МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ“

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Клименко Галина Петрівна

УДК 621.9.02:658.562

ОСНОВИ РАЦІОНАЛЬНОЇ ЕКСПЛУАТАЦІЇ РІЗАЛЬНОГО ІНСТРУМЕНТУ НА ВАЖКИХ ВЕРСТАТАХ

Спеціальність 05.03.01 - Процеси механічної обробки,

верстати та інструменти

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Металорізальні верстати та інструменти”

Донбаської державної машинобудівної академії Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Равська Наталія Сергійовна, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри “Інструментальне виробництво”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, Гавриш Анатолій Павлович.

Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, професор кафедри „Технологія машинобудування”

доктор технічних наук, професор, Залога Вільям Олександрович.

Сумський державний університет, завідувач кафедри „Металорізальні верстати та інструменти”

доктор технічних наук, Доброскок Володимир Ленінмирович .

Національний технічний університет „Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри „Різання матеріалів та різальні інструменти”

Провідна установа: Запорізький національний технічний університет, Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться “ 20 ” січня 2003 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.11 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 01056, м. Київ, проспект Перемоги 37, корпус 1, ауд. № 214

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 01056, м. Київ, проспект Перемоги 37.

Автореферат розісланий “18” грудня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради Д26.002.11

доктор технічних наук, доцент Майборода В.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення ефективності металообробки, упровадження ресурсозберігаючих технологій у машинобудуванні, підвищення якості і конкурентноздатності продукції неможливо без розробки науково - обґрунтованих регламентів експлуатації різальних інструментів, що істотно впливають на умови праці і техніко-економічні показники машинобудування. Тепер в Україні здійснюється впровадження міжнародних стандартів ISO 9000 версії 2000 року, що регламентують розробку систем керування якістю продуктів і процесів, розробку стандартів і нормативних матеріалів. У зв'язку з цим особливе значення набувають питання сертифікації виробничих процесів, зокрема , процесів експлуатації різального інструменту, визначення науково - обґрунтованих режимів різання, норм видатку та інших регламентів експлуатації інструменту.

Рішення зазначених задач особливо важливе при використанні різальних інструментів на важких верстатах, вартість яких велика, що визначає необхідність скорочення часу їх простоїв і організації раціональної експлуатації інструменту. Велике розсіювання параметрів обробки на важких верстатах, різноманіття чинників, що впливають на процес експлуатації, потребують комплексного підходу до визначення керуючих параметрів процесу експлуатації інструменту, методика якого потребує розробки.

Встановлення взаємозв'язків між сукупністю параметрів, що визначають вибір раціональних регламентів експлуатації різального інструменту неможливо без розробки системи його експлуатації і без створення методології формування інформаційної системи як основи вибору регламентів роботи інструменту.

Регламенти експлуатації різального інструменту того або іншого верстату є невід'ємною його частиною при постачанні споживачу та багато в чому визначають конкурентноздатність устаткування. Від них залежать характер протікання процесу різання, забезпечення надійності роботи як інструменту, так і всієї технологічної системи в цілому, витрати на обробку, продуктивність і інші характеристики. За рахунок вибору і зміни регламентів можна управляти якістю експлуатації інструменту, досягаючи заданих результатів без додаткових витрат.

Тому розробка системи експлуатації різального інструменту, оцінка якості процесу експлуатації на основі кваліметричного підходу, розробка нормативів параметрів експлуатації різального інструменту, є актуальною народногосподарською проблемою, вирішення якої забезпечить зниження витрат, підвищення продуктивності і надійності технологічної системи, зниження видатку інструменту при обробці деталей на важких верстатах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалася відповідно перспективному плану науково дослідницьких робіт Донбаської державної машинобудівної академії (державна реєстрація №№ 0193V0314585, 0194V015519, 0196V023530, 0196V015981, 0197V008992, 0198V009089, 0100V001546, 0101V001745) виконується по Програмі досліджень ДКНТ, України “ Ресурсозберігаючі технології”, відповідно до Державної науково-технічної програми Міністерства України по справах науки і технології по напрямку 4.3 “Підвищення надійності і довговічності конструкцій”, відповідно програмі “Створення нормативної бази праці на 1997-2000 р .м.”, розробленої з доручення Кабінету Міністрів України від 20 жовтня 1996 року, №21558/17 і затвердженого Міністерством праці і соціальної політики України, і тепер у відповідності з Державною науково-технічною програмою Міністерства освіти і науки України по напрямку 4 “Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології”, а також у рамках науково-дослідних робіт, в основу яких покладені проблеми і задачі, пов'язані з раціональною експлуатацією інструменту, поставлені верстатобудівними і машинобудівними заводами України.

Мета роботи. Підвищення ефективності використання різального інструменту на важких верстатах шляхом розробки системи управління якістю процесу його експлуатації на підставі визначення раціональних регламентів експлуатації і розробки загальномашинобудівних нормативів різання.

Для досягнення поставленої мети вирішені такі задачі:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Об'єктом дослідження є процес експлуатації різального інструменту на важких верстатах.

