

    12,0

    12,6

    13,8

    13,2

    11,4

    Подача Sмм/об.

    0,22

    0,14

    0,18

    0,14

    0,22

    0,2

    0,23

    0,23

    Твердость деталей НВ

    200

    300

    200

    180

    200

    190

    300

    300

    Средняя стойкость , ч

    8,0

    2,2

    8,7

    8,56

    10,2

    13,3

    2

    2,4

    , по зависимости (19)

    7,513

    2,15

    8,87

    14,5

    8,81

    11,43

    2,32

    2,7

    Погрешность ­рассчетов, %

    6,1

    2,27

    1,95

    41,0

    13,6

    14,0

    16,0

    12,5

    Средняя погрешность рассчетов составила 13,4%, что вполне приемлемо для результатов производственных испытаний.

    Однако, как было отмечено выше, спиральные сверла находят широкое применение для всех типов производства, которые характеризуются объемом выпуска изделий и увеличением скорости резания с уменьшением объема выпуска. В связи с чем, возникает необходимость разработки стойкостной модели спиральных сверл для широкого диапазона скоростей резания.

    В работе [15] приведены зависимости стойкости от скорости резания, полученные в лабораторных условиях. Первая получена аппроксимацией верхней части правой ветви графика стойкостной зависимости (рис. 3) на скоростях резания 16–21 м/мин, выше точки перегиба, вторая – на скоростях резания 21–30 м/мин, ниже точки перегиба.

    , (20)

    . (21)

    Используя зависимости (18–21) получим зависимотси (22) и (23) для расчета средней стойкости на скоростиях резания 16–21 м/мин и 21–30 м/мин соответственно.

    , (22)

    . (23)

    Используя зависимости (19) и (22) получим зависимость (24) для расчета средней стойкости спиральных сверл на скоростях резания 16–21 м/мин, имеющую вид:

    . (24)

    Справочник технолога-машиностроителя [1] рекомендует зависимость (1) для расчета допустимых скоростей резания при сверлении, имеющую вид:

    .

    Эта зависимость получена на интенсивных скоростях резания, больших точки перегиба графика зависимости стойкости от скорости резания [18]. Рассчитанная по ней скорость резания при заданных подаче и периоде стойкости для любого диаметра сверла равна 24 м/мин. Зависимость (1) разработана комиссией по резанию металлов, в которую входили все ведущие специалисты в этой области, испытания проводились с высокой тщательностью и по единой методике, поэтому представляется целесообразным в зависимости средней стойкости на скоростях резания 21–30 м/мин использовать показатель степени при подаче 0,5.

    Используя зависимости (19) и (23) и показатель степени при подаче 0,5 получим зависимость (25) для расчета средней стойкости спиральных сверл на скоростях резания 21–30 м/мин, имеющую вид:

    . (25)

    Справочником технолога-маши­ностроителя [1] рекомендуются периоды стойкости спиральных сверл для различных диаметров. Для сверл диаметрами от 10 до 35 мм рекомендуемые периоды стойкости соответствуют минимальным стойкостям, рассчитанным по зависимости (25) с применением зависимости (26).

    , (26)

    где  – средняя стойкость, рассчитанная по зависимости (25).

    Стойкостная модель состоит из зависимостей (19), (24), (25) и работает следующим образом. Для определенного типа производства, исходя из необходимой производительности оборудования, по зависимости (4) рассчитывается минимальная скорость резания. Если расчетное значение скорости резания меньше 12,77 м/мин [15], принимается это значение скорости резания. Подача рассчитывается по зависимости (5).

    Величина износа ленточек, которую необходимо удалить при заточке для полного устранения дефектов износа сверл, расчитывается по зависимостям (11, 12).

    Величина минимальной скорости резания определяет выбор зависимости (19, 24, 25) для расчета средней стойкости. Далее используя зависимость (26) и средний коэффициент вариации стойкости равный 0,23 [3] определяется стойкость с необходимой вероятностью безотказной работы γ.

    Для γ = 100%:

    ,

    для γ = 95%

    ,

    и т. д.

    Таким образом, входными параметрами модели являются скорость резания, расчитанная с учетом необходимой производительности оборудования, диаметр сверла, подача и твердость обрабатываемых заготовок, а выходными параметрами – стойкость сверл с необходимой вероятностью безотказной работы.

    Выводы

    Разработана зависимость для расчета скоростей резания, обеспечивающих максимальную стойкость быстрорежущих спиральных сверл при требуемой программе выпуска изделий.

