Экономическая эффективность обработки резанием полимерных композиционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Создание новых конструкционных материалов для изготовления деталей различного технического назначения является неотъемлемой частью современной промышленности, поскольку требования к изделиям в основном направлены на снижение их массы, увеличение прочности, сохранение свойств при воздействии агрессивных сред и температуры без привлечения дополнительных затрат на производство. Этим требованиям удовлетворяют полимерные композиционные материалы с наполнителями из высокопрочных волокон или тканей. Изделия из упрочненных полимеров получают пропиткой волокон или тканей полимерным связующим с последующим прессованием, что требует дополнительной обработки резанием [1 - 3]. Однако в процессе резания инструмент быстро изнашивается и не способен обеспечить высокую эффективность обработки. Это связано с особенностями структуры и свойств полимеров с высокопрочными наполнителями, которые могут изменяться в процессе механической обработки и влиять на работоспособность режущего инструмента, производительность обработки и качество обработанной поверхности [4 - 6].

Повысить эффективность производства возможно путем подбора рациональных параметров технологического процесса механической обработки и конструктивных характеристик режущего инструмента. Однако это требует проведения многочисленных лабораторных и теоретических исследований, которые часто экономически не выгодны для производства.

Научная литература в области резания полимерных композиционных материалов содержит недостаточно полную информацию, поскольку исследования направлены в основном на получение качества поверхности без учета влияния режимов резания и работоспособности режущего инструмента на производительность и экономическую эффективность обработки. Для снижения затрат и повышения работоспособности режущего инструмента рекомендуется применять сборные инструменты, режущая часть которых имеет специфическую геометрию и выполнена из высокопрочных материалов, например твердых сплавов и сверхтвердых материалов [5; 7; 8].

В связи с этим целью является повышение эффективности технологического процесса лезвийной обработки композиционных материалов, а в задачи исследования входит разработка методики оценки приведенных затрат в зависимости от особенностей конструкции инструмента, его работоспособности и режимов резания.

Эффективность технологического процесса обработки представлена различными критериями: качества, производительности, надежности, стабильности, экономичности и т.п. В настоящем исследовании рассматривается экономическая эффективность как основной критерий при проектировании технологического процесса. При определении этого критерия необходимо выявить затраты производства. Они включают в себя затраты на режущий инструмент, основные материалы, оборудование, заработную плату рабочих, энергозатраты и прочие расходы. Значительную часть составляют затраты на режущий инструмент и его обслуживание за весь период эксплуатации. Стоит отметить, что экономически эффективно применение сборных конструкций инструментов, поскольку это повышает варьируемость инструментальных материалов, а при полном износе режущих элементов достаточно заменить их новыми. При этом корпус сборного инструмента имеет определенный срок эксплуатации, который регламентируется заводом-изготовителем.

Акцентируя внимание на режущем инструменте, можно выделить затраты на обработку деталей за период от начала эксплуатации одного сборного режущего инструмента до полной его выработки:

1. Стоимость сборного инструмента.

2. Суммарные затраты на смену режущих элементов.

3. Затраты на затачивание инструмента.

4. Основная заработная плата станочника.

5. Затраты на электроэнергию.

6. Расходы на амортизацию станочного оборудования, содержание и текущий ремонт зданий.

7. Затраты на основной материал.

Таким образом, для каждого режущего инструмента можно рассчитать затраты производства на изготовление деталей. Приведя все затраты к времени эксплуатации инструмента либо объему выпущенной продукции, получим стоимость выполнения технологического процесса за единицу времени либо объема. Методика оценки приведенных затрат. Суммарные затраты на обработку деталей одним сборным режущим инструментом (З, руб.) можно определить по формуле:

(1)

экономический режущий станок

где Си - стоимость инструмента, руб.; Зс.э - суммарные затраты на смену режущих элементов, руб.; Зз.и - затраты на затачивание режущего инструмента, руб.; Оз.п - основная заработная плата станочника, руб.; Э - затраты на электроэнергию, руб.; М - затраты на обрабатываемый материал, руб.; А - амортизация основного оборудования, полученная за ресурс режущего инструмента, руб.

Суммарные затраты на смену режущих элементов (Зс.э, руб.) определяются по формуле:

, (2)

где nр - число смен режущих элементов, допускаемое конструкцией корпуса сборного инструмента; Сэ - цена одного режущего элемента, руб.; z - число режущих элементов.

Затраты на затачивание режущего инструмента (Зз.и, руб) определяются по формуле:

, (3)

где tз.п - время на заточку одного режущего элемента, мин; Сч - часовая ставка станочника, руб./ч; i - допустимое число переточек режущих элементов. Основная заработная плата станочника (Оз.п, руб.) определяется по формуле:

, (4)

где Р - ресурс режущего инструмента, мин.

В настоящей методике ресурс определяется временем работы режущего инструмента от начала его эксплуатации до полной выработки. Ресурс связан с технологическим периодом стойкости, допустимым количеством переточек режущего инструмента и числом смен режущих элементов, допускаемым конструкцией корпуса сборного инструмента:

,

где Т - технологический период стойкости режущего инструмента, мин.

