сотрудник
Оренбург, Оренбургская область, Россия
студент
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ББК 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
В машиностроении любые изменения технологии как существенные, так и менее значительные, оказывают ощутимое влияние на стоимость изготовления деталей. Интенсивность использования основного технологического оборудования, параметры его работы и производительность непрерывно связаны с качеством применяемого для этого инструмента. Своевременная замена инструментального оснащения производства на современное позволяет быстрее окупать вложения на приобретение нового оборудования, повышать производительность имеющегося оборудования и экономическую эффективность выполняемых операций. Недостаточная стойкость инструмента приводит к возникновению дополнительных простоев оборудования, длительность которых определяется продолжительностью замены инструмента. В результате снижается производительность. В данной работе был выполнен расчёт предполагаемой экономической эффективности от замены фрез из быстрорежущей стали твёрдосплавными при изготовлении детали на металлорежущем станке с ЧПУ. Были рассмотрены два варианта процесса обработки детали фрезами двух разных диаметров.
жаропрочные стали, твердый сплав, обрабатываемость, режущий инструмент, механиче-ская обработка
Введение. Современные конструкционные материалы, обладающие высокой прочностью, жаропрочностью, химической стойкостью в агрессивных средах, а зачастую и комплексом этих свойств во всё возрастающих масштабах используются в авиакосмической промышленности [1, 2]. Они обладают низкой теплопроводностью и повышенными прочностными характеристиками, в результате чего в процессе их обработки возникают большие давления на режущую кромку инструмента и высокие температуры в зоне резания. Поэтому обрабатываемость их точением в силу этих факторов значительно хуже по сравнению со сталью 45 принятой в качестве эталона [3].
В качестве жаропрочной и стойкой в агрессивных средах может быть использована хромоникелевая сталь 12Х18Н10Т [4]. При точении данной стали коэффициент обрабатываемости примерно в два раза ниже эталонной. Хромоникелевые стали с добавкой легирующих элементов (45Х14Н14В2М, 10Х11Н23ТЗМР и др.) обладают жаропрочными, жаростойкими и кислостойкими свойствами [5, 6]. У этих материалов в 3-4 раза ниже коэффициент обрабатываемости, чем у стали 45 [7, 8].
Титановые сплавы в процессе резания вызывают особую трудность [9–13]. Ценность физико-механических свойств титана высока, среди которых можно выделить высокую удельную прочность, жаропрочность, малую плотность и хладостойкость. Жаропрочность является одним из важнейших преимуществ перед магниевыми и алюминиевыми сплавами, которая с избытком компенсирует разницу в плотности (Mg – 1,8;
Al – 2,7; Ti – 4,5) в условиях практического применения. Это превосходство особенно резко проявляется над магниевыми и алюминиевыми сплавами при температурах выше 300 ⁰С. Так при повышении температуры прочность титановых сплавов остаётся высокой, в то время как у магниевых и алюминиевых сплавов сильно уменьшается.
Поэтому для повышения качества обработки труднообрабатываемых материалов целесообразно совершенствовать существующие технологические процессы обработки [14] и создавать новые инструментальные материалы [15–18].
Основная часть. В работе был выполнен расчёт предполагаемой экономической эффективности от замены фрез из быстрорежущей стали (Р6М5) твёрдосплавными (6WH10F) при изготовлении детали на станке сверлильно-фрезерно-расточном с ЧПУ модели 400V. Были рассмотрены два варианта процесса обработки детали фрезами разного диаметра (Ø12 и Ø5).
В первом варианте был выполнен сравнительный анализ процесса обработки детали типа "Панель" из алюминиевой поковки Амг6М [19]. Обрабатываемая поверхность представляет собой совокупность многочисленных боковых карманов. Глубина этих карманов составляет 130 мм, а
площадь – 38 мм×52 мм. Обработка такой поверхности осложнена плохим отводом стружки и СОЖ из зоны резания. Исходные данные, использованные для проведения первого варианта расчёта, представлены в табл. 1.
