Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ФРЕЗЕРОВАНИЕМ ПРОКАТА

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии, в частности, к фрезерованию непрерывных плоских поверхностей листового проката цилиндрическими фрезами.

Как правило, фрезерованные полосы предназначены для последующей холодной прокатки. В этом случае высокая шероховатость поверхности может вызывать характерный, особенно для мягкого цветного проката, вид брака -«надиры» или «задиры» (ГОСТ 21014-88), обусловленный, в частности, межвитковым трением при разматывании рулона в процессе прокатки. Поэтому достаточно малая шероховатость является необходимым условием получения качественного готового проката.

Известен способ фрезерования плоских поверхностей цилиндрическими фрезами, который позволяет устранить поверхностные дефекты заготовки и повысить качество обрабатываемой поверхности [Справочник технолога-машиностроителя: в 2 т./ под ред. A.M. Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова, А.Г. Суслова. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2001]. Однако при этом на фрезерованной поверхности появляется обусловленный прерывистостью процесса резания характерный рельеф, состоящий из чередующихся гребешков и впадин - своеобразная упорядоченная шероховатость. Высота гребешков относительно впадин h, определяющая шероховатость R_Z фрезерованной поверхности, находится из чисто геометрических представлений как функция диаметра фрезы D и расстояния между соседними гребешками L (1)

Отсюда видно, что с увеличением L высота гребешков увеличивается параболически. Так, например, для диаметра фрезы D=250 мм с увеличением L от 3 мм до 15 мм высота гребешков должна увеличиваться с h=9 мкм до h=225 мкм, что соответствует переходу от шестого к первому классу чистоты поверхности. В свою очередь, классическая теория резания, исходящая из представлений, что каждый из расположенных по окружности фрезы зубьев оставляет на обработанной поверхности отдельную впадину, определяет расстояние между гребешками формулой подачи на зуб S_Z [Справочник инструментальщика. - Л.: Машиностроение, 1987. - 846 с.]

где S_M - скорость движения полосы, минутная подача (м/мин),

n - скорость вращения фрезы (об/мин),

Z - количество зубьев по окружности фрезы,

S_O - подача на оборот (мм/об).

Известен способ управления рельефом фрезерованной поверхности на основании (2), когда, изменяя S_M и n, регулируют S_Z и расстояние между гребешками L, а, следовательно, высоту гребешков h (1), определяющую шероховатость фрезерованной поверхности, в частности, величину R_Z, повышая при необходимости класс чистоты поверхности [Барановский, Ю.В. Режимы резания металлов: Справочник / Ю.В. Барановский, Л.А. Брахман, А.И. Гдалевич: под ред. А.Д. Корчемкина. - М.: НИИТавтопром, 1995. - 456 с.]. Но в случае, когда каждый из расположенных по окружности фрезы зубьев оставляет на обработанной поверхности отдельную впадину, мельчайший дефект фрезы отпечатывается на поверхности изделия, ухудшая ее качество. (Этим дефектом может быть «выкрашивание» зуба, естественный промежуток между твердо-сплавными вставками сборной фрезы и т.д.)

Известен способ фрезерования полос, полученных в результате горячей прокатки [А.с. 460127 СССР, М. Кл. В23с 3/14, B21b 45/00. Устройство для фрезерования горячего проката в потоке / В.А. Сацкий, В.Н. Ершов, Л.С. Корнеев [и др.]. - №1774391/25-8; заявл. 15.04.72; опубл. 15.02.75, Бюл. №6. - 3 с.: ил.] или непрерывно отлитых полос [Дукмасов, В.Г. Эффективность современных технологий в металлургии / В.Г. Дукмасов, В.Г. Ильичев: под ред. Г.П. Вяткина. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2006. - 178 с.]. Здесь взамен движения рабочего стола фрезерного станка используется движение полос, в частности, путем их перемотки с разматывателя на моталку, а с противоположной от фрезы стороны полосы, как правило, устанавливается опорный ролик. Способ позволяет обрабатывать полосы бесконечной длины или длиной, ограниченной максимально допустимым размером свернутого из них рулона. Именно такие полосы служат заготовкой для последующей холодной прокатки и именно в этом случае шероховатость, иначе высота гребешков (1), определяемая расстоянием между гребешками L (2), обусловливает качество готового проката.

