Bazując na wieloletnim praktycznym doświadczeniu w zakresie debugowania, począwszy od zasad skrawania narzędzi metalowych, w połączeniu z takimi czynnikami, jak materiał narzędzia, parametry skrawania, krawędź Wiper, kąt natarcia, metoda obróbki i narzędzie kompozytowe, wprowadzono sześć metod optymalizacji zmniejszyć koszty cięcia. Celem poprawy efektywności produkcji.
01
Przedmowa
Szybki rozwój przemysłu wytwórczego w moim kraju stworzył ogromne korzyści gospodarcze dla naszego kraju, a nawet świata. W miarę jak konkurencja na rynku staje się coraz bardziej zacięta, redukcja kosztów i poprawa wydajności stały się problemami, z którymi musi się zmierzyć każde przedsiębiorstwo. Aby skutecznie redukować koszty i zwiększać efektywność, konieczna jest analiza struktury kosztów produkcji. Koszt produkcji składa się z trzech części: materiałów bezpośrednich, bezpośredniej robocizny i kosztów ogólnych produkcji. Materiały bezpośrednie odnoszą się do przedmiotów pracy w procesie produkcyjnym, które przetwarzane są na półprodukty lub produkty gotowe, a ich wartość użytkowa staje się następnie kolejną wartością użytkową. Praca bezpośrednia odnosi się do zasobów ludzkich zużywanych w procesie produkcyjnym, które można obliczyć na podstawie wynagrodzeń, wydatków socjalnych itp. Koszty produkcji odnoszą się do obiektów takich jak fabryki, maszyny, pojazdy i sprzęt, materiały i materiały pomocnicze wykorzystywane w procesie produkcyjnym. Część ich zużycia wliczana jest do kosztu poprzez amortyzację, a druga część poprzez konserwację, w koszt wliczane są wydatki stałe, zużycie materiałów maszynowych i zużycie materiałów pomocniczych. W artykule dokonano optymalizacji kilku sposobów wykorzystania narzędzi w celu zmniejszenia kosztów zużycia narzędzi i poprawy efektywności obróbki, uzyskując w ten sposób efekt oszczędności w kosztach eksploatacji obrabiarek.
02
Zmień materiał narzędzia, aby poprawić wydajność przetwarzania
Powszechnie stosowane materiały narzędziowe obejmują: stal szybkotnącą, węglik, ceramikę, CBN i PCD. CBN i PCD mają wyższą twardość, najwyższą odporność na zużycie, a ich materiały są stosunkowo kruche. Stal szybkotnąca ma najlepszą wytrzymałość, ale jej twardość jest bardzo niska, a odporność na zużycie jest słaba.
Stal szybkotnąca jest stalą stopową o wysokiej zawartości węgla. Głównymi pierwiastkami stopowymi są wolfram, chrom, molibden, kobalt, wanad i aluminium itp. I zawierają dużą ilość węglików. Narzędzia skrawające ze stali szybkotnącej charakteryzują się dużą wytrzymałością i stosunkowo niską twardością. Zaletą jest to, że są tanie, mają wysoką plastyczność i mogą przetwarzać prawie wszystkie materiały. Były to główne materiały stosowane we wczesnych narzędziach skrawających. Wadą jest to, że wymagają wyższych wymagań od operatorów i wymagają pracy fizycznej. Ostrzenie i prędkość cięcia, jaką wytrzymują materiały ze stali szybkotnącej, są bardzo niskie. Na przykład materiałem obrabianym jest stal 45, twardość 250HBW, prędkość cięcia 30 ~ 60 m/min, a wydajność cięcia jest niska.
Obecnie najczęściej stosowanym materiałem narzędziowym jest węglik powlekany. Twardość i odporność cieplna narzędzi z węglika powlekanego są lepsze niż narzędzi ze stali szybkotnącej. Wytrzymuje wyższe prędkości skrawania w zakresie od 100 do 300 m/min[1].