Допустимое число переточек режущего лезвия i рассчитывается теоретически в зависимости от характера износа инструмента и величины снимаемого припуска при затачивании.

При обработке композиционных полимерных материалов характерен износ по задней поверхности [9; 10], поэтому величина снимаемого припуска зависит от фаски износа по задней поверхности hз.

Схема для определения количества переточек приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема для определения количества переточек

При затачивании необходимо с задней поверхности снять припуск eз для устранения фаски износа hз max и припуск ef для устранения возможных дефектов поверхности. Из прямоугольного треугольника abc видно, что eз = ac и угол bac равен углу заострения в. Тогда . Величину припуска ef целесообразно выбрать в соответствии с рекомендациями равной 0,1 мм [11].

Таким образом, максимальное количество переточек определяется по формуле:

,

где lmax - максимальная рабочая длина режущего элемента, мм; hз max - фаска износа по задней поверхности инструмента, мм; в - угол заострения режущей кромки.

Затраты на электроэнергию (Э, руб.) рассчитываются исходя из энергозатрат за весь ресурс режущего инструмента:

, (5)

где N - средняя мощность резания при обработке исследуемым инструментом, кВт; Сэ - стоимость электроэнергии, руб./кВт·ч.

Средняя мощность резания рассчитывается эмпирически на основе 3 и более испытаний при обработке детали на исследуемом оборудовании.

Затраты на обрабатываемый материал (М, руб.) можно определить по формуле:

(6)

где Q - объем материала, снятый за ресурс режущего инструмента, мм3; с - плотность обрабатываемого материала, кг/м3; СМ - стоимость одного килограмма обрабатываемого материала, руб./кг.

Подставив выражения (2 - 6) в формулу (1), получим:

. (7)

Для оптимизации технологического процесса рационально оценивать эффективность обработки величиной приведенных затрат. В настоящей методике приведенные затраты относятся к объему материала, снятому за ресурс режущего инструмента. Это позволит дать оценку экономической эффективности обработки в зависимости от параметров технологического процесса.

Приведенные затраты (ПЗ, руб./мм3), взятые за ресурс режущего инструмента, определяются по формуле:

.(8)

Объем материала, снятый за ресурс режущего инструмента (Q, мм3), зависит от производительности непрерывной обработки - величины, учитывающей затраты вспомогательного времени в производственном процессе:

, (9)

где П - производительность непрерывной обработки, мм3/мин.

Подставив выражения (7, 9) в формулу (8), получим:

. (10)

Первое слагаемое в формуле характеризует затраты на режущий инструмент, второе - стоимость труда рабочего и энергозатрат, а третье - стоимость основных материалов.

Результаты и обсуждение. Одним из примеров применения методики оценки приведенных затрат является оптимизация режимов резания при фрезеровании композиционных материалов.

В формуле (10) зависимость приведенных затрат от режимов резания выражена неявно. Для установления функциональной связи в явном виде выразим производительность непрерывной обработки и период стойкости режущего инструмента через режимы резания.

Производительность непрерывной обработки при фрезеровании определяется по формуле:

, (11)

где l - длина пути, пройденного режущим инструментом за период стойкости, мм; t - глубина фрезерования, мм; b - ширина фрезерования, мм; tв - вспомогательное время, затрачиваемое на смену изношенного режущего инструмента и подналадку станка, мин.

При этом длина пути l зависит от величины подачи и технологического периода стойкости режущего инструмента и определяется по формуле:

, (12)

где - минутная подача фрезы, мм/мин; Sz - подача на зуб фрезы, мм/зуб; z - число зубьев фрезы; n - частота вращения шпинделя станка, мин-1.

Подставив формулу (12) в формулу (11), получим:

. (13)

Вспомогательное время, затрачиваемое на смену изношенного режущего инструмента и подналадку станка, рассчитывается по формуле:

, (14)

где tу - время, затрачиваемое на снятие и установку режущего инструмента, включающее время на пуск и остановку станка, мин; tн - время, затрачиваемое на подналадку технологического оборудования, мин.

С увеличением серийности производства применяются различные приспособления и средства автоматизации, сокращающие вспомогательное время. Так, для единичного производства время tв будет максимальным, а для массового производства - минимальным.

Зависимость периода стойкости режущего инструмента от режимов резания определяется некоторой функцией Т = f (Sz, t, n). Эта функция может быть получена путем математического моделирования зависимости на основе экспериментальных данных.

В ходе лабораторных исследований технологического периода стойкости при фрезеровании стеклотекстолита режущим инструментом, оснащенным твердым сплавом ВК3М, получена зависимость периода стойкости от режимов обработки [12]:

. (15)

Значение технологического периода стойкости, определенное по зависимости (15), используется в формулах (10, 13) для расчета производительности непрерывной обработки и приведенных затрат при различных режимах резания. При этом число зубьев инструмента z = 2, частота вращения шпинделя n = 6000 мин-1, ширина резания b = 10 мм.

