Инжиниринг

Прогнозируем стойкость инструмента

От времени, предшествующего промышленной революции, до сегодняшнего дня производители преследуют общие цели: производство определенного количества деталей в определенный срок с определенной стоимостью.
1 января 2019

Более ста лет ученые и инженеры разрабатывали и создавали математические модели, которые учитывают воздействующие на инструмент силы, с целью определения расчётной стойкости инструмента. Многие из этих моделей ориентированы на производительность конкретного инструмента при обработке определенных материалов. В этом случае простые формулы и регулярные испытания позволяют делать относительно точные прогнозы износа инструмента. Однако общие модели, которые можно применять для широкого спектра материалов и инструментов, более полезны для использования в промышленности. Поскольку такие модели учитывают множество факторов, влияющих на износ инструмента, их математическая сложность увеличивается пропорционально количеству принимаемых во внимание условий.
Если простые уравнения для расчета стойкости инструмента можно решить с помощью ручки и калькулятора, то для оперативного решения уравнений сложных математических моделей в производственных условиях необходим компьютерный анализ. Цифровые расчеты очень надежны, но технологи должны критически относиться к результатам, особенно при обработке современных материалов и при использовании максимальных параметров обработки. В целом современные методы разработки моделей расчета стойкости инструмента теснее соединяют теорию с практикой.

Модель Арчарда

Моделирование процессов износа не ограничивается металлообработкой. В 1950-х годах британский инженер Джон Ф. Арчард разработал эмпирическую модель расчета скорости абразивного износа поверхностей трения, основанную на шероховатости поверхностей. Он вывел следующее уравнение:

В этом уравнении Q представляет собой скорость износа, K — постоянный коэффициент износа, W — общую нормальную нагрузку, L — путь трения поверхностей, а H — твердость более мягкой из двух поверхностей. Эта модель утверждает, что объем материала, удаленного в результате абразивного износа, пропорционален силам трения. Однако модель Арчарда не описывает износ инструмента, а скорее прогнозирует темпы износа с течением времени. Модель учитывает общее влияние следующих факторов: скорости взаимодействия поверхностей, механической нагрузки, прочности поверхности, свойств материала и коэффициента износа. При этом модель Арчарда не предназначалась для учета высоких скоростей, характерных для металлообработки и не учитывала влияние температуры на процессы износа. Как прочность поверхности, так и коэффициент износа меняются при воздействии температур около 900ОC, возникающих при металлообработке. Следовательно, модель Арчарда сама по себе недостаточно полно описывает стойкость инструментов, используемых в металлообработке.

Модель Тейлора

В начале 1900-х годов американский инженер Ф.В. Тейлор разработал модель для расчета срока службы инструментов, которая учитывает факторы, характерные для металлообработки. Тейлор отметил, что увеличение
глубины резания оказывает минимальное влияние на срок службы инструмента, увеличение подачи влияет чуть больше, а наиболее важным фактором является высокая скорость резания. На рисунке 1 показано увеличение износа инструмента в результате повышения скорости резания (синяя линия VC ), скорости подачи (серая линия f ) и глу-ины резания (черная линия ap ).

Рис. 1. Нормальный износ инструмента — модель Тейлора


Эта информация помогла Тейлору создать модель, основанную на влиянии различных скоростей резания. Базовая модель Тейлора описывается следующим уравнением:

где VC — скорость резания, T — стойкость инструмента, а m и CT — постоянные величины (CT представляет собой скорость резания, при которой стойкость инструмента составляла бы одну минуту). Тейлор также установил, что скорость изнашивания инструмента обычно увеличивается в начале эксплуатации, стабилизируется на срок службы и, наконец, значительно возрастает на третьем и последнем этапе вплоть до окончания срока службы инструмента. Его модель представляет период между вторым и третьим этапами.

Рис. 2. Абразивный износ

Соответственно, модель Тейлора неприменима при низких скоростях резания, когда материал заготовки налипает на режущую кромку и скапливается на ней, что влияет на качество обработки и повреждает инструмент. Также модель не описывает достаточно высокие скорости резания, которые могут спровоцировать химический износ. Как при низкой, так и при высокой скорости резания износ непредсказуем – износ в результате адгезии или химического воздействия может развиваться и быстро, и медленно. Модель Тейлора основана на втором этапе срока службы инструмента, а для него характерен стабильный и предсказуемый абразивный износ.

Оригинальная модель Тейлора исходит из приоритета влияния скорости резания и применима, если глубина резания и скорость подачи не меняются. После определения глубины резания и скорости подачи можно подбирать скорость в зависимости от требуемой стойкости.

