Influence of physical and chemical properties of cutting fluids on the cutting force of the cutting process

Full Text

Введение

В современной аэрокосмической отрасли наблюдается тенденция усовершенствования проектируемых конструкций космических аппаратов. Конструкции совершенствуются, способствуя успешному выведению летательных аппаратов в космическое пространство. Одним из последних изобретений в области средств выведения стало изделие, разработанное предприятием «НПО им. Лавочкина», разгонный блок «Фрегат» [1]. Инновационная конструкция включала множество технологических задач для производства. Ключевой задачей при изготовлении изделия стало обеспечение точности обрабатываемых поверхностей без потери производительности. Режущий инструмент при обработке деталей из труднообрабатываемых материалов не обеспечивал заявленную стойкость. При анализе данных отказов режущего инструмента выявили значительное повышение сил резания. Данный факт связан с применением универсальной марки смазочно-охлаждающей технологической среды (СОТС), подходящей для лезвийной обработки практически всех групп обрабатываемых материалов. В данной работе рассматривается методика выбора оптимальных физико-химических параметров СОТС на основе силовых показателей процесса резания.

Анализ литературных источников

Исследованием влияния смазочно-охлаждающих технологических сред занималось множество исследователей, как отечественных, так и зарубежных. В большинстве работ, посвященных влиянию жидких смазочно-охлаждающих технологических сред на процесс резания, отсутствуют методики выбора СОТС по ее параметрам [2–4]. Наиболее содержательные работы у следующих отечественных исследователей: Латышев В. Н. [5; 6]; Михайлов А. Н. [7]; Наумов А. [8]; Кущева М. Е. [9]. Чаще всего выбор представлен в виде экспертного модуля, отражающего эффективные марки СОТС для обработки указанных обрабатываемых материалов [10–12]. Значительное количество работ, посвященных влиянию жидких СОТС на процесс резания, рассматривают жидкие технологические среды как масляный раствор со всеми присущими свойства [13–15].

Регрессионные зависимости

Рассматривать влияние смазочно-охлаждающих технологических сред на процесс резания только теоретически крайне затруднительно ввиду нелинейности процесса лезвийной обработки. Эмпирический способ позволяет охватить весь спектр влияния СОТС на показатели процесса резания. Полученные данные необходимо интерпретировать с целью выявления зависимостей параметров СОТС и процесса резания.

Множество полученных данных по влиянию СОТС на процесс резания не обработаны и представлены в виде утверждений. Перевод утверждений в численный формат позволит составить простую математическую модель, но для разработки прогнозирующей модели выбора параметров СОТС этого недостаточно. Требуется интерпретировать данные методами статистического моделирования, а именно, при помощи регрессионного анализа.

Силовые параметры процесса резания представлены многими величинами, наиболее характерной является сила резания. На силу резания влияет множество параметров:

Общая математически запись регрессионной зависимости силы резания от множества параметров представлена ниже:

$\mathit{ }F = f ({\sigma }_{\mathit{в}}\mathit{,}\mathit{ }{\sigma }_{\mathit{0}\mathit{,}\mathit{2}}\mathit{,}\mathit{ }\psi \mathit{,}\mathit{ }\delta \mathit{,}\mathit{ }\sigma н\mathit{,}\mathit{ }HRA\mathit{,}\mathit{ }\zeta \mathit{,}\mathit{ }\alpha \mathit{,}\mathit{ }\phi \mathit{,}\mathit{ }R\mathit{,}\mathit{ }V\mathit{,}\mathit{ }S\mathit{,}\mathit{ }t\mathit{,}\mathit{ }\nu \mathit{,}\mathit{ }\rho \mathit{,}\mathit{ }W\mathit{,}\mathit{ }\sigma \mathit{,}\mathit{ }\theta \mathit{,}\mathit{ }\mathrm{\lambda }).$                                                        (1)

Методами регрессионного анализа исследуется связь между физико-химическими параметрами и силовыми параметрами процесса резания в виде логарифмического полинома второго порядка:

$\ln T=a_0+\sum _{i=1}^k{a}_i\ln x_i+\sum _{i=1}^k\sum _{j=1}^k{a}_{ij}\ln x_i\ln x_j$,                                                                                               (2)

где x_i – значение i-го переменного фактора; а_i  – значение i-го параметра регрессионной модели; k – количество факторов, учитываемых моделью; а₀ – свободный член модели.

Регрессионные зависимости составлены на основе проведенного эксперимента и дополнены данными других авторов.

