employee
Perm, Perm, Russian Federation
employee
Perm, Perm, Russian Federation
Perm', Perm, Russian Federation
UDC 621.7
The article proposes a solution to the problem of creating an accelerated test method for cutting tools under the conditions of import substitution at machine-building enterprises. A new method of accelerated testing and selection of import-substituting cutting tools has been developed based on a rating assessment of the results of a multiparametric accelerated diagnosis of the physical parameters of the cutting operation. o implement the method, a comprehensive multiparametric computer center for accelerated diagnostics of the cutting operation has been developed using seven physical parameters: three components of the cutting force, vibration and acoustic vibrations, main drive power and cutting temperature. The newly developed accelerated diagnostic method makes it possible to determine the most effective cutting tool among other tools based on the initial minimum values of the physical parameters of the cutting operation within the initial break-in process time (1...5 min). The complexity of testing and material costs are reduced by 5 – 6 times. To verify the effectiveness of the new test method, a wide range of comparative studies of the effectiveness of cutting tools from domestic and foreign companies in roughing, semi-finishing and finishing turning operations for structural and stainless steels was carried out. Five well-known companies have been selected for this purpose: Sandvic Coromant (Sweden), SECO (Sweden), KZTS (Russia), Kennametal (USA), PramecHTS (Czech Republic). As a result of the application of the new technique and the analysis of the results of the rating assessment, it was found that when turning on the same cutting modes recommended by companies for steel 45, the domestic tool from KZTS can successfully replace the tool made in Sandvic Coromant (Sweden) and SECO (Sweden). When turning 30Cr13 stainless steel, KZTS tools can also successfully replace tools from KENNAMETAL (USA), SECO (Sweden) and PRAMET (Czech Republic). The practically obtained high efficiency of the new method of accelerated diagnosis and selection of the best cutting tool is shown.
accelerated testing, cutting tools, physical parameters of cutting operation, tool wear, rating assessment, computer diagnostic center
Введение
Решение проблем импортозамещения и нахождения путей и методов быстрой замены на полноценный отечественный инструмент является сегодня важной актуальной научной и практической задачей для российского машиностроения. В предлагаемой статье решение данных проблем предлагается путем применения разработанного метода испытаний и выбора импортозамещающих режущих инструментов на основе рейтинговой оценки результатов многопараметрической ускоренной диагностики физических параметров процесса резания. В основе метода лежит идентичность условий резания в ходе испытаний для режущих инструментов, рекомендуемых для применения специалистами различных фирм, по обрабатываемым материалам, режимам и условиям резания, жесткости технологической системы.
Методика проведения исследований.
В целях разработки метода испытаний и выбора импортозамещающих режущих инструментов проведен анализ известных методов и путей решения проблем выбора импортозамещающих режущих инструментов, в том числе с применением диагностики процессов резания в стране и за рубежом. Выполнено обоснование возможности проведения испытаний и выбора наиболее эффективных режущих инструментов на основе применения многопараметрической ускоренной диагностики физических параметров процесса резания, для чего в ПНИПУ на кафедре «Инновационные технологии машиностроения», совместно с фирмой ООО НПП «РОС», разработан комплексный компьютерный центр ускоренной диагностики процесса резания (рис. 1) по семи физическим параметрам процесса резания.: три составляющих силы резания, вибрационные и акустические колебания, мощность главного привода и температура резания. Стенд комплексного центра ускоренной компьютерной диагностики процесса резания с записью данных на компьютере с СПО «Камертон» включает в себя: 1 – токарно-винторезный станок; 2 – датчик стационарного контроля мощности (СКМ); 3 – динамометр с тензометрическими датчиками по трем осям (УДМ-600 или динамометрическая державка); 4 – сменная многогранная пластина (СМП); 5 – датчик вибрации ВД-03; 6 – пирометр (бесконтактный датчик температуры);
7 – измеритель шума МКУ-1; 8 – датчик фактических оборотов шпинделя; 9 – крейт (для коммутации входных сигнальных линий);
10 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 11 – плата аналоговой фильтрации; 12 – персональный компьютер.