Рис. 3. Нормальный износ инструмента — модель Тейлора

 

Дальнейшие эксперименты привели к созданию расширенного уравнения Тейлора для определения стойкости инструмента, которое учитывало большее количество переменных и, соответственно, было более сложным:

Здесь T – стойкость инструмента в минутах, VC — скорость резания, h — толщина стружки и b — ширина стружки. Это уравнение учитывает переменное значение переднего угла инструмента, а также постоянные значения для различных материалов. Несмотря на дополнительные факторы, эта модель обеспечивает наибольшую точность при изменении только одного условия резания за один раз. Одновременное изменение нескольких условий может привести к противоречивым результатам. Кроме того, модель Тейлора полностью не учитывает геометрическое положение режущего инструмента относительно заготовки. Режущая кромка может вступать в контакт с заготовкой под прямым углом (перпендикулярно направлению подачи) или под наклоном (передний угол относительно направления подачи). При этом режущая кромка считается «свободной», если вершина инструмента участвует в процессе резания, и «несвободной», если вершина инструмента вступает в контакт с заготовкой. Свободное прямоугольное и косоугольное резание редко используется в современной металлообработке, поэтому необходимость учета данного фактора ограничена. Расширенное уравнение Тейлора добавляет переменную для переднего угла режущей кромки, но не учитывает контакт вершины инструмента с заготовкой.

Рис. 4. Процесс резания металла — базовый принцип

Модель Тейлора имеет свои недостатки, если оценивать ее с точки зрения технологий и сложности современной металлообработки. Однако в течение длительного времени модель Тейлора являлась превосходной основой для прогнозирования срока службы инструмента и сейчас в определенных условиях предоставляет надежные данные.

Роль толщины стружки

По мере того, как инженеры раз-рабатывали и изучали модели оценки стойкости инструмента, становилось понятно, что толщина стружки тесно связана со стойкостью. Толщина стружки представляет собой функцию глубины резания и подачи, измеряемую перпендикулярно режущей кромке и в плоскости, перпендикулярной направлению резания. Если угол в плане составляет 90о (заходной угол 0о в США), глубина резания и ширина стружки остаются неизменны, как и подача с толщиной стружки. Длина контакта инструмента с заготовкой представляет собой еще одну переменную для определения толщины стружки. Способ учёта влияния радиуса вершины инструмента был разработан шведским инженером Рагнаром Воксеном в начале 1960-х годов. Он предложил формулу для эквивалентной толщины стружки при токарной обработке, позволяющую рассчитывать теоретическую толщину стружки с учетом радиуса закругления инструмента. Результат позволяет мысленно выпрямить радиус вершины инструмента и определить область стружкообразования в виде прямоугольной зоны. Благодаря такому описанию модель отражает степень контакта закругленной вершины инструмента.

Рис. 5. Эквивалентная толщина стружки — модель Воксена

Модель Колдинга

Модель расчета стойкости инструмента, разработанная шведским профессором Бертилем Колдингом в конце 1950-х годов, описывает зависимость стойкости инструмента от скорости резания и эквивалентной толщины стружки, учитывая также дополнительные факторы процесса резания. В числе этих факторов – материал и геометрия инструмента, температура и обрабатываемость заготовки. Эта модель и соответствующее сложное уравнение позволяют точно оценить влияние комбинированных изменений в различных условиях резания.

Рис. 6.

 

Колдинг убедился, что изменение эквивалентной толщины стружки (подачи) меняет отношение между скоростью резания и сроком службы инструмента. При увеличении толщины стружки необходимо снизить скорость резания, чтобы стойкость инструмента осталась неизменной. Чем больше увеличивается толщина стружки, тем больше должна уменьшаться скорость резания. С другой стороны, при уменьшении эквивалентной толщины стружки срок службы инструмента увеличивается, а влияние повышенных скоростей резания уменьшается. Множество комбинаций значений скорости подачи, глубины резания, угла в плане и радиуса при вершине может дать одинаковое значение эквивалентной толщины стружки. При этом, если поддерживается постоянная эквивалентная толщина стружки при постоянной скорости резания, стойкость инструмента будет также оставаться неизменной, несмотря на изменения глубины резания, подачи и угла в плане. График слева показывает взаимосвязь изменения эквивалентной толщины стружки (обозначается буквой hE ), стойкости инструмента (T ) и скорости резания (VС ) во время обработки в стабильных условиях абразивного износа согласно модели Тейлора. Эта прямая зависимость также показана на графике справа. Однако в связи с тем, что модель Колдинга учитывает и другие факторы износа, результаты расчетов по этой модели представлены дополнительной кривой.