На основе математической модели (15) и формул (10, 13, 14) получены графики зависимости приведенных затрат от режимов резания для разных типов производства (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость приведенных затрат для единичного (1), серийного (2) и массового (3) типов производства: а - от глубины резания при Sz = 0,15 мм/зуб; б - от подачи на зуб при t = 0,5 мм.

Из графиков на рис. 2 видно, что зависимость приведенных затрат от режимов резания имеет экстремальный характер. При повышении серийности производства точка минимума приведенных затрат смещается в сторону увеличения режимов резания. Для единичного производства минимальные приведенные затраты наблюдаются при подаче на зуб Sz = 0,167 мм/зуб и глубине резания t = 0,62 мм, для серийного производства - при Sz = 0,176 мм/зуб, t = 0,65 мм, а для массового производства - при Sz = 0,18 мм/зуб, t = 0,69 мм.

Экстремальный характер графиков связан с уменьшением технологического периода стойкости режущего инструмента и увеличением частоты его смены при интенсификации режимов резания. При серийном и массовом типах производства увеличение подачи на зуб и глубины резания обеспечивает рост производительности непрерывной обработки и снижение приведенных затрат, поскольку сокращается время на смену режущего инструмента.

Выводы:

1. Разработана методика определения приведенных затрат, позволяющая оптимизировать технологические параметры процесса обработки композиционных материалов и повысить эффективность производства.

2. Методика реализована на примере оптимизации технологического процесса фрезерования стеклотекстолита. Даны рекомендации по назначению режимов резания, обеспечивающих минимальные затраты производства:

- для единичного производства Sz = 0,16 мм/зуб, t = 0,6 мм;

- для серийного производства Sz = 0,17 мм/зуб, t = 0,65 мм;

- для массового производства Sz = 0,18 мм/зуб, t = 0,7 мм.

Список литературы

1. Симонов, Д.В. Оптимизация процесса прессования стеклотекстолитов / Д.В. Симонов, В.Г. Огоньков, Е.В. Афошина // Вестник Московского энергетического института. - 2011. - № 6. - С. 199 - 205.

2. Gallant, F.M. Graded polymer composites using twin-screw extrusion: a combinatorial approach to developing new energetic materials / F.M. Gallant, H.A. Bruck, S.E. Prickett, M. Cesarec // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. - 2006. - Т. 37. - № 6. - P. 957 - 969.

3. Gorokhovsky, A.V. Composite materials based on wastes of flat glass processing / A.V. Gorokhovsky, J.I. Escalante-Garcia, G.Yu. Gashnikova, L.P. Nikulina, S.E. Artemenko // Waste Management. - 2005. - Т. 25. - № 7. - P. 733 - 736.

4. Bailleul, J.L. Inverse algorithm for optimal processing of composite materials / J.L. Bailleul, V. Sobotka, D. Delaunay, Y. Jarny // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. - 2003. - Т. 34. - № 8. - P. 695 - 708.

5. Мордвин, М.А. Рекомендации по механической обработке композиционных материалов / М.А. Мордвин, С.В. Якимов, С.М. Баклушин // Вестник Ижевского государственного технического университета. - 2010. - № 2. - С. 26 - 29.

6. Марков, А.М. Технологические особенности механической обработки деталей из композиционных материалов / А.М. Марков // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2014. - № 7 (37). - С. 3 - 8.

7. Янюшкин, А.С. Производительность непрерывной обработки резанием стеклонаполненных полимеров / А.С. Янюшкин, Д.А. Рычков, Д.В. Лобанов // Системы. Методы. Технологии. - 2015. - № 2 (26). - С. 32 - 43.

8. Янюшкин, А.С. Повышение эффективности производства за счет автоматизации подготовки режущего инструмента / А.С. Янюшкин, Д.В. Лобанов, Д.А. Рычков // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2015. - № 4 (46). - С. 25 - 30.

9. Рычков, Д.А. Разработка технологии подготовки режущего инструмента для обработки слоистых композиционных материалов / Д.А. Рычков, В.А. Скрипняк, А.С. Янюшкин, Д.В. Лобанов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2014. - № 2 (63). - С. 6 - 13.

10. Рычков, Д.А. Совершенствование технологии формообразования высокопрочных стекловолокнистых композиционных материалов на полимерной основе / Д.А. Рычков, А.С. Янюшкин, Д.В. Лобанов, В.В. Базаркина // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2012. - № 3. - С. 150 - 153.

11. Грановский, Г.И. Резание металлов: учеб. для машиностроит. и приборостроит. специальностей вузов / Г.И. Грановский, В.Г. Грановский. - М.: Высш. шк., 1985. - 304 с.

12. Yuanyushkin, A.S. Surface quality of the fiberglass composite material after milling / A.S. Yuanyushkin, D.A. Rychkov, D.V. Lobanov // Applied mechanics and materials. - 2014. - № 682. - P. 183 - 187.

Размещено на Allbest.ru