Biorąc za przykład zewnętrzny okrąg toczenia części stalowych, jeśli zamiast narzędzi do toczenia stali szybkotnącej stosuje się narzędzia tokarskie z węglików spiekanych, prędkość skrawania można zwiększyć z 50 m/min do 180 m/min, a wydajność wzrasta o ponad 3 razy, a narzędzia z węglików spiekanych mają również wyższe narzędzia skrawające. życie. Narzędzia tokarskie z węglików spiekanych z wymiennymi ostrzami nie wymagają ostrzenia, wystarczy wymienić ostrze, a operator nie musi posiadać umiejętności ostrzenia.
Oprócz narzędzi skrawających ze stali szybkotnącej i węglika dostępne są również narzędzia ceramiczne, CBN i PCD. Te trzy materiały charakteryzują się większymi prędkościami skrawania – ponad 1000m/min, lecz zakres ich zastosowań jest ograniczony. Ceramikę i CBN stosuje się zwykle do obróbki elementów żeliwnych i stalowych o dużej twardości powyżej 50HRC. PCD jest zwykle używany do obróbki aluminium, tworzyw sztucznych, drewna i węglików spiekanych, ale nie może przetwarzać części żeliwnych [2].
Biorąc za przykład frezy ze stopów aluminium, prędkość skrawania szybkotnących frezów do stali wynosi 120 ~ 300 m/min. Zalecana prędkość skrawania frezami węglikowymi marki Mapal z materiału HP615 wynosi 700m/min, przy czym można stosować frezy wykonane z materiału PCD. Prędkość cięcia wynosi 1500 ~ 2000 m/min.
03
Wpływ parametrów skrawania na trwałość narzędzia i efektywność produkcji
Aby poprawić wydajność obróbki i trwałość narzędzia, należy określić, czy parametry skrawania są rozsądne i przeanalizować wpływ każdego parametru skrawania na trwałość i wydajność narzędzia. Parametry skrawania obejmują prędkość skrawania (prędkość liniowa), prędkość posuwu i wielkość cięcia wstecznego, zwane również trzema elementami tnącymi.
3.1 Prędkość skrawania vc
Zależność pomiędzy prędkością skrawania vc a prędkością wrzeciona wynosi vc=πDn/1000, gdzie D jest efektywną średnicą narzędzia/przedmiotu obrabianego (jednostka: mm), a n to prędkość obrabiarki (jednostka: obr/min ). Gdy prędkość skrawania jest zbyt duża, zwiększa się zużycie powierzchni przyłożenia i pogarsza się jakość powierzchni przedmiotu obrabianego. Gdy prędkość skrawania jest bardzo duża, płytka również ulegnie odkształceniu plastycznemu. Krzywą wpływu prędkości skrawania na trwałość narzędzia przedstawiono na rysunku 1.
zdjęcie
Rysunek 1 Krzywa wpływu prędkości skrawania na trwałość narzędzia
3.2 Prędkość posuwu vf
Wzór obliczeniowy prędkości posuwu to vf=fZZnn, fZ to posuw narzędzia (jednostka to mm/z), Zn to liczba efektywnych krawędzi skrawających (jednostka to jednostka), n to prędkość obrabiarki (jednostka wynosi obr/min). Jeżeli prędkość posuwu będzie zbyt duża, wióry będą niekontrolowane, a jakość obrabianej powierzchni ulegnie pogorszeniu. Moc skrawania jest duża, a wióry będą uderzać w narzędzie lub obrabianą powierzchnię. Krzywą wpływu prędkości posuwu na trwałość narzędzia przedstawiono na rysunku 2.
zdjęcie
Rysunek 2 Krzywa wpływu prędkości posuwu na trwałość narzędzia
3.3 Ilość tylnego noża ok
Ilość cięcia wstecznego odnosi się do różnicy pomiędzy powierzchnią nieobrobioną i powierzchnią ciętą. Krzywą wpływu wielkości skrawania wstecznego na trwałość narzędzia pokazano na rysunku 3.
zdjęcie
Rysunek 3 Krzywa wpływu wielkości skrawania wstecznego na trwałość narzędzia
Spośród trzech czynników skrawania, prędkość skrawania, prędkość posuwu i wielkość sprzężenia zwrotnego mają wpływ na trwałość narzędzia. Wpływ ilości cięcia wstecznego jest najmniejszy, prędkość posuwu ma większy wpływ niż wielkość cięcia wstecznego, a prędkość cięcia ma największy wpływ na żywotność ostrza.
