Снижение энергетических затрат при обработке отверстий резцами и осевыми инструментами

Настоящая научная работа посвящена проблеме экономии электроэнергии при механической обработке отверстий на сверлильных и токарных станках технологическими способами.

Актуальность проблемы. Одной из основных задач, стоящих перед машиностроительным комплексом Российской Федерации, является повышение эффективности использования энергетических ресурсов. На долю механической обработки заготовок деталей машин приходится значительное количество потребляемой предприятиями машиностроения электрической энергии, поскольку по всей стране в год обработкой резанием удаляются сотни тысяч тонн металлической стружки, а образование одной тонны стружки сопровождается расходом в среднем около 430 кВт-ч электроэнергии [44]. Отсюда и вытекает важность задачи снижения энергетических затрат на обрабатывающей стадии технологического процесса. Кроме того, доля затрат на электроэнергию в общей себестоимости продукции машиностроительных предприятий России и стран СНГ неуклонно возрастает — с 2% в 1984 году [94], вплоть до 25 — 30%, по различным данным, в 2002 году.

Согласно Федеральному закону «Об энергосбережении», принятому в 1996 году, отношения, возникающие в процессе деятельности, направленной на эффективное использование энергетических ресурсов при их производстве и потреблении, а также на создание и использование энергоэффективных технологий являются объектом государственного регулирования в области энергосбережения. Одними из основных принципов энергосберегающей политики государства являются приоритет эффективного использования энергетических ресурсов и осуществление государственного надзора в этом направлении.

В законе, в частности, указано, что весь объем потребляемых энергетических ресурсов с 2000 года подлежит обязательному учету и сертификации на соответствующие показатели энергоэффективности, а потребителям, осуществляющим мероприятия по энергосбережению, в том числе за счет производства продукции с лучшими, чем предусмотрено государственными стандартами, показателями предоставляются льготы.

Согласно ГОСТ 14.201−83 «ЕСТПП. Общие правила обеспечения технологичности конструкций изделий» и ГОСТ 14.205−83 «ЕСТПП. Технологичность конструкций изделий. Термины и определения» энергоемкость изделия наряду с трудоемкостью и материалоемкостью является одним из основных показателей технологичности его конструкции. Разновидностью этого показателя является энергоемкость изделия в изготовлении [80]. Поскольку на долю механической обработки заготовок при производстве деталей машин приходится значительное количество потребляемой электрической энергии, снижение энергозатрат на обработку уменьшает общую энергоемкость изделий и, тем самым, повышает уровень технологичности их конструкций. Уменьшение энергопотребления при обработке отверстий резанием позволит снизить себестоимость и повысить конкурентоспособность выпускаемой продукции.

Однако, несмотря на остроту проблемы, до настоящего времени не существует комплексного подхода к экономии энергии при обработке отверстий резцами и осевыми режущими инструментами, заключающегося в одновременном проведении как структурной, так и параметрической оптимизации технологических процессов по критерию минимальных энергозатрат на обработку, в результате чего отсутствуют научно обоснованные методики выбора энергетически экономичного маршрута и режимов обработки отверстий.

Целью работы является разработка методологического подхода к проектированию энергетически экономичных процессов обработки отверстий резцами и осевыми режущими инструментами и научно обоснованных рекомендаций по экономии электрической энергии, затрачиваемой на обработку отверстий на сверлильных и токарных станках.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать системно-структурную модель процесса обработки отверстий резцами и осевыми инструментами, учитывающую основные параметры технологической системы и позволяющую минимизировать энергозатраты с учетом обеспечения заданной точности и шероховатости обработанной поверхности.

2. Установить характер и степень влияния технологических факторов на энергозатраты и потери энергии в элементах технологической системы при обработке отверстий на сверлильных и токарных станках.

3. Разработать математическую модель энергопотребления при обработке отверстий и экспериментальным путем подтвердить ее достоверность.

4. Разработать инженерную методику проектирования энергетически экономичных процессов обработки отверстий резцами и осевыми инструментами.

Объектом исследований является обработка отверстий резцами (растачивание) и осевыми режущими инструментами (сверление, рассверливание, зен-керование, развертывание) в заготовках из конструкционных углеродистых и легированных сталей и серых чугунов на сверлильных и токарных станках.

Научная новизна работы заключается в теоретическом решении задачи проектирования энергетически экономичных технологических процессов обработки отверстий резцами и осевыми инструментами на сверлильных и токарных станках на основе выбора наиболее выгодного с точки зрения энергопотребления маршрута обработки и оптимального распределения припуска между технологическими переходами.