Таблица 1
Исходные данные для сравнительного анализа фрез Ø12
|
№ |
Сравниваемый параметр |
Фреза №1 |
Фреза №2 |
|
1 |
Материал режущей части инструмента |
Быстрорежущая сталь Р6М5 |
Твёрдый сплав 6WH10F |
|
2 |
Количество использованных фрез, шт. |
4 |
1 |
|
3 |
Скорость резания V, м/мин. |
26,8 |
26,8 |
|
4 |
Подача S, мм/мин. |
20 |
35 |
|
5 |
Стойкость Tс, час. |
9 |
16 |
|
6 |
Машинное время TМ, час. |
55 |
43 |
В качестве обрабатывающих инструментов были использованы специальные фрезы, изображённые на рис. 1 и 2. На рис. 1 представлена фреза из быстрорежущей стали Р6М5 (Фреза №1), а на рис. 2 - монолитная фреза из твёрдого сплава 6WH10F (Фреза №2).
Рис.1. Фреза из быстрорежущей стали Р6М5
Рис. 2. Монолитная фреза из твёрдого сплава 6WH10F
В процессе обработки в штатном режиме при подаче 20 мм/мин на торце фрезы возникали многочисленные сколы по радиусу. Повышение подачи до 25 мм/мин сопровождалось появлением вибрации. Дальнейшее увеличение подачи до 30 мм/мин приводило к поломке инструмента. Фреза ломалась возле хвостовика.
Обработка второй фрезой, несмотря на использование увеличенной до 50 мм/мин подачи, характеризовалась равномерностью работы без возникновения каких-либо скачков, ударов и вибраций. При этом инструмент изнашивался равномерно по торцу и радиусу. Износ не превышал 0,1 мм. В результате обработки вторым инструментом были получены лучшая размерная точность и качество обработанной поверхности.
Расчет расхода инструмента производился по формуле:
(1)
где Кб = 1,05 – коэффициент случайной убыли инструмента; Кп = 1,0 – 
поправочный коэффициент, учитывающий увеличение расхода режущего инструмента из-за необходимости параллельной обработки деталей изделия в нескольких механообрабатывающих цехах одного предприятия; Кв = 1,25 – поправочный коэффициент, учитывающий увеличение расхода режущего инструмента для изготовления средств технологического оснащения 2-го порядка (определяется предприятием); Км
= 3,1 – численное значение поправочного коэффициента, учитывающего вид обрабатываемого материала; Кр = 1,2 – численное значение поправочного коэффициента, учитывающего состояние поверхности обрабатываемого изделия.
Для расчета штучного времени использовалось выражение:
(2)
где k1 = 1,3 – поправочный коэффициент на машинное время; k2 = 1,15 – поправочный коэффициент на стоимость н-час.
Расчет затрат на инструмент при изготовлении одной детали производился по формуле:
(3)
где Сф – стоимость фрезы, руб.; f = 1 – количество деталей на одно изделие, шт.
Расчет затрат по заработной плате на операцию производился по формуле:
(4)
где СД – стоимость н-час на одну операцию, руб.
Расчёт общих затрат производился по формуле:
(5)
Результаты сравнительного анализа статей затрат и образования экономического эффекта первого варианта процесса обработки сведены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты сравнительного анализа фрез Ø12
|
№ |
Показатель |
Фреза №1 |
Фреза №2 |
|
1 |
Стоимость фрезы Cф, руб. |
2129 |
5737 |
|
2 |
Расход инструмента на единицу изделия Nр, шт. |
4,3 |
0,95 |
|
3 |
Стоимость н-час на одну операцию CД, руб. |
83,3 |
83,3 |
|
4 |
Штучное время Tш, н-час. |
82,23 |
64,29 |
|
5 |
Затраты на инструмент при изготовлении одной детали Си, руб. |
9154,7 |
5450,15 |
|
6 |
Затраты по заработной плате на операцию Cз.п., руб. |
10240,39 |
8006,26 |
|
7 |
Общие затраты Cоб, руб. |
19395,09 |
13456,41 |
Из результатов сравнительного анализа фрез Ø12 следует отметить, что увеличение жесткости инструмента позволило ужесточить режимы резания и использовать значение подачи 35 мм/мин как штатное для инструмента из твердого сплава. В связи с этим уменьшение машинного времени обработки второй фрезой на одну деталь составило 12 часов. Затраты по заработной плате снизились на 2234,13 руб. Затраты на инструмент тоже снизились на 3704,55 руб. В результате экономический эффект от внедрения инструмента из твёрдого сплава составил 5938,68 руб.
