Период стойкости режущего инструмента является важнейшим эксплуатационным показателем, влияющим на технико-экономическую эффективность производства. Он определяет расход инструмента, затраты на его подготовку и обслуживание, а также – качество обработки деталей. В современной технической литературе период стойкости дереворежущего инструмента назначается в зависимости от износостойкости его режущей части и свойств материала обрабатываемой детали [1, 2]. Он назначается без учета величины припуска (толщины срезаемого слоя), скорости резания и допускаемого отклонения размеров обработанной детали. Например, стальным ножам цилиндрических сборных фрез для фрезерования массивной древесины период стойкости назначается от 8 до 10,4 часа.
Основная часть. Для получаемых продольным фрезерованием профильных деталей ГОСТ 8242-88 [3] определяет две группы требований к качеству изделий: требования по состоянию исходного материала (наличие пороков, влажность древесины) и требования по качеству обработки (геометрическая точность размеров и формы изделия и шероховатость обработанной поверхности).
В процессе механической обработки древесины происходит изнашивание режущего инструмента, которое определяется постепенным изменением начальной микрогеометрии резца, образованной в процессе заточки. Изнашивание может быть разных видов: механическое, абразивное, тепловое, окислительное, электрохимическое (коррозия), электрическое (эрозия) и причины, приводящие к изнашиванию контактных поверхностей резца. Происходит изменение структуры металла, которое приводит к уменьшению его прочности и твердости. Лезвие режущего инструмента затупляется, т.е. изменяется начальная микрогеометрия резца, за счет выкрашивания и сминания режущих кромок и стирания тех участков, которые соприкасаются с древесиной.
Во время работы резца от его тела в зоне, как передней, так и задней грани отрываются частицы металла, в результате чего поперечное сечение резца плоскостью нормальной к режущей кромке представляет собой клин с округленной вершиной и изношенными до той или иной степени задней и передней гранями. Считаем кривую округления дугой окружности, радиус которой является показателем остроты резца r0 = 4…10 мкм.
При изнашивании в первую очередь теряется точность обработки. Основным, определяющим точность обработки, является фактическое положение плоскости резания. Считается, что она проходит через центр окружности, вписанной в фактическую режущую кромку лезвия (рис. 1).
Рис. 1. Схема к расчету положения плоскости резания
В процессе фрезерования деревянных заготовок лезвия монотонно изнашиваются, затупляются, укорачиваются по биссектрисе угла заточки лезвий b. В результате радиус вписанной окружности увеличивается до rmax = 30…60 мкм и более, а ее центр перемещается по биссектрисе угла заточки.
Соответственно смещается на величину d и поверхность обработки.
Оценим точность обработки коэффициентом запаса точности по ГОСТ 27.202-83 [4].
(1)
где Кс(t) – коэффициент смещения; Кр(t) –коэффициент мгновенного рассеяния.
(2)
где 
– среднее значение контролируемого параметра в момент времени t; X0 – значение параметра, соответствующее середине поля допуска.
(3)
где ω(t) – поле рассеяния контролируемого параметра в момент времени t; δ – допуск на контролируемый параметр.
В соответствии с ГОСТ 27.202-83 должно выполняться условие
Kз (t) > 0. (4)
В предельном случае отказа по точности примем, что коэффициент запаса точности Кз(t) = 0, исходя из начальной настройки станка на совмещение среднего значения размера детали с серединой поля допуска и принимая поле рассеяния размера детали не более половины поля допуска, получим
(5)
Нормы точности на станки для продольного фрезерования древесины [5, 6] допускают разноразмерность обработанных деталей в пределах 0,1…0,2 мм, следовательно, смещение d не должно превышать 25…50 мкм при односторонней обработке и 12,5…25 мкм – при двухсторонней.
Обработанная поверхность древесины расположена ниже плоскости резания на величину остаточной деформации
dост = reост, (6)
где eост – относительная остаточная деформация под поверхностью резания древесины.
Из рис. 1 найдем
(7)
(8)
где b – угол заострения; a – задний угол лезвия.
Обозначим
(9)
Обработанная поверхность при увеличении радиуса закругления от rо до rmax отклонится от первоначального положения на величину
(10)
После приведения подобных получим
(11)
где Δr – величина прироста радиуса округления; r0 – радиус округления режущей кромки остро заточенного инструмента; е – вспомогательная величина.
Из уравнения (11) получим
(12)
С другой стороны,
Δr = gDL, (13)
где gD – интенсивность изнашивания – величина затупления режущей кромки (мкм/м); L – путь резца в заготовке (м) за наработку t.
Путь резца в заготовке определяется [2]:
(14)
где n – частота вращения инструмента (мин–1); l – длина дуги контакта лезвия с древесиной (мм); t – время работы инструмента (ч).
(15)
где П – припуск на обработку или толщина срезаемого слоя (мм); D – диаметр окружности резания (мм).