Предмет дослідження - твердосплавний інструмент для напівчистового і чорнового точіння на важких токарних верстатах.

Методологія і методи досліджень

Методологічною основою роботи є комплексний підхід до вивчення процесу експлуатації інструменту, його умов і особливостей, закономірностей процесів.

Теоретичні дослідження базуються на основні положення теорії різання матеріалів, теорії проектування різального інструменту, кваліметрії, теорій надійності, досліджень операцій, прийняття рішень, теорії імовірності і математичної статистики.

Експериментальні дослідження базуються на теоріях регресивного і кореляційного аналізів, математичної статистики з використання методик форсованих, прискорених, тривалих іспитів, моментних спостережень, інформаційних банків, евристичних методів.

Робота виконувалася за допомогою сучасних засобів обчислювальної техніки, використовувалися рентгеноструктурний аналіз, методи акустичної емісії, зміцнення, нанесення зносостійких покриттів і інші фізичні методи.

Наукова новизна роботи

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Практична цінність роботи

Проведено теоретичне узагальнення і вирішена проблема створення теорії раціональної експлуатації інструменту на важких верстатах. Запропоновані математичні моделі вихідних залежностей і цільових функцій для оптимізації параметрів експлуатації інструментів: режимів різання, видатку, рівня надійності, періоду заміни інструменту.

Застосовувані методичні підходи, запропоновані в роботі, дають можливість на основі апріорної інформації вибрати необхідні параметри і провести оптимізацію процесу експлуатації інструменту, проявити резерви підвищення його якості, скорочення видатку інструменту.

Сформульовані принципи побудови нормативів дозволяють розробити рекомендації на вибір регламентів експлуатації інструментів для найбільше поширених умов їхньої експлуатації, що можуть бути уточнені згодом за допомогою прецедентів банку інформації. Розроблена методика визначення видатку інструменту з урахуванням імовірнісного характеру його зміни.

Реалізація результатів роботи

На підставі результатів досліджень дійсної роботи розроблені і впроваджені у виробництво методика оцінки якості експлуатації інструменту, загальномашинобудівні нормативи режимів різання і норми видатку інструменту для гостріння, фрезерування, подовжнього стругання. Фактичний економічний ефект від результатів упровадження роботи НВО “Більшовик” складає 840000 грн.

Розроблені і впроваджені комплексні нормувальні карти і програмні продукти для вибору регламентів експлуатації важких верстатів, що випускаються ВАТ КРАМАТОРСЬКИЙ завод важкого верстатобудування, що укомплектовані верстати, при постачанні їхньому споживачу. Економічний ефект від упровадження їх у розрахунку на 1 верстат складає 240000 грн.

Результати роботи впроваджені також у 10 різноманітних виданнях загальномашинобудівних нормативів різання який пройшли промислову апробацію і затверджені Міністерством Праці і соціальної політики України і рекомендовані для використання на всіх машинобудівних підприємствах України.

Основи теорії раціональної експлуатації інструменту використовується в лекціях, практичному заняттях, курсовому і дипломному проектуванні в ДДМА.

Особистий внесок здобувача в одержанні наукових результатів.

Всі наукові результати отримані здобувачем самостійно. Здобувач здійснив наукове обґрунтування розробок в області машинобудування, що забезпечує рішення важливої прикладної проблеми - підвищення ефективності використання різального інструменту на важких верстатах за рахунок забезпечення якості процесу і його експлуатації шляхом розробки раціональних регламентів експлуатації інструментів.

Постановка задач і аналіз наукових результатів виконані разом із науковим консультантом і частково з авторами публікацій.

Апробація роботи

Основні положення і результати роботи доповідалися та обговорювалися на більш ніж 40 наукових конференціях та семінарах, у тому числі на міжнародних: у Москві (“Пути повышения эффективности режущего инструмента” - 1982, 1984, 1991), у Києві (“ Ресурсозберігаючі технології у механоскладальному виробництві” - 1990, 1994; “Технологічні методи підвищення ефективності і якості механоскладального виробництва” - 1992, 1993; “Технологія ремонту машин і механізмів ” - 1994, “Технологічне забезпечення працездатності деталей машин і механізмів” - 1997), у Краматорську (Надійність різального інструменту - 1984, 1991, 1995, 1997,1999,2001), у Севастополі - Донецьку (Машиностроение и техносфера на рубеже ХХI века 1994, 1995, 1996, 1997, 1999), у Сумах (“Сучасні технології машинобудування” - 1995, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001 ), у Львові (“Міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові” - 1993, 1995, 1997, 1999) , у Луганську (“Автоматизація проектування і виробництва виробів у машинобудуванні” - 1996), у Харкові (“Високі технології в машинобудуванні. Інтерпартнер” - 1995, 1996, 1997, 1998,1999, 2000, 2001), у Севастополі - Києві ( “Прогресивна техніка і технологія машинобудування” - 2001, 2002).