Оборудование и материалы для эксперимента

Испытываемые жидкие смазочно-охлаждающие технологические среды были отобраны по одному представителю из каждой группы классификации:

Обрабатываемые материалы выбраны из числа деталей блока «Фрегат»: жаропрочный сплав ХН50ВТЮБ; сталь 15Х18Н12СЧТЮ; титановый сплав ВТ6. При обработке указанных материалов, токарные пластины подвергались интенсивному абразивному износу, приводя к повышению сил резания.

В качестве оборудования для проведения эксперимента выбран обрабатывающий центр модели Multus U3000-1000 фирмы Okuma (рис. 1). Режущим инструментом выступила резцовая оправка со сменными многоразовыми пластинами C6-DCMNN-00115-12 фирмы Sandvik. Пластины использовали двух типов: с покрытием и без покрытия. Для обработки титанового сплава ВК6 и жаропрочного сплава ХН50ВТЮБ использовались пластины CNGA 120408S01520HWG 7105 фирмы Sandvik, пластина CNMG 120408 H13A фирмы Sandvik для обработки стали 15Х18Н12СЧТЮ. Режимы резания выбраны усредненные при обработке указанных материалов (см. таблицу).

 

Рис. 1. Обрабатывающий центр модели Multus U3000-1000 фирмы Okuma

Fig. 1. Machining center model Multus U3000-1000 company Okuma

 

Обрабатываемые материалы и режимы резания

Обрабатываемый материал	S (мм/об)	t (мм)	V (мм/мин)
Жаропрочный сплав ХН50ВТЮБ	0,05 / 0,1 / 0,18	1	20–42
Сталь 15Х18Н12СЧТЮ	0,1 / 0,18 / 0,35	1	40–120
Титановый сплав ВТ6	0,1 / 0,18 / 0,3	1	30–100

 

Проведение эксперимента

Регистрирование сил резания на станке велось посредством замены датчиков нагрузки станка на датчики, улавливающие малейшие колебания сил резания. К контроллерам станка дополнительно подключены платы для фиксирования показателей нагрузки станка в процессе проведения эксперимента.

 

Рис. 2. Период приработки режущего инструмента в течение первой минуты работы

Fig. 2. Break-in period of the cutting tool during the first minute of operation

 

Лезвийная обработка проводилась в течение определенного интервала времени: первая минута – период приработки режущего инструмента (рис. 2), вторая минута – стабилизация приработки режущего инструмента (рис. 3).

 

Рис. 3. Стабилизация приработки режущего инструмента в течение второй минуты обработки

Fig. 3. Stabilization of the running-in of the cutting tool during the second minute of processing

 

Обработка проводилась с использованием продольной подачи резца. Стратегия задана стандартным циклом чернового наружного точения. Резец имеет нейтральную ориентацию и для предотвращения столкновений рабочих органов станка установлен в позицию «45º» от вертикально оси «X» станка (рис. 4). Подача смазочно-охлаждающих технологических сред осуществлялась под давлением по внутренним каналам инструмента.

 

Рис. 4. Рабочая зона станка при проведении инструмента

Fig. 4. The working area of the machine when holding the tool

 

Результаты эксперимента

По завершении экспериментов составлены графики зависимостей показателей сил резания в зависимости от режимов резания (рис. 5–12). На графике показано, что процесс протекает нелинейно, следовательно, зависимости необходимо строить на основе полинома первого или второго порядка.

 

Рис. 5. Показатели силы резания при обработке сплава ХН50ВТЮБ (V = 20, f = [0,05…0,2], t =1 )

Fig. 5. Cutting force indicators when machining KhN50VTYUB alloy (V = 20, f = [0,05…0,2], t = 1)

 

Рис. 6. Показатели силы резания при обработке сплава ХН50ВТЮБ (V = 50, f = [0,05…0,2], t = 1)

Fig. 6. Cutting force indicators when machining KhN50VTYUB alloy (V = 50, f = [0,05…0,2], t = 1)

 

Рис. 7. Показатели силы резания при обработке сплава ВТ6 (V = 25, f = [0,1…0,4], t = 1)

Fig. 7. Cutting force indicators when machining alloy VT6 (V = 25, f = [0,1…0,4], t = 1)

 

Рис. 8. Показатели силы резания при обработке сплава ВТ6 (V = 60, f = [0,1…0,4], t = 1)

Fig. 8. Cutting force indicators when machining alloy VT6 (V = 60, f = [0,1…0,4], t = 1)

 

Рис. 9. Показатели силы резания при обработке сплава ВТ6 (V = 100, f = [0,1…0,2], t = 1)

Fig. 9. Cutting force indicators when machining alloy VT6 (V = 100, f = [0,1…0,2], t = 1)