Методологической основой работы является системный подход к изучению и описанию процесса энергопотребления при обработке отверстий, заключающийся в структурном разбиении технологической системы на подсистемы, их моделирование и установление взаимосвязей между ними. Теоретические исследования проводились на базе современных знаний о процессе резания металлов, технологии машиностроения, теории оптимизации технологических процессов механической обработки, теории электромеханических приводов металлорежущих станков. Оценка предварительных результатов и моделирование процессов обработки производились на ЭВМ с использованием программных средств автоматизации математических расчетов (Microsoft Excel, MathCAD, MathLab, Statistica, StatGraph). Экспериментальные исследования проводились на универсальных сверлильных и токарных станках для проверки достоверности разработанных математических моделей и оценки влияния режимов резания на вариацию (изменчивость) энергозатрат при обработке. Опыты планировались с использованием статистических методов планирования экспериментов [9, 21]. Для обработки результатов опытов применялись методы дисперсионного и множественного регрессионного анализов [8, 24, 62, 63, 87]. Результаты обрабатывались на ЭВМ с использованием программных средств автоматизации статистического анализа.

Практическую ценность работы составляет инженерная методика проектирования энергетически экономичных процессов обработки отверстий резцами и осевыми инструментами.

Материалы исследований использованы в учебном процессе при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплине «Технология машиностроения и управление качеством продукции».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на 54-й научной конференции профессорско-преподавательского состава БГТУ (г. Брянск, 1998 г.), региональной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в образовании» (г. Брянск, 1998 г.), молодежной научно-технической конференции технических вузов центральной России (г. Брянск, 2000 г.).

В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на заседании кафедры «Управление качеством производственных и технических систем» и технологической секции Брянского государственного технического университета.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликованы 5 печатных работ [13 — 16, 39].

При проведении научной работы были получены следующие основные результаты:

1. На основе теоретических и экспериментальных исследований предложен методологический подход к проектированию энергетически экономичных процессов обработки отверстий на сверлильных и токарных станках, и разработаны научно обоснованные рекомендации по экономии электрической энергии при обработке отверстий резцами и осевыми инструментами.

2. Разработана математическая модель процесса обработки, учитывающая влияние на энергозатраты вида обработки, характеристик привода технологического оборудования, параметров режущего инструмента и режимов резания.

3. Получены математические выражения, позволяющие распределять промежуточные припуски между смежными технологическими переходами из условия минимизации энергозатрат на их выполнение. Установлено, что оптимальное распределение припуска между переходами зависит от соотношения величин подач на переходах.

4. Установлено: при повышении линейной производительности процесса резания, вызванном увеличением подачи или скорости резания, удельный расход электроэнергии на обработку снижается. Так, при сверлении отверстий диаметром 15,5 мм в заготовке из стали СтЗ на верти-кально-сверлильном станке 2Н135 увеличение подачи с 0,1 до 0,4 мм/об приводит к снижению удельных энергозатрат с 2080 до 1330 кВт-ч/м3, то есть на 36%- повышение скорости резания с 12 до 48 м/мин уменьшает удельный расход энергии на 22,5% (с 1780 до 1380 кВт-ч/м3). при сверлении, зенкеровании и развертывании отверстий на станке 2Н135 для принятых условий экспериментов подача влияет на изменчивость (вариацию) удельных энергозатрат в большей степени, чем скорость резания (частота вращения шпинделя). На уровне значимости а=0,01 на удельные энергозатраты оказывает влияние также и взаимодействие данных технологических факторов (скорость подачи). Так, при сверлении отверстий с изменением подачи связано 67,1% вариации удельных энергозатрат, с изменением скорости резания — 29,1%, скорости подачи — 3%- при зенкеровании соответственно: 52,1- 34,9 и 12,4%- при развертывании — 44,1- 41,9 и 13,8%. подточка перемычки сверла при нормальной форме заточки режущей части приводит к снижению энергозатрат на обработку в среднем на 5.7%. Экономия энергии при применении сверл с двойной формой заточки достигает 9%.

5. Предложена методика определения вклада каждого технологического перехода в суммарные энергозатраты на обработку отверстия, что дает возможность выбирать оптимальную структуру маршрута обработки или отдельной операции.

6. Разработана инженерная методика проектирования энергетически экономичных процессов обработки отверстий резцами и осевыми инструментами, использование которой на практике позволяет существенно снизить энергозатраты на обработку.