Результати дисертації опубліковані в 82 роботах, у тому числі 10 монографіях (загальномашинобудівних нормативах), 58 статтях, у тому числі 39- у спеціалізованих виданнях, 27 - без співавторів.

Структура та обсяг роботи . Дисертаційна робота складається з вступу, 8 розділів основної частини, висновків, списку використаних джерел – 278 найменувань (26 стор.) та 8 додатків. Містить 318 сторінок, у тому числі 90 рисунків, 25 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначається наукова новизна, теоретична і практична цінність отриманих результатів досліджень і приводиться її анотація.

У першому розділі виконаний детальний аналіз проведених досліджень експлуатації різальних інструментів, оцінки показників їхньої надійності, методів визначення раціональних режимів різання і видатку інструменту, створення нормативів різання. Окремими проблемами експлуатації різальних інструментів займалися дослідники, що внесли великий внесок у розвиток теорії різання матеріалів, проектування різальних інструментів, формоутворення технологічних систем. До них відносяться: Адам Я.І., Бобров В.Ф., Верещака А.С., Внуков Ю.М., Гавриш А.П., Грабченко А.І., Грановський Г.І., Дрожжин В.І., Зинов'єв М.І., Зорєв М.М., Кабалдін Ю.Г., Карпусь В.Е., Карюк Г.М., Клушин М.І., Кузнєцов Ю.М., Лоладзе Т.М., Макаров В.Д., Новіков М.В., Новосьолов Ю.К., Остаф’єв В.О., Перепелиця Б.О., Подураев В.М., Равська Н.С., Родін П.Р., Розенберг О.О., Старков В.К., Струтинський В.Б., Темчин Г.І., Тимофєєв Ю.В., Узунян М.Д., Хает Г.Л., Етін А.О., Якубов Ф.Я. та ін. оботи зі створення системи процесу різання проводили Подураев В.М., Равська Н.С., Старков В.К., Остафьєв В.О., Клушин М.І., Залога В.О. та ін.

Але існуючі роботи розглядали окремі аспекти експлуатації інструментів, які стосувалися середніх верстатів та не досліджували комплексно весь процес. У роботі показано, що в результаті переходу до ринкових умов роботи машинобудівних підприємств декілька змінилися умови експлуатації різального інструменту на важких верстатах. Закордонні і вітчизняні джерела літератури свідчать об усе зростаючий інтерес до оцінки якості різних виробничих процесів. Проте, системних досліджень якості процесу експлуатації інструменту, що дозволяють врахувати все різноманіття чинників і їхніх зв'язків, що впливають на керуючі параметри, у літературі немає. Існуючі тепер в Україні нормативи режимів різання дають дуже суперечливі рекомендації, не враховують сучасні оброблювані й інструментальні матеріали, не враховують конструкції різальних інструментів і їх надійності, не містять повною мірою математичних моделей, що дозволяють застосування ЕОМ для визначення режимів різання на важких верстатах. Дослідження надійності інструменту обмежувалося експлуатаційними іспитами їхньої безвідмовності. Застосування інструментів збірних конструкцій потребує розробки нових математичних моделей з урахуванням комплексних показників надійності. Видатки різального інструменту розраховуються без урахування імовірнісного характеру його експлуатації, без урахування конструкції інструменту і режимів різання. Статистичні дослідження параметрів обробки деталей на важких верстатах дозволило встановити найбільш поширені умови експлуатації інструменту. У роботі показано, що 70% операцій, що виконуються на чорнових важких токарних верстатах, складає повздовжнє обточування деталей твердосплавним інструментом. Всі параметри експлуатації інструменту на важких верстатах мають велике розсіювання, що підтверджує необхідність розгляду стохастичного характеру процесу експлуатації інструменту. Всі ці чинники і визначили основні задачі наукового дослідження.

У другому розділі викладені основні методичні аспекти роботи та розроблені принципи побудови системи керування якістю процесу експлуатації різального інструменту на важких верстатах.

На основі використання принципів міжнародного стандарту ISO 9000: 2000 створена модель системи якості процесу експлуатації інструментів на важких верстатах. При побудові структури системи (рис. 1) експлуатація інструменту вперше розглядається як сукупність процесів: організаційного, керування ресурсами, обслуговування технологічної системи, підготовчо-інформаційного, процесу обробки деталей і процесу забезпечення зворотного зв'язку (оцінки, аналізу, удосконалення).

Під раціональною експлуатацією різального інструмента розуміється такий процес його використання, при якому, поряд із високою продуктивністю і мінімальними витратами, досягається можливо менший видаток інструменту при заданому рівні його надійності і психофізичного навантаження на верстатника.