В процессе диагностики с помощью разработанного специального программного обеспечения (СПО) записываются и обрабатываются показания датчиков и приборов на персональном компьютере, затем распечатываются на принтере. Время записи и обработки показаний приборов и датчиков с выводом результатов на персональный компьютер с помощью программы СПО составляет в среднем 40 с [7].
С применением разработанного стенда многопараметрической диагностики проведены предварительные исследования и установлены зависимости влияния интенсивности увеличения износа режущих инструментов различных фирм на изменение величин семи физических параметров процесса резания при точении стали для различных выбранных режимов резания.
В результате этих испытаний получено положительное заключение о возможности применения диагностики для ускоренной оценки и выбора более эффективных режущих инструментов и рациональных режимов резания. Программа СПО «Камертон» получила сертификат в Российском Центре сертификации и метрологии.
Типовой пример компьютерной записи, обработки программой СПО «Камертон» полученных результатов семи выходных сигналов физических параметров процесса резания и фактических оборотов шпинделя станка при точении стали 40Х на одном из сравниваемых режимах резания в течении
40 с. представлен на рис. 2 .
Для определения момента времени, необходимого для кратковременной записи устойчивых и достоверных данных физических параметров процесса резания при сравнительных исследованиях износостойкости различных режущих инструментов проведены испытания токарных режущих пластин трех известных инструментальных отечественных и зарубежных фирм по классической методике исследований, рекомендованной отечественными и зарубежными стандартами испытаний режущих твердосплавных инструментов при обработке конструкционных и нержавеющих сталей без применения СОЖ [8 – 10].
Исследование износостойкости проведены при токарной получистовой обработке заготовок из проката стали 45 (190…195 HВ) режущими твердосплавными пластинами CNMG 120408, полученных по рекомендации от официальных представителей фирм КЗТС (Россия), PRAMET (Чехия) и Sandvic Coromant (Швеция), на следующем режиме резания:
v = 300 м/мин, Sо = 0,2 мм/об, t = 1 мм. Использовалась стандартная токарная державка DCLNR 2525 M12. Износ режущих пластин по задней грани фотографировался и измерялся периодически с помощью цифрового микроскопа PSE-200 с увеличением 50× до предельного значения 0,3 мм. Одновременно на каждом участке проводилось запись и обработка с помощью СПО «Камертон» значений семи физических параметров процесса резания и фактических оборотов шпинделя универсального токарно-винторезного станка мод. GH-1640ZX (Китай). По результатам измерения износа, расчета длины пути резания и полученных значений физических параметров резания строились графики зависимостей увеличения величины износа от пройденного пути резания и графики изменения показателей всех семи физических параметров резания с ростом износа режущих пластин каждой фирмы.
В результате сравнительного анализа интенсивности нарастания износа режущих пластин и одновременной интенсивности изменения физических параметров процесса резания установлено, что в течении первых
3…5 км пути резания или 10…15 мин точения происходит полный период интенсивного нарастания и приработки износа до величины 0,05…0,1 мм для различных режущих пластин с дальнейшим более медленным нарастанием износа в период нормального износа до предельной величины 0,3 мм. В то же время для различных режущих пластин интенсивность износа отличается как в период приработки, так и период нормального износа. Наименьшая интенсивность износа получена у пластин фирмы PRAMET (Чехия), а набольшая интенсивность износа наблюдается у пластин фирмы Sandvic Coromant (Швеция). Пластины отечественной фирмы КЗТС (Россия) имеют среднюю интенсивность износа.
Одновременно при записи изменения интенсивности роста всех семи физических параметров процесса резания по мере увеличения износа инструментов можно наблюдать аналогичную картину относительного изменения этих параметров. С увеличением износа режущих пластин наблюдается интенсивный рост всех семи физических параметров процесса резания. Наименьшая интенсивность роста тангенциальной составляющей силы резания Pz получена у пластин фирмы PRAMET (Чехия), а набольшая интенсивность роста Pz также наблюдается у пластин фирмы Sandvic Coromant (Швеция). Пластины фирмы КЗТС (Россия) имеют среднюю интенсивность роста Pz.