Во втором варианте так же был выполнен сравнительный анализ процесса обработки детали типа "Панель" из поковки Амг6М. Обрабатываемая поверхность представляла собой совокупность многочисленных пазов размерами
5 мм×100 мм×50 мм. Исходные данные и результаты сравнительного анализа фрез Ø5 представлены в табл. 3.
Таблица 3
Исходные данные и результаты сравнительного анализа фрез Ø5
|
№ |
Сравниваемый параметр |
Фреза №1 |
Фреза №2 |
|
1 |
Материал режущей части инструмента |
Р6М5 |
6WH10F |
|
2 |
Количество использованных фрез, шт. |
6 |
1 |
|
3 |
Скорость резания V, м/мин. |
11,2 |
11,2 |
|
4 |
Подача S, мм/мин. |
3 |
6,5 |
|
5 |
Стойкость Tс, час. |
9,95 |
33,2 |
|
6 |
Машинное время TМ, час. |
59,7 |
33,2 |
|
7 |
Стоимость фрезы Cф, руб. |
1086,3 |
2651,8 |
|
8 |
Расход инструмента на единицу изделия Nр, шт. |
5,58 |
0,5 |
|
9 |
Стоимость н-час на одну операцию CД, руб. |
79,5 |
79,5 |
|
10 |
Штучное время Tш, н-час. |
89,25 |
49,63 |
|
11 |
Затраты на инструмент при изготовлении одной детали Си, руб. |
6061,55 |
1325,9 |
|
12 |
Затраты по заработной плате на операцию Cз.п., руб. |
10637,29 |
5898,65 |
|
13 |
Общие затраты Cоб, руб. |
16698,84 |
7224,55 |
В процессе обработки фрезой №1 наблюдались многочисленные сколы по радиусу на торце. При увеличении подачи на 1,5 мм/мин увеличивается вибрация, а при её увеличении на 3 мм/мин фреза ломается возле хвостовика. При обработке фрезой №2 наблюдался равномерный износ по торцу и радиусу менее 0,1 мм. Обработка происходила более плавно, лучше выдерживались размеры и чистота поверхности за счёт увеличения жёсткости инструмента. Экономический эффект от внедрения инструмента из твёрдого сплава во втором варианте процесса обработки составил 9474,29 руб.
Выводы: Процесс резания представляет собой комплекс чрезвычайно сложных явлений, зависящих от физико-механических свойств обрабатываемого материала, качества режущего инструмента, условий резания, состояния станка, жёсткости системы и т.д. При резании труднообрабатываемых материалов основной негативный фактор - это высокая температура в зоне резания, которая приводит к разупрочнению режущего инструмента, что приводит к снижению стойкости и вынужденному снижению скорости резания. Понижение которой влечет за собой увеличение времени обработки, что сказывается на производительности и себестоимости обработки в целом. Поэтому эффективность обработки обусловлена, в том числе, и правильностью выбора инструмента и назначаемыми параметрами режимов резания. Своевременная замена инструментального оснащения производства на современное позволяет быстрее окупать вложения на приобретение нового оборудования, повышать производительность имеющегося оборудования и экономическую эффективность выполняемых операций.
В заключении следует отметить, что увеличение жёсткости инструмента позволило ужесточить режимы резания в результате чего предполагаемый экономический эффект от замены фрез из быстрорежущей стали твёрдосплавными составил 5938,68 руб в первом и 9474,29 руб во втором варианте процесса обработки детали.
1. Каблов Е.Н. Материалы для авиакосмической техники // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2007. № 5. С. 7–27.
2. M’Saoubi R., Axinte D., Soo S.L., Nobel C., Attia H., Kappmeyer G., Engin S., Sim W. High performance cutting of advanced aerospace alloys and composite materials // CIRP Annals -Manufacturing Technology. 2015. Vol. 64. No. 2. Pp. 557–580.
3. Куприянов В.А. Мелкоразмерный инструмент для резания труднообрабатываемых материалов. М.: Машиностроение, 1989. 136 с.
4. Ильященко Д.П. Исследование химического состава и микроструктуры сварных соединений из стали 12Х18Н10Т, выполненных по различным технологическим схемам // Современные наукоемкие технологии. 2015. № 2. С. 73–76.