После соответствующих преобразований, подставляя в полученное выражение значения всех параметров, получим выражение для наработки до степени затупления инструмента, соответствующей значению Dr [7]:
(16)
Подставляя (12) в (16), получим
(17)
При средних значениях параметров, входящих в формулу (17), получим среднюю наработку до отказа по параметру качества продукции «точность» T1 или средний период стойкости инструмента по данному критерию:
(18)
Как показали результаты проведенного нами численного эксперимента [8], наибольшее влияние на наработку до отказа оказывают такие факторы, как величина припуска, снимаемого за один проход П, и интенсивность изнашивания γΔ. Зависимость наработки до отказа от этих параметров, полученная при допускаемой величине смещения поверхности обработки 0,025 мм и приведенная на графике (рис. 2), носит обратно-пропорциональный характер.
Рис. 2. Зависимость наработки до отказа от величины припуска и интенсивности изнашивания инструмента
Результаты расчетов средней наработки до отказа по формуле (18) для станков различного назначения при интенсивности изнашивания материала инструмента γΔ = 0,001 мкм/м (инструментальная сталь), заднем угле α = 20°, угле заточки β = 60°, частоте вращения фрезы n = 6000 мин–1 приведены в табл. 1 для указанных исходных данных.
Как видно, рекомендуемому периоду стойкости инструмента [1, 2] удовлетворяет средняя наработка до отказа по критерию «точность» только при фрезеровании на рейсмусовом станке. Учитывая, что средняя наработка до отказа достигается с вероятностью около 0,5, можно предположить, что примерно половина всех изготовленных за это время деталей будет иметь размеры, не соответствующие конструкторской документации.
Таблица 1
|
Тип станка |
Обработка |
Допуск, мм |
Максимальная толщина срезаемого слоя, мм |
Диаметр окружности резания, мм |
Допускаемое смещение поверхности обработки, мм |
Средняя наработка до отказа, час |
|
Рейсмусовый |
Односторонняя |
0,15 |
3,0 |
130 |
0,075 |
12,11 |
|
Строгальный четырехсторонний |
Двухсторонняя |
0,20 |
1,5 |
130 |
0,025 |
5,71 |
Использование таких деталей может привести к повышенным перепадам толщин ламелей в собранном и склеенном «на гладкую фугу» мебельном щите, либо к превышению натяга в соединениях типа «шип – паз» или «шпунт – гребень», приводящему к невозможности сборки или к растрескиванию сопряженных деталей. Исправление бракованных деталей потребует увеличения материальных и стоимостных затрат на изготовление годных деталей, что в свою очередь чревато отказом технологической системы по параметру «затраты».
Для снижения процента брака и предотвращения необходимости исправления деталей необходимо использовать в качестве установленного периода стойкости инструмента не среднюю, а гамма-процентную наработку до отказа, например 80-процентную, которая в предположении нормального закона распределения определяется по формуле
(19)
где σt – среднее квадратическое отклонение наработки до отказа.
В общем виде среднее квадратическое отклонение наработки до отказа определяется в предположении независимости действующих факторов через дисперсию D{t}, как для функции случайных величин из следующего соотношения
(20)
где D{d}…D{ε0} – дисперсии соответствующих факторов.
Принимая для упрощения нормальное распределение наработки до отказа, а также, что весь диапазон возможных значений наработки до отказа теоретически равен удвоенному среднему значению и что верна гипотеза «трех сигм», получим значения 80-процентной наработки до отказа для деталей различного назначения, приведенные в табл. 2.
Таблица 2
|
Тип станка |
80-процентная наработка до отказа, час |
|
Рейсмусовый |
8,71 |
|
Строгальный четырехсторонний |
4,11 |
Расчеты по приведенным формулам дают результаты, близкие к значениям, полученным в ходе экспериментальных исследований [9], в то время как рекомендуемые в литературе периоды стойкости [1, 2] могут быть завышены в 2 и более раз, что может приводить к браку продукции по критерию «точность».
Вывод
Гамма-процентный период стойкости дереворежущего инструмента по критерию «точность» зависит от вида, режимов обработки: толщины срезаемого слоя, скорости резания и допуска на размер детали. Эти факторы необходимо учитывать при планировании мероприятий по техническому обслуживанию деревообрабатывающего оборудования, в частности, данная методика определения периода стойкости может быть использована при расчетах в случае жестких требований по точности обработки деталей.
Рецензенты:
Комиссаров А.П., д.т.н., профессор кафедры графики и деталей машин, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный аграрный университет» Минобрнауки России, г. Екатеринбург;
Бетенеков Н.Д., д.х.н., профессор кафедры радиохимии и прикладной экологии, ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет» Минобрнауки России, г. Екатеринбург.
Работа поступила в редакцию 30.10.2014.