В результате анализа результатов проведенной серии опытов и проведенных расчетов установлено, что между ростом износа и ростом величин всех измеряемых физических параметров резания существует прямая корреляционная зависимость, близкая к единице. Изменение режимов резания практически не меняет характер изменения физических параметров процесса резания при увеличении износа режущих инструментов.
В результате проведенных сравнительных исследований трех различных режущих пластин по эффективности их работы установлено, что объективно оценивать эффективность работы по двум физическим параметрам недостаточно, Например, режущие пластины отечественной фирмы КЗТС в проведенном сравнительном исследовании показали меньшие значение составляющей силы резания Рz и мощности резания, чем у пластин фирмы Sandvic Coromant (Швеция). Значения других физических параметров: составляющей силы Ру, вибрации, температуры резания оказались больше. При выборе более эффективной режущей пластины по двум физическим параметрам возможна ошибка. Необходима комплексная многопараметрическая оценка по нескольким физическим параметрам с применением рейтинговой оценки величины каждого параметра в процессе резания.
При проведении сравнительных испытаний износостойкости режущих пластин трех различных фирм по классической методике установлены значительные затраты времени, материалов и финансовых ресурсов. Так, для испытания только одной режущей пластины по одной кромке до износа 0,3 мм необходимо затратить 42 ч непрерывной работы или 6 рабочих смен двух испытателей, а для испытания
3 пластин – 126 ч непрерывной работы или 18 рабочих смен. При этом снимается около 60 км стружки объемом V = 10656,8 см3. С учетом повторения испытаний все результаты увеличиваются в 2 – 3 раза. Такие длительные трудоемкие испытания режущих инструментов можно проводить только в лабораторных условиях с применением диагностических датчиков, приборов и специального программного обеспечения обработки данных. В условиях производства изделий на предприятиях машиностроения такие испытания обычно не проводятся. Испытания новых предлагаемых режущих инструментов часто проводят на бракованных деталях с использованием тех же режимов резания, что и у применяемых на производстве режущих инструментов. Оценка работы новой режущей пластины обычно проводится визуально по обеспечению шероховатости, отсутствию дефектов поверхности, величине износа пластины. При обработке других деталей такие испытания и субъективная оценка результатов на производстве повторяются, что сдерживает изготовление продукции предприятия. Поэтому необходима разработка новых методов ускоренных испытаний режущих инструментов, основанных на достоверной объективной диагностической оценке эффективности работы режущих инструментов, особенно при оценке возможности импортозамещения.
Для решения этой задачи предлагается более внимательно рассмотреть результаты изменения физических параметров от износа инструмента на представленных графиках на различных стадиях износа. В результате анализа полученных данных испытания трех режущих пластин установлено, что уже на первых стадиях процесса приработки инструментов (60…80 с) можно хорошо заметить и записать характерные отличия в интенсивности нарастания этих параметров. Причем эти отличия в интенсивности износа сохраняются и при дальнейших испытаниях в период нормального износа. В связи с этим предлагается в качестве нового метода ускоренной многопараметрической диагностики установить возможность определения наиболее эффективного режущего инструментов среди различных рассматриваемых вариантов по первоначальным значениям измеряемых физических параметров процесса резания в начальный период времени приработки сравниваемых режущих инструментов.
Для проверки и реализации выдвинутой новой методики ускоренных испытаний и определения возможности при этом импортозамещения проведен широкий комплекс сравнительных испытаний режущих инструментов отечественных и зарубежных фирм при различных видах точения конструкционных и нержавеющих сталей.