Aby uzyskać jak największą trwałość narzędzia, kierunki optymalizacji parametrów są następujące: maksymalizacja sprzężenia zwrotnego w celu zmniejszenia liczby przejść narzędzia; zmaksymalizować prędkość posuwu, aby skrócić czas cięcia; zmniejszyć prędkość skrawania, aby uzyskać najlepszą trwałość narzędzia.
Aby poprawić wydajność obróbki zgrubnej, można zacząć od optymalizacji ilości wcięcia wstecznego. Jeśli istnieje wiele ścieżek narzędzia, zwiększ ilość wcięcia wstecznego i zmniejsz ścieżkę narzędzia lub zwiększ ilość wcięcia wstecznego, zmniejsz prędkość skrawania i zwiększ trwałość narzędzia. , zwiększyć prędkość posuwu i zapewnić wydajność przetwarzania.
3.4 Przykłady zastosowań
Kołnierz wyprodukowany w fabryce części samochodowych pokazano na rysunku 4. Istniejące rozwiązanie w zakresie obróbki jest nieefektywne i należy zoptymalizować różne parametry skrawania, aby poprawić trwałość narzędzia i wydajność produkcji.
zdjęcie
Rysunek 4 Kołnierz
Zoptymalizuj plan obróbki, zwiększając ilość wcięcia wstecznego, redukując ścieżki narzędzia i zmniejszając prędkość skrawania. Przed optymalizacją ścieżki narzędzia były liczne i chaotyczne, jednak po optymalizacji ścieżki narzędzia były wyraźne, co pokazano na rysunkach 5 i 6. Parametry przed i po optymalizacji przedstawiono w tabeli 1. Po optymalizacji żywotność narzędzia została zwiększona z 15 części do 31 części.
zdjęcie
Rysunek 5 Optymalizacja ścieżki narzędzia przedniego
zdjęcie
Rysunek 6 Zoptymalizowana ścieżka narzędzia
Tabela 1 Parametry przed i po optymalizacji
zdjęcie
Czynnikiem mierzącym wydajność cięcia ostrza jest prędkość cięcia. System CNC odczytuje prędkość wrzeciona. Wielu programistów podczas projektowania programów bierze pod uwagę jedynie prędkość i ignoruje współczynnik średnicy. Jednakże w rzeczywistej obróbce większy wpływ ma również współczynnik średnicy. Biorąc za przykład toczenie, gdy średnica przedmiotu obrabianego D wynosi 50 mm, a prędkość obrabiarki n wynosi 1000 obr/min, prędkość liniowa vc=157m/min. Gdy średnica przedmiotu obrabianego D wynosi 100 mm, a prędkość obrabiarki n wynosi 1000 obr/min, prędkość liniowa vc=314m/min.
Według próbki narzędzia prędkość skrawania wynosząca 314 m/min jest bardzo wysoka, bliska granicy wytrzymałości ostrza węglikowego. Wysoka prędkość skrawania może przyspieszyć proces zużycia narzędzia i skrócić jego żywotność.
Widać z tego, że przy tej samej prędkości obrotowej obrabiarki, różnych średnicach przedmiotu obrabianego i prędkościach skrawania narzędzia, gdy trwałość narzędzia jest zbyt mała, można sprawdzić, czy nie jest to spowodowane zbyt dużą prędkością skrawania.
04
Wpływ krawędzi Wiper na efektywność cięcia
Pióro wycieraczki ma kąt wierzchołkowy złożony z 3 do 9 łuków o różnych promieniach, a promień łuku może sięgać ponad 900 mm. Zależność pomiędzy zaokrągleniem końcówki narzędzia, wielkością posuwu i jakością powierzchni wynosi
Rmax＝fn²/8r(1)
Rmax (krawędź wycierająca)=Rmax/² (2)
We wzorze fn oznacza ilość nadawy (mm/r); r jest promieniem zaokrąglenia końcówki narzędzia (mm); Rmax to różnica wysokości pomiędzy wierzchołkiem a dołem powierzchni skrawania (mm).