Для кількісної оцінки якості процесу експлуатації використано кваліметрічний підхід. Розроблена ієрархічна структура властивостей, що складають якість експлуатації інструменту (рис. 2), містить властивості призначення, що характеризуються цільовими ункціями для багатокритеріальної оптимізації якості процесу експлуатації різального інструменту. Вони являють собою вектор критеріїв керування якістю процесу (цифра позначає рівень розгляду)

Оцінка якості визначається:, де - оцінка комплексної i - властивості на j - рівні розгляду; - виробничі показники якості та еталоні (базові) . Рівень якості експлуатації (який розглянуто на j+1 рівні ) визначається:, где - вагомість i- властивості на j-м рівні розгляду. Показники рівнів властивостей визначалися на основі анкетного опитуванння, моментних спостережень, тривалих статистичних досліджень, лабораторних експериментів.Базовими показниками прийняті рекомендації нормативів, стандартів, інших регламентуючих документів. Експертна оцінка властивостей, що характеризують якість експлуатації, дозволила виявити з них найбільш важливі, що враховувалися при розробці інформаційно-підготовчої підсистеми раціональної експлуатації інструменту (рис.3).

Статистичні дослідження якості експлуатації інструментів проводилися на основі інформаційного банку даних, що нараховує більше 5000 випадків обробки деталей на важких верстатах, зібраних на заводах різних галузей машинобудування.

Для теоретичних досліджень якості експлуатації розроблені методика і програмне забезпечення для ЕОМ із використанням теорії кваліметрії, а також методики експертної оцінки якості експлуатації інструменту.

Для вибору конструкції інструменту з інформаційного банку конструкцій запропоновано використовувати методику кластерного аналізу, яка розроблена на базі прикладної математичної статистики з використанням ЕОМ (пакет програм Statistica 05). Проблема аналізу областей експлуатації збірних різців полягає в тому, щоб всю аналізовану сукупність збірних різців (i = 1,n), статистично подану у виді матриці Х, розбити на порівняно невелике число однорідних класів. Область раціональної експлуатації збірних різців інтерпретована у виді точок у просторі подача S- глибина різання t. Якщо вихідні дані уявити у виді матриці (Х), то ці точки будуть бути безпосереднім геометричним зображенням двомірних спостережень,... у просторі з координатними вісями. При конструюванні кластер–процедури вимірюються близькості двох груп областей, а також відстані між цілими групами об'єктів. Узагальнена (по Колмогорову) К-відстань між класами обчислюється за формулою.

При формуванні кластерів використана агломеративна ієрархічна кластер-процедура. Конструкції інструментів із банку об'єднуються в класи, які характеризуються областю регламентів їх раціональної експлуатації.

Експлуатаційні і лабораторні випробування проводилися твердосплавними інструментами марок ВК8, Т5К10, Т15К6 із зносостійкими покриттями, із вібраційною обробкою й іонною імплантацією. Для контролю якості покриттів використовувався метод акустичної емісії. Використовувалися оброблювані матеріали, що частіше зустрічаються у важкому машинобудуванні: сталі 45, 40Х, ШХ15СГ, 12Х18Н9Т, 9ХС. Всі матеріали були виготовлені у відповідності зі стандартними технологіями заготівельного виробництва і порошкової металургії.

Для оцінки механічних властивостей досліджуваних сталей проводилися механічні випробування зразків у відповідності зі стандартами TGL0-50125 при статичному навантаженні за методикою, регламентованою стандартами (ДСТУ 1497-73). Дослідження експлуатаційної міцності конструкцій із метою визначення поправочних коефіцієнтів на подачу, що залежать від типу конструкції, проводилися відповідно методиці східчасто -зростаючої подачі.

У третьому розділі наведені дослідження з вибору конструктивних параметрів і контролю якості різального інструменту для важких верстатів. Принциповою відміною запропонованого методу визначення конструктивних параметрів інструменту є урахування стохастичного характеру навантаження інструменту та його навантажувальної спроможності. Запропоновано імовірнісний підхід до визначення товщини різальної пластини, реалізація якого на базі теорії надійності дозволила встановити, що товщина пластини може змінюватися до 5 раз в залежності від потрібного рівня надійності інструменту.

У основу розрахунків конструкцій, як правило, закладаються середні значення навантажень на інструмент без урахування ступеня їх розсіювання. Особливістю експлуатації твердосплавного інструменту на важких верстатах є велика частка руйнацій різальної частини (до 75 %).

Розподіл фактичних режимів різання на важких верстатах наведено на рис. 4. Встановлено, що коефіцієнти варіації параметрів експлуатації інструментів, коливаються в широких межах (0,32-1,2). Статистична обробка даних сил різання при точінні твердосплавним інструментом показала, що їх розподіл підлягає логарифмічно нормальному закону.