Исследование проводилось на универсальном токарно-винторезном станке GH-1640ZX (Китай), оснащенном различными диагностическими датчиками и приборами. Для измерения силовых параметров по осям X, Y, Z использован универсальный тензометрический динамометр «УДМ-600». Для исследования вибрации резания применен пьезоэлектрический датчик «ВД-03А». Для исследования шума резания использован датчик на основе электронного микрофона ТОН-151 с электроакустическим преобразователем. Измерения шероховатости проводилось профилометром MarSurf – PS1. Для измерения мощности использовался датчик стационарного контроля мощности (СКМ), который с помощью контактных прижимов подключался в электрическую схему станка. Измерения температуры проводились с помощью бесконтактного датчика температуры – пирометра. Контроль показаний пирометра дублировался с помощью искусственной термопары. Регистрация данных всех семи физических параметров процесса резания и перевод аналоговых сигналов в цифровой вид проводились на приборе «Камертон» с обработкой данных с помощью СПО. Общий вид стенда многопараметрической цифровой диагностики физических параметров процесса резания с установленными датчиками, передающими данные для обработки на цифровой центр «Камертон», и для визуализации на персональном компьютере представлен на рис. 3.
В качестве обрабатываемых материалов с учетом широкой области применения в
машиностроении выбраны калиброванный прокат по ГОСТ 1050 и ГОСТ 1051 из конструкционной сталь 45 (твердость НВ 190-210) и нержавеющей стали 30Х13 (твердость
НВ 215- 220).
Для проведения сравнительных испытаний и определения возможности импортозамещения проведен анализ предложений наиболее известных производителей режущих пластин и выбраны пять из них: Sandvic Coromant (Швеция), SECO (Швеция), КЗТС (Россия), Kennametal (США), PrametЧТС (Чехия) [11, 12]. По рекомендации ответственных представителей от каждой фирмы получены наилучшие сменные многогранные пластины со своими параметрами геометрии, своими сплавами и своими покрытиями для чистовой, получистовой и черновой обработки стали 45 и стали 30Х13.
Условия проведения эксперимента: использовалась державка DCLNR 2525 M12 и режущие пластины всех фирм одной маркировки по ИСО CNMG 120408. Диаметр заготовок
D = 80 мм, длина рабочего хода инструмента
L = 210 мм. По рекомендациям фирм выбраны средние значения режимов резания: для чистовой обработки – Sср = 0,1 мм/об, tср = 0,5 мм,
vср = 400 м/мин; для получистовой обработки – Sср = 0,2 мм/об, tср = 1 мм, vср = 300 м/мин; для черновой обработки – Sср = 0,3 мм/об,
tср = 2,5 мм, vср = 200 м/мин.
Для определения рационального режущего инструмента предложен метод рейтинговой оценки по минимальной сумме баллов, набранных по показателям всех семи физических параметров процесса резания (Px, Py, Pz, В, Ш, N, Т). Контроль фактических оборотов шпинделя фиксировался с помощью лазерного оптического датчика оборотов в качестве восьмого параметра процесса резания.
Обсуждение результатов
По результатам анализа и обработки
записей данных физических параметров процессов резания СПО цифрового центра «Камертон» для режущих пластин различных фирм при чистовом, получистовом и черновом точении стали 45 и стали 30Х13 построены сравнительные гистограммы изменения всех семи исследуемых физических параметров, по которым проводилась рейтинговая суммарная оценка эффективности работы каждой пластинки соответствующей фирмы. Пример такого построения гистограмм для составляющих сил резания, при чистовом точении стали 45 режущими пластинами четырех инструментальных фирм представлен на рис. 4.
Результаты сравнительных экспериментальных исследований оценивались по сумме баллов, где по каждому исследуемому параметру определялось занятое место среди конкурирующих фирм и определялась общая сумма занятых мест каждой фирмой из пяти рассматриваемых при чистовом, получистовом и черновом точении. Кроме того, оценивалось и качество обработки поверхности по параметру шероховатости Ra, мкм.