 

Рис. 10. Показатели силы резания при обработке стали 15Х18Н12СЧТЮ (V = 40, f = [0,1…0,4], t = 1)

Fig. 10. Cutting force indicators when machining steel 15X18H12SCHTYU (V = 40, f = [0,1…0,4], t = 1)

 

Рис. 11. Показатели силы резания при обработке стали 15Х18Н12СЧТЮ (V = 80, f = [0,1…0,4], t = 1)

Fig. 11. Cutting force indicators when machining steel 15X18H12SCHTYU (V = 80, f = [0,1…0,4], t = 1)

 

Рис. 12. Показатели силы резания при обработке стали 15Х18Н12СЧТЮ (V = 120, f = [0,1…0,2], t = 1)

Fig. 12. Cutting force indicators when machining steel 15X18H12SCHTYU (V = 120, f = [0,1…0,2], t = 1)

 

Обработка результатов эксперимента

Результаты эксперимента недостаточны для формирования целостной картины влияния физико-химических параметров смазочно-охлаждающих технологических сред на процесс резания. Данные по эксперименту дополнили результатами предыдущих работ автора по влиянию СОТС на силу резания проводимых в зоне низких скоростей резания, где рассматривались отечественные марки смазочно-охлаждающих технологических сред: сульфофрезол; МР-3, ЛЗ ОЖ2.

Проведен регрессионный анализ полученных данных, согласно формуле (2), и получены коэффициенты регрессии. Интерпретация зависимостей сил резания от параметров резания (формула (1)) позволила составить регрессионные зависимости выбора физико-химических параметров СОТС (вязкость кинематическая ν; плотность ρ; проникающая способность W; поверхностное натяжение σ; краевой угол θ; коэффициент теплопроводности λ). Основная зависимость выбора технологических сред представлена в виде уравнений: ν = f(V) ρ = f(V), W = f(V), σ = f(V), θ = f(V), λ = f(V). По полученным зависимостям построены точечные графики, по оси «X» нанесены физико-химические свойства СОТС, по оси «Y» скорость резания (рис. 13–18). Кривая, приближенно описывающая характер построения точек, является логарифмической кривой первой степени.

 

Рис. 13. Регрессионная зависимость кинематической вязкости от скорости резания

Fig. 13. Regression dependence of kinematic viscosity on cutting speed

 

Рис. 14. Регрессионная зависимость коэффициента теплопроводности от скорости резания

Fig. 14. Regression dependence of the thermal conductivity coefficient on cutting speed

 

Рис. 15. Регрессионная зависимость плотности от скорости резания

Fig. 15. Regression dependence of density on cutting speed

 

Рис. 16. Регрессионная зависимость поверхностного натяжения от скорости резания

Fig. 16. Regression dependence of surface tension on cutting speed

 

Рис. 17. Регрессионная зависимость краевого угла от скорости резания

Fig. 17. Regression dependence of the contact angle on the cutting speed

 

Рис. 18. Регрессионная зависимость проникающей способности от скорости резания

Fig. 18. Regression dependence of penetrating power on cutting speed

 

Заключение

В работе рассмотрено влияние жидких смазочно-охлаждающих технологических сред на силовые показатели процесса резания. Проведены ряд экспериментов лезвийной обработки труднообрабатываемых материалов при подаче различных СОТС в зону резания. На основе полученных данных составлена регрессионная зависимость силы резания от параметров процесса резания. Интерпретировав данные под выбор физико-химических параметров СОТС, составлены шесть регрессионных зависимостей. По разработанным зависимостям определены оптимальные параметрами смазочно-охлаждающих технологических сред для обработки изделия «Фрегат». На основе параметров подобраны наименования СОТС, обеспечивающие оптимальные значения сил резания в процессе обработки.

About the authors

Ilnur I. Gaifullin

Lavochkin Science and Production Association (Lavochkin Association)

Author for correspondence.
Email: gfln.il74@gmail.com

software engineer

Russian Federation, 24, Leningradskaya St., 141400, Khimki, Moscow region

Alexander M. Plaksin

Lavochkin Science and Production Association (Lavochkin Association)

Email: a.m.plaksin@gmail.com

Cand Sc., head office

Russian Federation, 24, Leningradskaya St., 141400, Khimki, Moscow region

Valery Y. Piunov

Lavochkin Science and Production Association (Lavochkin Association)

Email: piunovvy@gmail.com

Cand Sc., deputy head of production

Russian Federation, 24, Leningradskaya St., 141400, Khimki, Moscow region

References

Supplementary files