Розрахунок напруженого стану пластини твердого сплаву різця важкого токарного верстату методом кінцевих елементів показав, що еквівалентні напруги в пластині, що виникають від дії стохастичних сил різання, значно відрізняються (до 10 раз) від їх середніх значень. У роботі доведено, що стохастичний характер має не тільки зовнішнє навантаження на інструмент, а і його навантажувальної спроможності, яка оцінювалась за допомогою випробувань методом східчасто – зростаючої подачі визначалися розподіли сил різання і руйнувальної подачі. Встановлено, що для найбільш поширено використовуваних конструкцій різців закони розподілу сил різання, відповідних руйнувальним поачам, не заперечують нормальному, логнормальному та закону Вейбула-Гнеденко. У зв'язку з цим, для підвищення стабільності властивостей інструменту, зменшення руйнацій при обробці деталей на важких верстатах виникає необхідність урахування розсіювання як зовнішніх навантажень, так і властивостей самого інструменту при виборі його конструктивних параметрів, зокрема, розмірів різальної пластини, збільшення яких істотно підвищує міцність інструменту.

Запропонована методика для урахування випадкового характеру навантажень та умов експлуатації, згідно з якою різець розглядається як пружна система. Залежність максимальних напруг S від навантаження q: S=Kq, де K - коефіцієнт, що залежить від розмірів поперечних перетинів різця або різальної пластини та способу її закріплення. Під мірою надійності розуміється імовірність того, що максимальна напруга, що виникає під дією навантаження, не перевищує навантажувальної спроможності: H=P(R>S), де Н – надійність (імовірність безвідмовної роботи інструменту), Р- імовірність події, R - навантажувальна спроможність конструкції, S - чинна максимальна напруга.

Закон розподілу максимальних напруг, що діють у конструкції різця -, закон розподілу випадкового навантаження q - відомі, навантажувальна спроможність конструкції різця має закон розподілу. Розміри поперечного перетину конструкції визначаються для заданого рівня її надійності (імовірності безвідмовної роботи): = . Підставляючи відомі й, проінтегрувавши з урахуванням заданого рівня надійності Нзад, одержимо залежність: К=(а1, а2,... , аn,Нзад), де а1, а2,... , аn- відомі заздалегідь параметри законів розподілу навантаження і вантажної спроможності. Знаючи К, легко виявити розміри поперечного перетину різця або різальної пластини. Такий підхід застосовується при проектуванні конструкції заданої надійності по жорсткості. У цьому випадку під мірою надійності розуміється імовірність того, що максимальне переміщення W не перевищить заданого, , W=K*q. Узявши інтеграл з урахуванням рівності Н=Нзад, одержимо залежність для визначення К*=f(a1*, a2*,... an*, Нзад), де a1*, a2*,... an* - параметри законів розподілу навантаження. Якщо розподіл навантаження і вантажної спроможністі підпорядковується нормальному закону, щільність розподілів визначається:,. Розподіл напруги в різальній пластині визначається по правилах знаходження законів розподілу функції випадкового аргументу. Рівень надійності визначається:, де - табульована нормальна функція розподілу. Для заданого рівня Н знаходимо відповідне йому значення х. У цьому випадку. Розв'язавши це рівняння щодо К, одержимо:, де, - коефіцієнти варіації відповідно навантажувальної спроможності і навантаження. Знаючи К, прийнявши визначену схему навантаження пластини, легко виявити її товщину при заданій довжині і ширині. При проектуванні конструкції заданої надійності по жорсткості для випадку нормального розподілу навантаження одержано , де Wзад - задане максимальне переміщення пластини під час роботи збірного різця.

Для логарифмічно нормального закону розподілу навантаження також доведено, що вид закону розподілу напруги S не змінюється, якщо прийняти лінійну залежність його від навантаження Отримана залежність:

, де і - коефіцієнти варіації випадкових розмірів сили різання Pz і сили Pzp, що відповідає руйнувальній подачі.

При розподілі навантаження і вантажної спроможності відповідно до закону Вейбула-Гнеденко щільності розподілів дорівнюють :

Рівень надійності дорівнює:

Для окремого випадку законів розподілу Вейбула - Гнеденко навантаження і вантажної спроможності, коли b = b1= b2 . На рис. 5 показаний графік залежності відношення розмірів h / h* від надійності при різних законах розподілу навантаження і навантажувальної спроможності конструкції інструменту для випадків різного рівня розсіювання параметрів. Аналіз показує, що чим вище необхідний рівень надійності, тим значніше відрізняються розрахункові параметри.

Встановлено, що при збільшенні коефіцієнту варіації від 0,1 до 0,4 розмір пластини змінюється в декілька разів. Отримані співвідношення використані як поправочні коефіцієнти на товщину пластини, що враховують необхідний рівень надійності.

Для організації вхідного контролю якості інструменту застосована система випробувань. Розроблений метод контролю якості інструменту, заснований на застосуванні обробки імпульсним магнітним полем (патент 70077А UA, 6C21 D6/04), що дозволяє не тільки здійснювати вхідний контроль якості твердосплавних різців, але й підвищувати надійність інструментів низької якості. Показано, що контроль якості різального інструменту і процесу його експлуатації необхідно здійснювати як на початку процесу (вхідний контроль), так і в продовженні його. Розроблено зразок паспорта збірного різця, упровадження якого дозволяє організувати зворотний зв'язок із виробництвом для контролю і керування якістю процесу експлуатації.