Так, на рис. 6 видно, что при чистовой обработке, распределение баллов среди режущих пластин различных фирм, например, по значениям составляющей силы резания Pz, получилось следующее: пластинка PRAMET получает 1 балл, КЗТС – 2 балла, SECO – 3 балла и Sandvic Coromant – 4 балла. По значениям составляющей силы резания Pх: пластинка КЗТС получает 1 балл, PRAMET – 2 балла, SECO –
3 балла и Sandvic Coromant – 4 балла. По значениям составляющей силы резания Pу: пластинка SECO получает 1 балл, Sandvic Coromant – 2 балл, PRAMET – 3 балла и КЗТС –
4 балла. Таким образов, режущий инструмент отечественной фирмы КЗТС показал лучшие результаты по составляющим силы резания Pz и Pх по сравнению с зарубежными фирмами SECO. Но согласно новой методике решение о возможности импортозамещения инструментов этих зарубежных фирм должен решаться путем рейтинговой оценки по всем семи физическим параметрам процесса резания. Для остальных физических параметров процесса резания также построены графики и гистограммы аналогичным образом.
Общие результаты проведенных диагностических исследований сводятся в единую таблицу, где проводится расчет суммарной рейтинговой оценки эффективности работы всех исследуемых режущих пластин отечественных и зарубежных фирм при чистовой, получистовой и черновой токарной обработке стали 45 и стали 30Х13 по всем семи физическим параметрам процесса резания. В результате анализа итогов рейтинговой оценки испытуемых режущих пластин делается вывод о возможности импотозамещения для каждого вида токарной обработки конкретного обрабатываемого материала. Пример такой рейтинговой оценки результатов сравнительных испытаний режущих пластин приведен в табл. 1.
В результате анализа данных рейтинговой оценки эффективности и возможности импортозамещения режущих инструментов установлено:
1. При токарной обработке стали 45 отечественный инструмент фирмы КЗТС может успешно заменить инструмент фирмы Sandvic Coromant (Швеция) при чистовом точении. При получистовом точении возможна успешная замена пластин фирмы Sandvic Coromant (Швеция) и фирмы SECO (Швеция). При черновом точении возможна успешная замена пластин фирмы SECO (Швеция).
2. При токарной обработке нержавеющей стали 30Х13 отечественный инструмент фирмы КЗТС может успешно заменить инструмент фирмы KENNAMETAL(США) и SECO (Швеция) при получистовой обработке. При черновой обработке возможна успешная замена пластин фирмы Sandvic Coromant (Швеция) и фирмы PRAMET (Чехия).
Заключение
- Вопросы ускоренных испытаний и выбора режущих инструментов с целью определения возможности импортозамещения сегодня весьма актуальны.
- Для решения этой проблемы проведен широкий комплекс сравнительных испытаний режущих инструментов отечественных и зарубежных фирм при различных видах точения конструкционных и нержавеющих сталей с применением специально разработанного многопараметрического центра цифровой ускоренной диагностики семи физических параметров процесса резания.
- В результате проведенных испытаний установлено, что между ростом износа инструментов и ростом величин всех измеряемых семи физических параметров резания существует прямолинейная корреляционная зависимость близкая к единице.
- Установлено, что интенсивность износа у режущих пластин различных фирм в период приработки пластин и в период нормального износа различная. Это связано со структурными особенностями материалов твердого сплава конкретной фирмы, конструктивными особенностями геометрии режущей части и различными покрытиями контактных поверхностей пластин у различных фирм.
- Известно , что период приработки режущего инструмента определяет начальную точку и характер дальнейшего нарастания износа в период нормального износа. В связи с этим установлено, что при сравнительных испытаниях различных режущих инструментов большему износу в период приработки конкретного инструмента соответствует и больший износ в период нормального износа. Следовательно, для сокращения времени испытаний достаточно проводить краткосрочные сравнительные диагностические испытания режущих инструментов в период приработки.
- Определена возможность ускоренного выбора рационального режущего инструмента по первоначальным минимальным значениям измеряемых физических параметров процесса резания в начальный период приработки режущего инструмента (1…5 мин).
- На основании проведенных экспериментальных исследований разработан новый метод ускоренных сравнительных испытаний отечественных и импортных режущих инструментов и определения возможности импортозамещения на основе сравнительной рейтинговой оценки полученных показателей всех семи параметров резания в начальный период приработки режущего инструмента.