Но имеются данные, что расстояние между гребешками именно фрезерованного проката, как правило, равно не подаче на зуб S_Z (2), а в Z раз больше - подаче на оборот S_O и, соответственно, многократно увеличивается высота гребешков [Надежкин, М.П. Формирование рельефа поверхности в процессе фрезерования прокатанных полос / М.П. Надежкин, М.З. Певзнер // Производство проката. - 2000. - №4. - С. 32-36]

Это объясняется тем, что фрезерование проката принципиально отличается от фрезерования жестко закрепленной в приспособлении детали - оно характеризуется, как правило, более мягкой системой станок - приспособление - инструмент - деталь (система СПИД) [Справочник технолога-машиностроителя: в 2 т. / под ред. A.M. Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова, А.Г. Суслова. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2001]. Действительно, место закрепления полосы и место ее обработки в этом случае может разделять многометровое расстояние. В результате суммарные накопленные упругие деформации места обработки полосы относительно места ее закрепления достигают значительной величины, близкой к величине L. При превышении накопленных усилий упругого напряжения над силами сопротивления сдвигу (провороту) фрезы, обеспечиваемому самой фрезой в совокупности с опорным роликом, происходит этот сдвиг на величину L, равную в данном случае подаче на оборот. Наблюдаемое в достаточно широком диапазоне режимов обработки L=S_O [Надежкин, М.П. Формирование рельефа поверхности в процессе фрезерования прокатанных полос / М.П. Надежкин, М.З. Певзнер // Производство проката. - 2000. - №4. - С. 32-36] объясняется эксцентриситетом установки фрезы, всегда в большей или в меньшей степени имеющим место. Естественно полагать, что относительный сдвиг полосы и фрезы на L наиболее вероятен в момент, когда вследствие своего биения фреза максимально приподнята над обрабатываемой полосой, в результате чего сопротивление такому сдвигу минимально. В этом случае из всех расположенных по окружности фрезы зубьев полноценно нагружен лишь один зуб, работающий непосредственно после такого смещения, который собственно и формирует впадину. Все другие лишь проглаживают образовавшийся рельеф, устраняя возможные дефекты, заусенцы и пр.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ управления рельефом поверхности фрезерованного проката, основывающийся на работе [Надежкин, М.П. Формирование рельефа поверхности в процессе фрезерования прокатанных полос / М.П. Надежкин, М.З. Певзнер // Производство проката. - 2000. - №4. - С. 32-36] и уравнении (3). Как следует из (3), расстояние между гребешками L=S_O может изменяться за счет варьирования величин S_M или n. Но в этом случае в соответствии с (1) и (3) высота получаемых гребешков должна быть в Z² раз больше, чем была бы при обработке жестко закрепленной детали при тех же режимах (n и S_M) на универсальном фрезерном станке, где L=S_Z=S_O/Z. Так, если при обработке жестко закрепленной детали на универсальном фрезерном станке фрезой диаметром 250 мм с десятью зубьями по окружности для подачи на оборот S_O=10 мм наблюдается L=1 мм и h=1 мкм, то при фрезеровании проката той же фрезой при тех же режимах получим: L=10 мм и h=0,1 мм (1). Эта высота гребешков соответствует лишь третьему классу шероховатости, что в итоге и может приводить к образованию надиров и снижению качества готового проката [Надежкин, М.П. Формирование рельефа поверхности в процессе фрезерования прокатанных полос / М.П. Надежкин, М.З. Певзнер // Производство проката. - 2000. - №4. - С. 32-36]. Кроме того, при L=S_O в условиях неравномерной нагрузки естественно наблюдать преимущественный износ зуба, на который приходится основная нагрузка, и, как следствие, - быстрый выход из строя всей фрезы в целом.

Таким образом, с одной стороны для предотвращения переноса дефектов фрезы на обработанную поверхность, а с другой - для достижения максимальной стойкости фрез необходимо избегать обеих крайностей: L=S_Z и L=S_O (последняя характерна для прототипа). То есть недопустимы случаи, когда каждый зуб формирует отдельную впадину или, наоборот, работа формирующего впадину зуба дублируется всеми остальными расположенными по окружности фрезы зубьями.

Целью предполагаемого изобретения является уменьшение шероховатости поверхности фрезерованного проката и достижение более равномерной нагрузки на зубья фрезы.

Технический результат предполагаемого изобретения заключается в обеспечении условий проведения фрезерования, когда работа каждого формирующего впадину зуба дублируется одним - тремя следующими расположенными по окружности фрезы зубьями. То есть когда выполняется условие

В этом случае, с одной стороны, образуется относительно малое расстояние между гребешками и относительно малая шероховатость, что предотвращает образование надиров при последующей прокатке и, следовательно, повышает качество готового продукта. С другой стороны, за счет более равномерной нагрузки на зубья, расположенные по окружности фрезы, обеспечивается повышение стойкости (периода времени и количества материала, обработанного между переточками) и, следовательно, общего срока службы и эффективности использования фрез.