У четвертому розділі зроблене дослідження надійності обслуговування технологічної системи і різального інструменту при його експлуатації на важких верстатах. Розроблені математичні моделі по визначенню раціонального рівня надійності технологічної системи і збірних різців за критеріями інтенсивності витрат і функції готовності системи, оптимізовані стратегії заміни інструменту, розроблена система показників для комплексної оцінки надійності процесу експлуатації, які використовуються для моделювання процесу обслуговування системи та керування якістю процесу експлуатації інструменту.

Дослідженнями особливостей експлуатації інструменту доведено, що поряд з підвищенням середніх навантажень на різальний інструмент, пов’язаних зі значними перетинами зрізу, при механообробці спостерігається також велика кількість збуджуючих факторів, пов’язаних з розсіюванням параметрів експлуатації та властивостей інструментів. В зв’язку з цим, одним із критеріїв для визначення якості процесу експлуатації інструменту прийнято його надійність, для оцінки якої запропонована система показників (рис. 6). При статистичному аналізі надійності технологічної системи, показано, що на частку простоїв, пов'язаних з обслуговуванням різального інструменту, припадає 8-9 % усього часу роботи системи та 25-27% часу припадає на стан, у якому система непрацездатна. Встановлено, що розподіли сумарного часу відновлення працездатності системи і наробітку на відмову не суперечить експоненційному закону G(t)=1-e-t, F(t)=1-e-t, де і - інтенсивність відповідно відновлення і відмов інструменту.

На важких токарних верстатах часто працює два супорти в режимах як послідовного так і паралельного поєднання з точки зору надійності. Верстат обслуговується двома верстатниками, робота яких здійснюється в режимах незалежного або сумісного обслуговування. Матриця переходів з одного стану системи в інший для випадку та її незалежного обслуговування:

де

Коефіцієнт готовності системи при її незалежному обслуговуванні двома верстатниками:. При спільному обслуговуванні системи матриця переходів :. Коефіцієнт готовності:.

При спільному обслуговуванні системи двома верстатниками коефіцієнт готовності системи значно підвищується в порівнянні з незалежним обслуговуванням. Розрахунками доведено, що підсумковий простій технологічної системи зменшується на 45%. У загальному випадку, коли є n різальних інструментів і r верстатників, імовірності працездатного стану системи (k<r), (kr) та, де.

Отримані математичні моделі використані для статистичного моделювання обслуговування технологічної системи. Для аналізу раціональних стратегій замін різального інструменту із забезпеченням визначеного рівня надійності технологічної системи процес заміни інструменту розглядався як оптимальне динамічне планування профілактичних замін. У роботі розглянуто 5 різних стратегій заміни інструментів і зроблено аналіз раціональних умов їх використання. Критеріями оптимальності до вибору стратегій прийняті: середні витрати на відновлення в одиницю часу (інтенсивність витрат на відновлення) і коефіцієнт готовності. Порівняння цих критеріїв із відповідними критеріями для стратегії аварійних замін дозволяє оцінити ефективність стратегій відновлення.

Якщо аварійне і профілактичне відновлення потребують часу, і,0, коефіцієнт готовності системи задається у вигляді:,

де - імовірність відповідно безвідмовної роботи та відмов(функція розподілу). Інтенсивність експлуатаційних витрат, де Са та Сn - середні витрати на аварійне та профілактичне відновлення відповідно.

Стратегія 1. Система відновляється після відмови (аварійна заміна інструменту). Якщо вона проробила заданий інтервал часу ф , здійснюється профілактична заміна. При зростанні ? середнє число аварійних відновлень монотонно зростає, а середнє число профілактик монотонно убуває. Відшукується . інтервал відновлення ф *, що має властивість, де ф* знаходиться рішенням рівняння d(ф)/dt=0. Для закону розподілу Вейбула-Гніденко рішення знайдено чисельними методами (рис. 7, 8).. Для С>0.27 із погляду витрат вигідна стратегія аварійних замін. На інтервалі 0,05<С<0.27 найменша інтенсивність експлуатаційних витрат при K(ф) = 0,92. На практиці малі значення С бувають тоді, коли в Са крім чистих витрат на відновлення , включена вартість ушкоджень, пов’язаних із відмовами інструменту (наприклад, з вирубкою твердого сплаву з великої та коштовної деталі при руйнації інструменту на важкому верстаті).

Стратегія 2. При відмові інструменту здійснюється аварійна його заміна. Але у фіксовані моменти часу ф , 2 ф.. . планомірно проводять профілактичну заміну. Недолік стратегії 2 полягає в тому, що іноді профілактичному відновленню підлягають працездатні інструменти. На рис. 9 приведене порівняння ефективності двох стратегій для співвідношення витрат La на аварійну. і Lп - профілактичну заміну - L= Lп / La. При заданому L(C) є таке однозначно визначене значення L, при якому. Оптимальною є стратегія 1, якщо L > L (С). При L < L (С) необхідно вибрати стратегію 2.