Ta metoda jest odpowiednia do toczenia wykańczającego lub wytaczania. Narzędzie wycierające samo w sobie nie posiada funkcji szybkiego posuwu. Jednakże, zgodnie z poprzednim wzorem, można wywnioskować, że charakterystyka narzędzia wycierającego jest następująca: gdy parametry obróbki są takie same, jakość powierzchni narzędzia wycierającego można zwiększyć 1-krotnie; gdy jakość powierzchni jest taka sama, prędkość posuwu narzędzia Wiper można zwiększyć 1 raz. .
Gdy wymagana jest ta sama jakość powierzchni, przy użyciu narzędzi typu Wiper można zastosować wyższe prędkości posuwu.
Biorąc obróbkę powierzchni czołowej płaszcza wyjściowego jako przykład poprawy wydajności, materiałem przedmiotu obrabianego jest QT500, a wymagana jest wartość chropowatości powierzchni Ra mniejsza lub równa 1,6 μm. W celu skrócenia czasu cyklu zastosowano pióro wycieraczki. Zakładając spełnienie tych samych wymagań dotyczących chropowatości powierzchni, prędkość posuwu zwiększono z 0,36 mm/obr. do 0,5 mm/obr. Zmierzona wartość chropowatości powierzchni Ra=1.33μm, a żywotność ostrza była taka sama. Różne parametry obróbki przy użyciu zwykłych płytek tokarskich i płytek dogładzających przedstawiono w tabeli 2. Czoło płaszcza wyjściowego po optymalizacji pokazano na rysunku 7.
Tabela 2 Różne parametry obróbki zwykłych płytek tokarskich i płytek Wiper
zdjęcie
zdjęcie
Rysunek 7 Zoptymalizowana powierzchnia końcowa osłony wyjściowej
05
Wpływ głównego kąta odchylenia na wydajność skrawania
Posuw na ząb został wspomniany w poprzednim krótkim wprowadzeniu do pojęcia prędkości posuwu. Próbki narzędzi niektórych marek zalecają hex maksymalnej grubości wióra jako parametr skrawania zamiast posuwu na ząb. Ponieważ o wielkości posuwu decyduje hex maksymalnej grubości wióra i kąt natarcia Kr narzędzia. Formuła konwersji to hex=fzsinKr.
Gdy główny kąt odchylenia wynosi 90 stopni, fz=hex, maksymalna grubość wióra narzędzia jest taka sama jak posuw na ząb. W miarę zmniejszania się głównego kąta odchylenia można zwiększyć prędkość posuwu.
Biorąc za przykład frez walcowo-czołowy (patrz rysunek 8), liczba zębów ZN frezu walcowo-czołowego 90 stopni wynosi 5 rowków, n=1000obr/min, hex=0,2 mm , fz=0.2mm/z, prędkość posuwu obrabiarki vf =0.2×5×1000=1000 (mm/min).
zdjęcie
a) Schemat budowy frezu walcowo-czołowego
zdjęcie
b) Obiekty fizyczne
Frez walcowo-czołowy o figurze 8 90 stopni
Frez czołowy z kątem natarcia 45 stopni (patrz rysunek 9) ZN ma 5 rowków, n=1000r/min, hex=0.2mm, fz=hex /sin45 stopni {{8} }.282mm/z, to prędkość posuwu obrabiarki vf=0.282× 5×1000=1410 (mm/min).
zdjęcie
a) Schemat budowy frezu czołowego
zdjęcie
b) Obiekty fizyczne
Frez walcowo-czołowy o figurze 9 45 stopni
Frez czołowy z kątem natarcia 10 stopni (patrz rysunek 10) ZN ma 5 krawędzi, n=1000r/min, hex=0.2mm, fz= hex/sin10 stopni {{8} }.156mm/z, to prędkość posuwu obrabiarki vf=1.156× 5×1000=5780 (mm/min).