Рис. 7. Нормальный износ инструмента — модель Колдинга

 

Значения, представленные на кривой, не имеют большой важности при обработке конструкционных материалов, например стали, для которых характерен равномерный абразивный износ. Однако значения за пределами диапазона Тейлора становятся особенно важны при работе с такими материалами, как суперсплавы и титан, которые имеют склонность к поверхностному упрочнению. Это объясняется тем, что при обработке поверхностно упрочненного материала с низкой эквивалентной толщиной стружки повышается температура резания; для ее снижения и сохранения прежнего срока службы инструмента требуется меньшая скорость резания. Однако кривая показывает, что на определенном отрезке диапазона резания сочетание увеличенной толщины стружки и повышенной скорости резания, или более благоприятные условия резания, приведут к увеличению срока службы инструмента. Концепция одновременного увеличения двух параметров резания и скорости съема металла, представленная в 1960-х и 1970-х годах, стала революционной, поскольку противоречила имевшемуся на тот момент опыту и интуитивным предположениям. Разработка моделей, учитывающих многочисленные факторы в процессе металлообработки, например, модель Колдинга, в сочетании с концепциями моделей Тейлора и Арчарда, позволила объединить теоретические знания и практический опыт. Практическое применение все более сложных моделей для расчета стойкости инструмента требует компьютерного анализа многочисленных
учитываемых факторов.
Простые модели для определенного типа инструментов, материала заготовок и условий резания позволяют быстро выполнять расчеты вручную. Например, базовая модель Тейлора обеспечивает относительно быстрое получение результатов. Несмотря на это, даже расширенная модель Тейлора может потребовать достаточно много времени при расчетах вручную, а подобные расчеты факторов в уравнении Колдинга являются нецелесообразными в промышленных условиях. Для полной реализации преимуществ этих продвинутых моделей необходимо применять компьютерные программы расчета (см.дополнение про Seco Suggest). Такие программы позволяют решать сложные уравнения за доли секунды и предоставляют полезные рекомендации по обработке. Однако электронные средства расчета не снимают с операторов ответственности и необходимости мыслить критически и оценивать полученные результаты с точки зрения здравого смысла и опыта, полученного во время работы на производстве.

Заключение

Расчет стойкости инструмента не является исключительно теоретической научной задачей; он позволяет повысить производительность на предприятиях и эффективнее контролировать расходы. Ключевыми факторами в промышленности являются сроки и стоимость производства определенного количества деталей требуемого качества. Поэтому важно знать, в течение какого времени инструмент сможет точно и эффективно выполнять обработку и когда потребуется замена. Надежность процесса и контроль расходов на инструмент и времени простоя зависят от точных прогнозов стойкости инструмента. Рассматриваемые модели также позволяют при необходимости менять режимы в процессе обработки для обеспечения максимальной скорости, качества или надежности. Работа над созданием моделей расчета стойкости режущих инструментов будет продолжена, что позволит производителям оптимизировать процессы и достигнуть поставленных целей.

Компьютерные расчеты

На производстве каждый оператор станка хотел бы знать, сколько еще проработает режущий инструмент до отказа или полного износа. В то же время операторы должны использовать инструменты в течение всего срока службы. Моделирование для расчета стойкости инструмента включает как простой расчeт для отдельных операций, так и применение сложных моделей, использующих формулы со многими переменными параметрами процесса резания. Базовые модели позволяют вручную и за достаточно малое время приблизительно рассчитать стойкость инструмента. Более сложные модели требуют большего количества расчетов и большего времени. Самые лучшие модели позволяют очень точно рассчитать стойкость инструмента. Однако если расчеты для сложных моделей требуют больше времени, чем сами операции, для которых эти расчеты выполняются, экономическая выгода от них сомнительна. На помощь приходят компьютерные программы для расчетов, позволяющие быстро и предельно точно обрабатывать многочисленные факторы и параметры, которые учитываются в сложных моделях для расчета стойкости. Примером подобной программы является онлайн-программа Suggest, предоставляемая Seco. Приложение Suggest представляет собой вкладку на сайте Seco My Pages и является бесплатным для мобильных устройств с операционными системами iOS® или Android®, а также компьютеров с веб-браузером. Приложение Suggest создано на основе более 80-летнего опыта компании Seco в области металлообработки и предназначено для предоставления рекомендаций по выбору инструмента для новых задач или текущих проектов. Приложение систематизирует комплексные данные о тысячах режущих инструментов и условиях обработки и предоставляет подробные рекомендации по выбору инструментов в соответствии с введенной пользователем информацией. Функции Suggest выходят далеко за рамки онлайн-каталога. Это функциональный идентификатор продукции, который быстро определяет инструменты и последовательность операций, необходимые для обработки детали в соответствии с требуемыми допусками. Suggest может создавать рекомендации на основании минимальных данных. Однако чем больше информации предоставляет пользователь, тем точнее и эффективнее будет рекомендация. Благодаря значениям по умолчанию, предусмотренным для каждого поля ввода, приложение Suggest является простым и удобным в использовании даже для пользователей с базовыми знаниями в области обработки металла. Пользователи могут в любое время редактировать указанные данные, а также фильтровать, сортировать и сравнивать, чтобы получить максимально индивидуализированную информацию. Все предложения можно сохранять в электронном виде или создавать версии для печати. Этот комплексный ресурс упрощает процесс планирования и позволяет без проблем определять производительные и экономичные решения, а также методики обработки для конкретных задач. Доступ к проверенной технической информации и консультации по планированию процесса круглосуточно и ежедневно значительно сокращает общее время планирования процесса.