    Разработаны зависимости расчета величин износа ленточек быстрорежущих спиральных сверл, обеспечивающих полное удаление дефектов износа при заточке.

    Разработана стойкостная модель для расчета стойкости быстрорежущих спиральных сверл с необходимой вероятностью безотказной работы, учитывающая тип производства и условия эксплуатации.

    Стойкостная модель рекомендуется к применению для всех типов производства при обработке изделий сверлением.

    ЛИТЕРАТУРА

    1. Справочник технолога-машиностроителя / под ред. А. М. Дальского, А. Г. Суслова, А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. – Т. 2. – 5-е изд., перераб. и доп. – М. : Маши­ностроение, 2001. – С. 176–279.
    2. Древаль А. Е., Рагрин Н. А., Самсонов В. А. Формирование отказов спиральных сверл в условиях автоматизированного производства [Электронный ресурс] // Электронное научно-техническое издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. – 2011. – № 10. – Режим доступа: http://www.technomag.edu.ru/index.html.
    3. Рагрин Н. А. Применение теории корреляции для получения зависимостей наработки от условий обработки сверлением // Машиностроение и инженерное образование. – 2013. – № 3(36). – С. 21–29.
    4. Рагрин Н. А. Разработка критериальных зависимостей быстрорежущих спиральных сверл // Научная мысль. – 2016. – № 1. – C. 39–50.
    5. Рагрин Н. А. Способы определения скорости резания экстремума стойкостной зависимости // Научная дискуссия: вопросы технических наук : мат.VIII Междунар. заочн. науч.-практ. конференции (4 апреля 2013 г.). – М. : Международный центр науки и образования, 2013. – С. 74–78.
    6. Рагрин Н. А. Пути повышения наработки до функционального отказа быстрорежущих спиральных сверл на основе анализа кривых износа их режущих элементов // Известия КГТУ им. И. Раззакова. – 2012. – № 26. – С. 14–17.
    7. Рагрин Н. А. Повышение работоспособности быстрорежущих спиральных сверл // Машиностроитель. – 2011. – № 7. – С. 37–39.
    8. Муслимов А. П., Рагрин Н. А. Методы аппроксимации зависимости стойкости от скорости резания при сверлении [Электронный ресурс] // Интернет-журнал ВАК Кыргызской Республики. – 2013. – № 2. – Режим доступа: http://www.nakkr.kg/jurnalVAK.
    9. Муслимов А. П., Рагрин Н. А., Стародубов И. И. Расчет стойкости быстрорежущих спиральных сверл // Известия КГТУ им. И. Раззакова. – 2013. – № 30. – С. 13–16.
    10. Рагрин Н. А. Оптимальные подачи спиральных сверл в условиях автоматизированного производства // Техника и технология: новые перспективы развития : мат. VI Междунар. науч.-практ. конференции. – М. : Спутник +, 2012. – С. 81–84.
    11. Рагрин Н. А. Обеспечение безотказности быстрорежущих спиральных сверл в условиях автоматизированного производства // Машиностроитель. – 2012. – № 7. – С. 37–39.
    12. Рагрин Н. А. Исследование экстремума стойкостной зависимости при сверлении отверстий быстрорежущими спиральными сверлами : монография. –Бишкек : Текник ; КГТУ им. И Раззакова, 2013. – 90 с.
    13. Рагрин Н. А. Физическая модель стойкостной ­зависимости при сверлении // Технология Ма­шиностроения. – 2012. – № 11. – С. 11–17.
    14. Общемашиностроительные нормативы по износу, стойкости и расходу спиральных сверл. – М. : НИИМАШ, 1980. – 40 с.
    15. Рагрин Н. А. Математическая модель стойкостной зависимости при сверлении // Технология Машиностроения. – 2014. – № 1. – С. 49–54.
    16. Муслимов А. П., Рагрин Н. А., Самсонов В. А. Зависимость наработки спиральных сверл от диаметра при рациональных параметрах режима резания // Вестник КРСУ им. И. Раззакова. – 2014. – Т. 14. – № 2. – С. 137–139.
    17. Рагрин Н. А., Самсонов В. А. Особенности влияния подачи на стойкость и наработку спиральных сверл // Техника машиностроения. – 2013. – № 4(88). – C. 18–19.
    18. Грановский Г. И., Грановский В. Г. Резание металлов. – М. : Высшая школа, 1985. – С. 143–144.

Метки: Естественные и технические науки