Стратегія 3. У моменти ф , 2 ф проводяться повні заміни інструментів. Відмови в проміжках між ними виправляються за допомогою мінімального відновлення (оберт або заміна різальної пластини різця). Витрати на повне відновлення -Сv. а на мінімальне - Сm. Інтенсивність виробничих витрат , де - накопичена інтенсивність відмов за інтервал часу 0-t. Оптимальний інтервал відновлення ф*, якщо наробіток технологічної системи має розподіл Вейбула-Гніденко з параметрами а та b, . Мінімальна інтенсивність виробничих витрат . Залежність * від Cv/Cm для параметрів закону b=2 та b=3 (* нормується на параметр закону а) представлена на рис. 10. Якщо час мінімального відновлення dm і час повного відновлення dv, коефіцієнт готовності системи :, максимизация якого дозволяє визначити період заміни інструменту , що забезпечує максимальну надійність технологічної системи.

Стратегія 4. Система відновляється після першої відмови через період ? після попереднього повного відновлення. Проміжні відмови усуваються мінімальним відновленням. При цьому витрати на повне відновлення системи Сv у цілому вище для стратегії 4, чим для стратегії 3 , тому що моменти проведення повних відновлень є випадковими, навіть якщо тривалості відновлень малі. Інтенсивність експлуатаційних витрат , де r()- розмір збільшення довжини циклу при стратегії 4 в порівнянні зі стратегією 3 заміни різального інструменту. Оптимальний інтервал відновлення є рішенням рівняння . Інтенсивність експлуатаційних витрат при часі відновлення * .

Стратегія 5. Перші n-1 відмов усуваються за допомогою мінімального відновлення. Після n-ї відмови система відновляється цілком.

Довжина циклу (період заміни) дорівнює часу Хn до n-ї відмови Інтенсивність експлуатаційних витрат . На відміну від інших стратегій R(n) залежить не від безперервної, а від дискретної перемінної - від числа відмов на інтервалі між двома послідовними відновленнями (рис.11).

У випадку розподілу наробітку на відмову системи Вейбула-Гнеденко оптимальне значення n = n* дорівнює найменшому натуральному числу n, що задовольняє умові . Отже, . Коефіцієнт готовності системи для стратегії 5 . Значення Cv/Cm або dv/dm і закони розподілу часу безвідмовної роботи інструменту дають змогу вибрати найбільш ефективну стратегію його заміни, яка забезпечить мінімальні витрати та максимальну надійність технологічної системи. Статистичні дослідження параметрів законів розподілу часу безвідмовної роботи твердосплавних різців важких верстатів показують, що параметр b закону Вейбула- Гніденко коливається в діапазоні 1,5-2,5 та залежить від рівня режимів різання. Відношення витрат Cv/Cm залежить від типу конструкції різця та пропорційне відношенню dv/dm. Для збірних різців dv/dm істотно менше, ніж для напайних. У більшості випадків для збірних різців важких верстатів доцільно вибирати стратегії профілактичної заміни різального інструменту, при яких період заміни забезпечується гамма-відсотковую стійкістю.

При заміні напаяних різців на збірні виникла потреба розробки нових математичних моделей їх надійності. Комплексним показником надійності збірного інструменту може служити коефіцієнт готовності. У роботі розглянуто декілька конструкцій різців. Для визначення математичної моделі надійності збірного різця, що складається з корпуса, блоку-вставки, який закріплює пластину, та елементів закріплення, застосовано марківський підхід. При цьому розглядається чотири стану, різця: стан 0 - працездатність після заміни блоку; стан 1 – відмова пластини, здійснюється її оберт або заміна; стан 2 - робота після заміни пластини; стан 3 - різець не працює в зв'язку з відмовою елементів закріплення або блоку в цілому, проводиться заміна блоку. Стани 0 і 2 являють собою припустимі стани для надійної роботи різця. Матриця переходів з одного стану в інший :, де і -інтенсивності відмов відповідно різальної пластини і змінного блоку, на якому закріплена пластина; і - відповідні інтенсивності відновлення (заміни пластини або блоку). Вирішуючи систему алгебраїчних рівнянь, визначаємо в постійному режимі роботи: .

Розроблена математична модель може бути використана для розподілу надійності між елементами конструкції інструменту на стадії його проектування, а також для вибору інструменту певного рівня надійності для заданих умов його експлуатації.

У роботі наведені результати експериментальних досліджень методів підвищення надійності інструментів: обробки їх імпульсним магнітним полем (ОІМП), удосконалення технологій заточування та нанесення зносостійких покриттів. Результати лабораторних та експлутаційних випробувань показали, що збільшення стабільності різальних властивостей інструменту можна досягти обробкою його імпульсним магнітним полем, після якої середній період стійкості інструменту збільшується несуттєво, але гамма-відсотковий - у 2 і більше рази. Показано, що застосування доводки різального леза після його заточування підвищує стабільність різальних властивостей, знижує коефіцієнт варіації періоду стійкості в 1,5 рази, підвищуючи гамма-відсотковий період у 1,7 рази. Застосування інтегрованих технологій нанесення зносостійких покриттів із попередньою шліфовкою та виброобробкою пластин підвищило стабільність властивостей інструменту, істотно знижуючи коефіцієнт варіації його періоду стійкості у 1.8 рази.