7. Показано, что экономия электрической энергии за счет оптимального распределения припуска между переходами сверления и рассверливания отверстий в заготовках из конструкционных углеродистых сталей достигает 6 кВт-ч на одну тонну удаляемой стружкиэкономия энергии за счет применения рациональных режимов получистового зенкерования отверстий при обработке конструкционных сталей достигает 25 кВт-ч/т, при обработке серых чугунов — 21 кВт-ч/т.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. На основе теоретических и экспериментальных исследований предложен методологический подход к проектированию энергетически экономичных процессов обработки отверстий на сверлильных и токарных станках, и разработаны научно обоснованные рекомендации по экономии электрической энергии при обработке отверстий резцами и осевыми инструментами.

2. Разработана математическая модель процесса обработки, учитывающая влияние на энергозатраты вида обработки, характеристик привода технологического оборудования, параметров режущего инструмента и режимов резания.

3. Получены математические выражения, позволяющие распределять промежуточные припуски между смежными технологическими переходами из условия минимизации энергозатрат на их выполнение. Установлено, что оптимальное распределение припуска между переходами зависит от соотношения величин подач на переходах.

4. Установлено: при повышении линейной производительности процесса резания, вызванном увеличением подачи или скорости резания, удельный расход электроэнергии на обработку снижается. Так, при сверлении отверстий диаметром 15,5 мм в заготовке из стали СтЗ на верти-кально-сверлильном станке 2Н135 увеличение подачи с 0,1 до 0,4 мм/об приводит к снижению удельных энергозатрат с 2080 до 1330 кВт-ч/м3, то есть на 36%- повышение скорости резания с 12 до 48 м/мин уменьшает удельный расход энергии на 22,5% (с 1780 до 1380 кВт-ч/м3). при сверлении, зенкеровании и развертывании отверстий на станке 2Н135 для принятых условий экспериментов подача влияет на изменчивость (вариацию) удельных энергозатрат в большей степени, чем скорость резания (частота вращения шпинделя). На уровне значимости а=0,01 на удельные энергозатраты оказывает влияние также и взаимодействие данных технологических факторов (скорость подачи). Так, при сверлении отверстий с изменением подачи связано 67,1% вариации удельных энергозатрат, с изменением скорости резания — 29,1%, скорости подачи — 3%- при зенкеровании соответственно: 52,1- 34,9 и 12,4%- при развертывании — 44,1- 41,9 и 13,8%. подточка перемычки сверла при нормальной форме заточки режущей части приводит к снижению энергозатрат на обработку в среднем на 5.7%. Экономия энергии при применении сверл с двойной формой заточки достигает 9%.

5. Предложена методика определения вклада каждого технологического перехода в суммарные энергозатраты на обработку отверстия, что дает возможность выбирать оптимальную структуру маршрута обработки или отдельной операции.

6. Разработана инженерная методика проектирования энергетически экономичных процессов обработки отверстий резцами и осевыми инструментами, использование которой на практике позволяет существенно снизить энергозатраты на обработку.

7. Показано, что экономия электрической энергии за счет оптимального распределения припуска между переходами сверления и рассверливания отверстий в заготовках из конструкционных углеродистых сталей достигает 6 кВт-ч на одну тонну удаляемой стружкиэкономия энергии за счет применения рациональных режимов получистового зенкерования отверстий при обработке конструкционных сталей достигает 25 кВт-ч/т, при обработке серых чугунов — 21 кВт-ч/т.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе теоретических и экспериментальных исследований, результаты которых приведены в диссертации, во многом решены технологические задачи структурной и параметрической оптимизации обработки отверстий резцами и осевыми инструментами на сверлильных и токарных станках по критерию минимальных энергетических затрат. В итоге получили дальнейшее развитие научные основы оптимизации технологических процессов механообработки. Так, в частности, предложено использовать критерий минимальных удельных энергозатрат для распределения припуска между переходами предварительных стадий обработки отверстия.

Что касается дальнейшего развития данного научного направления, то можно указать на следующие возможные шаги в этой области:

1. Распространение предложенного подхода к экономии энергии на другие методы и виды лезвийной и абразивной обработки наружных, внутренних и плоских поверхностей.

2. Изучение влияния на энергетические затраты вибраций при резании, технического состояния станка и конструкции его приводов, свойств смазочно-охлаждающей жидкости, марки инструментального материала и др.

3. Применение теории подобия непосредственно к процессу энергопотребления при обработке и создание критериальных зависимостей, связывающих энергозатраты с другими выходными параметрами обработки.

4. Проектирование металлорежущих систем с адаптивным управлением процессом резания, позволяющих производить весь цикл обработки отверстия лезвийными инструментами с минимальными энергетическими затратами при обеспечении заданных параметров качества поверхностного слоя, точности обработанных поверхностей и производительности.