zdjęcie
sygnał
zdjęcie
b) Obiekty fizyczne
Frez walcowo-czołowy o figurze 10 10 stopni
Reasumując, przy tej samej prędkości obrotowej ostrza tego samego typu, im mniejszy jest główny kąt odchylenia, tym większą prędkość posuwu można zastosować. Warto zauważyć, że frez walcowo-czołowy o kącie 90 stopni przenosi głównie siłę promieniową, a siła osiowa zbliża się do zera. W miarę zmniejszania się głównego kąta odchylenia, na przykładzie frezu głównego o kącie odchylenia 10 stopni, przenoszony jest on głównie przez siłę osiową. Siła promieniowa jest bardzo mała. Im mniejszy główny kąt odchylenia, tym większa tendencja do drgań i tym większe zużycie energii.
06
Wpływ metod obróbki na efektywność cięcia
Duży wpływ na wydajność obróbki ma także ścieżka narzędzia skrawającego. Przykładowo popularną ostatnio metodą frezowania dynamicznego jest wydajna metoda frezowania trochoidalnego z dużą objętością wsteczną i małą szerokością skrawania. Różnica w stosunku do konwencjonalnego frezowania trochoidalnego polega na tym, że dynamiczny proces frezowania ściśle przestrzega stałej sześciokątnej grubości wióra. Ma wysoką wydajność usuwania metalu. Ponieważ frezowanie dynamiczne może zapewnić stałą siłę skrawania podczas skrawania narzędzia, prędkość przetwarzania jest szybka i stabilna.
Na przykładzie frezowania zewnętrznego konturu korpusu zaworu można zilustrować wpływ metod obróbki na wydajność cięcia. Przedmiot obrabiany wykonany jest ze stali nierdzewnej. Trudność polega na tym, że stosunek długości narzędzia do średnicy osiąga 4-krotność średnicy, co powoduje wibracje podczas obróbki. W pierwotnym planie stosowano frezy walcowo-czołowe z wymiennymi płytkami, co skutkowało dużymi drganiami podczas skrawania ze względu na duży współczynnik kształtu. Nie można normalnie przetworzyć. Zoptymalizowany do stosowania frezów palcowych z węglików spiekanych, dużej wydajności cięcia wstecznego, małej szerokości skrawania i dynamicznej metody frezowania. Symulację dynamiczną ścieżki narzędzia frezarskiego przedstawiono na rysunku 11, a parametry porównawcze w tabeli 3.
zdjęcie
Rysunek 11 Dynamiczna symulacja ścieżki narzędzia frezarskiego
Tabela 3 Porównanie parametrów
zdjęcie
07
Popraw wydajność obróbki dzięki narzędziom kompozytowym
W przypadku produktów masowych zwykle stosuje się narzędzia kompozytowe w celu poprawy wydajności produkcji, takie jak wiertła do fazowania, narzędzia do wytaczania kompozytów (patrz rysunek 12) itp.
zdjęcie
Rysunek 12 Narzędzie do wytaczania złożonego
Narzędzia kompozytowe wykorzystują jedno narzędzie do przetwarzania wielu etapów pracy, co poprawia wydajność przetwarzania i oszczędza czas zmiany narzędzia w przypadku wielu narzędzi. Kompozytowe narzędzia skrawające mają również wiele wad. Największą wadą jest to, że nie są uniwersalne. Narzędzia skrawające są przeznaczone tylko do określonego przedmiotu obrabianego i nie mogą być stosowane uniwersalnie z innymi przedmiotami [3].
08
Wniosek
W tym artykule przedstawiono sześć sposobów optymalizacji narzędzi skrawających, które mogą dostarczyć wskazówek dotyczących poprawy wydajności produkcji i zmniejszenia kosztów. Metoda optymalizacji narzędzia powinna być elastyczna i wymagać praktycznego zastosowania. Przed optymalizacją należy przeanalizować proces wąskiego gardła, celowo zoptymalizować narzędzie i uchwycić kluczowe punkty, aby rozwiązać problem zgodnie z konkretnymi warunkami produkcji.