- Новый метод ускоренных испытаний проверен при проведении сравнительных испытаний режущих токарных пластин наиболее известных производителей инструментов: Sandvic Coromant (Швеция), SECO (Швеция), КЗТС (Россия), Kennametal (США), PrametЧТС (Чехия).
- В результате испытаний установлено, что при токарной обработке стали 45 отечественный инструмент фирмы КЗТС может успешно заменить инструмент фирмы Sandvic Coromant (Швеция) при чистовом точении. При получистовом точении возможна успешная замена пластин фирмы Sandvic Coromant (Швеция) и фирмы SECO (Швеция). При черновом точении возможна успешная замена пластин фирмы SECO (Швеция).
- При токарной обработке нержавеющей стали 30Х13 отечественный инструмент фирмы КЗТС может успешно заменить инструмент фирмы KENNAMETAL(США) и SECO (Швеция) при получистовой обработке. При черновой обработке возможна успешная замена пластин фирмы Sandvic Coromant (Швеция) и фирмы PRAMET (Чехия).
- Эффективность нового метода ускоренной диагностики и выбора лучшего режущего инструмента заключается в следующем: сокращается в 5 – 6 раз время проведения сравнительных испытаний и выбора режущего инструмента (время испытаний 1 пластины по классической методике ≈ 42 ч, время испытаний 1 пластины по новой методике ≈ 8 ч), сокращаются затраты на проведение испытаний и расход дорогостоящих материалов, повышается производительность выполнения исследовательских работ и ускоряется внедрения процессов импортозамещения режущих инструментов на машиностроительных предприятиях.
13. Разработанные рекомендации по применению нового метода ускоренных испытаний переданы на ряд машиностроительных предприятий для внедрения при проведении импортозамещения режущих инструментов.
1. Volosova M.A., Maslov A.R. A study of the wear resistance of end carbide cutters with nanocoating // Journal of metalworking «Shavings». 2012. No. 30. pp. 16–21
2. Semenchenko D.I., Meshcheryakov A.I., Andreev V.I. Standard programs and methods of state tests of cutting tools. Moscow: VNIITEMR. 1988. 31 p.
3. Latypov R.R., Postnov V.V., Khadiullin S.H. Methods for diagnosing the state of the cutting tool in machining systems: textbook for universities. Ufa: UGATU. 2009. 96 p.
4. Mikhailov S.V., Fomenko R.N., Timofeev M.V. The dynamometer system for express testing of tools cutting capacity // Handbook. Engineering magazine. 2015. No. 1. pp. 34–40.
5. Andreev V.N., Borovsky G.V., Balkov V.P. Method of accelerated comparative tests of carbide end mills // Bulletin of MSTU «Stankin». 2015. No. 4 (35). pp. 59–62.
6. Andreev V.N., Borovsky G.V., Balkov V.P. Method of accelerated comparative tests of monolithic carbide drills // Stankoinstument magazine. 2016. No. 2. pp. 60–65.
7. Makarov V.F., Abzaev R.S., Istomin M.I. Computer center for diagnostics of the cutting process on CNC machines // Handbook. Engineering magazine. 2013. No. 6 (195). pp. 16–21.
8. ISO 3685 1993 - Durability testing of tools using single-point lathes. International Organization for Standardization, Case Postale 56. CH-1211. Geneva, 20. Switzerland. P. 8.
9. GOST (State Standard) 5688-2015 Cutters with carbide plates. Technical specifications. Moscow: Standartinform. 2020. 13 p.
10. GOST (State Standard) 26613-2016 Turning tools with mechanical fastening of replaceable polyhedral plates. Technical specifications. Moscow: Standartinform. 2017. 11 p.
11. Makarov V.F., Pesin M.V., Abzaev R.S. Solving the problem of cutting tools imports phase-out based on boosted physical parameters diagnostics of the cutting operation // Science-intensive technologies in mechanical engineering. 2022. No. 9 (135). pp. 26–37.
12. Makarov V.F., Pesin M.V., Abzaev R.S. Comparative studies of domestic and imported instruments for the purpose of import substitution // Machine tool industry. 2022. No. 4 (29). pp. 20–29.