5. Велис А.К. Повышение эффективности обработки отверстий в массивных деталях из полимербетонов на примере синтеграна : дис. ... канд. техн. наук. М., 2015. 151 с.
6. Сурков О.С., Кондратьев А.И., Алексе-ев В.П., Хаймович А.И. Исследование обра-батываемости жаропрочной стали 10Х11Н23ТЗМР-ВД для деталей газотурбинных двигателей // Вестник Самарского госу-дарственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2014. № 5-3 (47). С. 106–112.
7. Артеменко Н.С., Каменов Р.У., Госина К.К. Особенности обработки резанием жаро-прочных и жаростойких сталей и сплавов / Инновационные проекты и технологии машиностроительных производств: материалы все-российской научно-технической конференции с международным участием // Омский гос. ун-т путей сообщения. (Омск 15-16 октября 2015 г.). Омск: Изд-во ОГУПС. 2015. С. 127–133.
8. Доманин К.Ю. Особенности и решения при механической обработке жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов / Современные инновации в науке и технике: сборник науч-ных трудов 4-ой Международной научно-практической конференции // ЮгоЗап. гос. ун-т. (Курск 17 апреля 2014 г.). Курск: ЗАО " Университетская книга". 2014. С. 40–44.
9. Даниленко Б.Д. Ориентировочный вы-бор режима резания при обработке титановых сплавов концевыми фрезами // Известия выс-ших учебных заведений. Машиностроение. 2006. № 8. С. 61–64.
10. Егорова Ю. Б., Давыденко Л. В., Да-выденко Р. А. Классификация отечественных и зарубежных титановых сплавов по обраба-тываемости резанием // Материаловедение. 2014. № 4. С. 14–21.
11. Biermann D., Abrahams H., Metzger M., Biermann D., Abrahams H., Metzger M. Experi-mental investigation of tool wear and chip for-mation in cryogenic machining of titanium alloys // Advances in Manufacturing. 2015. Vol. 3. No. 4. Pp. 292–299.
12. Shokrani A., Dhokia V., Newman S.T. Investigation of the effects of cryogenic machin-ing on surface integrity in CNC end milling of Ti-6Al-4V titanium alloy // Journal of Manufac-turing Processes. 2016. Vol. 21. Pp. 172–179.
13. Селиванов А.Н. Повышение произво-дительности и качества обработки тел враще-ния из титановых сплавов методом высоко-скоростного фрезерования и фрезоточения: Автореф. дис. канд. техн. наук. Саратов. 2011. 19 с.
14. Кирейнов А.В., Есов В.Б. Современ-ные тенденции применения смазочно-охлаждающих технологических средств при лезвийной обработке труднообрабатываемых материалов // Инженерный журнал: наука и инновации. 2017. № 2 (62). С. 5.
15. Дачева А. В. Особенности режущего инструмента с многофункциональным покры-тием для резания труднообрабатываемых ма-териалов // Технические науки: проблемы и перспективы: материалы Междунар. науч. конф. (г. Санкт-Петербург, март 2011 г.). СПб.: Реноме. 2011. С. 45–48.
16. Пронин А.И., Мокриций Б.Я., Вино-градов С.В. Особенности применения сверх-твёрдых материалов и режущей керамики при токарной обработке труднообрабатываемых материалов // Ученые записки Комсомольско-го-на-Амуре государственного технического университета. 2010. Т. 1. № 2. С. 88–92.
17. Tabakov V.P., Vereschака A.S. Devel-opment of technological means for formation of multilayer composite coatings, providing in-creased wear resistance of carbide tools, for dif-ferent machining condition // Key Engineering Materials. Trans Tech Publications, Switzerland. Vol. 581. 2014. Pp. 55–61.
18. Реченко Д.С., Попов А.Ю., Белан Д.Ю., Кузнецов А.А. Создание твердосплав-ного металлорежущего инструмента для финишной обработки труднообрабатываемых материалов // СТИН. 2016. № 8. С. 16-18.
19. Михалкина В.А., Марусич К.В., Крав-цов А.Г. Расчёт экономической эффективности от внедрения инструмента из твёрдого сплава / Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культу-ры: материалы Всероссийской научно-методической конференции // Оренбург. гос. ун-т., (Оренбург, 1-3 февраля 2017 г.), Орен-бург: ОГУ, 2017. С. 155–158.