У п’ятому розділі наведені результати експериментальних, виробничих та статистичних випробувань для визначення експлуатаційної міцності інструменту: руйнувальних подач та імовірності руйнації інструментів,- для різних умов їх експлуатації. Розроблені емпіричні та статистичні залежності для визначення подач та імовірності руйнації інструменту на важких верстатах. Розроблені рекомендації ефективного застосування ЗОТС на важких верстатах, раціональні засоби подачі їх у зону різання.

Аналіз характеру руйнацій інструментів при визначенні руйнуючих подач (рис. 12) показав, що у більшості випадків поверхня руйнації проходить під кутом до вертикалі 20-40 та перетинає головне різальне лезо на відстані від вершини, близькому до ширини зрізу та допоміжне лезо на приблизно такій же відстані. Результати дослідження експлуатаційної міцності різального інструменту методом східчасто-зростаючих подач дозволили одержати математичні залежності руйнувальної подачі від умов експлуатації інструменту.

Аналогічні залежності одержані статистичним методом (регресійний аналіз) на основі інформаційного банку даних та виробничих випробувань. Математична обробка результатів виконувалась за допомогою пакету програм Statistika05 з перевіркою тісноти кореляційного зв’язку (коефіцієнт множинної кореляції R=0,68) та адекватності моделі за критерієм Фішера. Визначені усереднені залежності для більш поширених умов експлуатації інструментів на важких верстатах: для Dс2500, для Dс2500.Дослідження експлуатаційної міцності різальної частини інструменту методом руйнуючих подач дозволяє визначити поправочні коефіцієнти на подачу, що враховують змінені умови експлуатації інструменту. Для визначення імовірності руйнації інструменту прийнято такий вигляд моделі:.У результаті статистичної обробки даних одержано залежність для найбільш поширених умов експлуатації інструментів на важких верстатах (R=0,72): для Dс2500 мм для Dс2500 мм. Досліджено також вплив інших параметрів на Sp та P(n) (розмірів, жорсткості, стану поверхневого шару деталі; зносу конструкції, технології виготовлення інструменту та ін.), встановлені поправочні коефіціенти на елементи режимів різання та видатку інструменту.

У роботі ставилася задача експериментально встановити діапазон умов, при яких доцільно використовувати ЗОТС, а також розробити рекомендації, що забезпечують максимальну їх ефективність на важких верстатах Під ефективністю ЗОТС розуміється ступінь зростання швидкості різання при постійному періоді стійкості Т. При аналізі експериментальних даних період стійкості Т прийнятийі рівним 20 хв. Дослідження проводилися на токарних верстатах із Dс = 1250 мм. при точінні різцями Т5К10. Основні випробування проводилися при глибині різання t = 4 мм і подачі S = 0,78 мм/об при обточуванні сталі 90ХМФ. Досліджувалися методи звичайної подачі ЗОТС у розпорошеному стані та струменем з великим напіром. Підбиралися параметри процесу подачі ЗОТС, що забезпечують мінімальний їх видаток.

Встановлено, що основними чинниками, що впливають на ефективність ЗОТС на важких верстатах, є величина швидкості різання, теплопровідність оброблюваного матеріалу, характер і частоту ударів при різанні. Тому застосовувати звичайне охолодження рекомендується при швидкості різання приблизно до 100 м/хв., крім обробки матеріалу з низькою теплопровідністю. При цьому забезпечується ріст швидкості різання не нижче 15% при відсутності тривалих перерв у роботі інструменту. Дослідження ефективності застосування ЗОТС дозволило рекомендувати на важких верстатах застосовувати 1,5-3 %-ную емульсію з емульсола Укрінол-1 та 3-5 %-ную емульсію з емульсола Аквол-2. Період стійкості твердосплавных різців при використанні ЗОТС у усіх випадках беззупинного різання вище, ніж при роботі без охолодження. Для чорнових верстатів і верстатів загального призначення доцільно передбачати подачу рідини, яку розпорошують до високого ступеня дисперсності. Для верстатів, які вже працюють на підприємствах, рекомендовано здійснювати охолодження розпорошеною рідиною, що не потребує пристроїв для її повернення. Припустимо і краплинне охолодження, але воно менш ефективно. Встановлено, що ефективність ЗОТС підвищується при їх подаванні з боку задньої поверхні інструменту. При обточуванні з різкими ударами застосування ЗОТС посилює “крихкий” знос і знижує період стійкості різців.

У шостому розділі наведені дослідження, спрямовані на створення методу визначення видатку інструменту з урахуванням імовірності руйнації різального інструменту при його експлуатації на важких верстатах. Уточнені поправки до стійкістної залежності, що враховують типорозмір важкого верстату та імовірність руйнації інструменту, встановлені залежності видатку