Этот результат достигается путем назначения режимов обработки (соотношения скоростей движения полосы и вращения фрезы) по предварительно установленным регрессионным зависимостям их связи с расстоянием между гребешками L таким образом, чтобы выполнялось условие

L=(2÷4)×S_Z,

где S_Z - расчетное значение подачи на зуб.

Описание способа.

Предлагаемый способ включает:

- непрерывное фрезерование проката, заключающееся в движении (перемотке) полосы относительно вращающейся фрезы;

- предварительное определение связи режима фрезерования (соотношения скоростей движения полосы и вращения фрезы) с профилем фрезерованной поверхности (расстоянием между гребешками L);

- определение режима фрезерования на основе установленной его связи с расстоянием между гребешками и из условия L=(2÷4)×S_Z, где S_Z - расчетное значение подачи на зуб;

- регулировка режима фрезерования и выполнение технологической операции по оптимальному режиму.

Пример выполнения.

Обработка проводилась в линии двустороннего фрезерования, состоящей, в частности, из правильно-размоточной машины, ножниц, станков «встречного» фрезерования [Справочник технолога-машиностроителя: в 2 т. / под ред. A.M. Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова, А.Г. Суслова: 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2001] верхней и нижней сторон полосы и сверточной машины. Расстояние между тянущими роликами с последующей правильной машиной, относительно жестко связанными с обрабатываемой полосой, и фрезерными станками составляло 8÷12 м. Технологические характеристики линии представлены в таблице 1.

В качестве инструмента использовали сборные цилиндрические фрезы диаметром ~250 мм с 14 винтовыми (ω=25°53' град) зубьями [Банников, Е.А. Справочник фрезеровщика / Е.А. Банников. - Ростов н/Д.: Феникс, 2005. - 320 с] (фиг. 1). Они «набирались» из пластин сплава Р6М5, а затем затачивались по заднему α=12° и переднему γ=3° углам. Для контроля углов заточки использовали угломер 2УРИ по ТУ2-034-617-84.

Толщина снимаемого слоя составляла ~0,3 мм. Обрабатывали горячекатаные полосы из цветных материалов (медь, латуни, бронзы, медно-никелевые сплавы) толщиной 6-8 мм и шириной ~630 мм, варьируя n, S_M. Контролировали фактическое расстояние L, стойкость фрез и другие технологические параметры, а также рассчитывали подачу на зуб S_Z (2), подачу на оборот S_O (3) и соотношение L/S_Z, определяющее количество зубьев, последовательно обрабатывающих одну впадину, таблицу 2.

Видно, что при фрезеровании по традиционно используемым режимам №1 и №2 расстояние между гребешками равнялось не подаче на зуб S_Z, а в Z раз больше - подаче на оборот So (см. таблицу 2). То есть здесь выполнялась не формула (2), а формула (3) и поверхность полосы была достаточно грубой, фиг.2.

В результате последующей холодной прокатки на трехклетевом стане до размеров 1,8÷2,0 мм на поверхности ленты обнаруживались надиры. С целью уменьшения L=S_O (3) и, таким образом, предупреждения надиров периодически традиционно использовался режим, основанный на уменьшении скорости подачи S_M и соответствующего уменьшения подачи на оборот S_O (режим №3). Использование этого режима повышало чистоту фрезерованной поверхности и исключало возможность образования надиров при последующей прокатке, но неравномерная нагрузка на зубья и низкая стойкость фрез сохранялись. Кроме того, уменьшение скорости подачи связано с соответствующим уменьшением производительности линии фрезерования и по этой причине использовалось лишь при выполнении особо - важных заказов.

При изменении S_M/n в сторону увеличения (варьирование режимов осуществляли за счет уменьшения скорости вращения фрезы n, см. таблицу 2) на первом этапе (при n=600 об/мин) первоначально установленное соотношение L=S_O сохраняется и расстояние между гребешками увеличивается (L=S_O=13,(3) мм/об; режим 4). Но дальнейшее уменьшение n до n=200 об/мин (режим 5) приводит на первый взгляд к парадоксальному явлению: взамен L=S_M/n=S_O стало выполняться соотношение L=S_Z=S_M/(n×Z). Расстояние между гребешками стало равно подаче на зуб L'=S_Z, то есть только в этом случае начинает выполняться формула (2). Таким образом, явление последовательной работы в одном месте полосы всех расположенных по окружности фрезы зубьев можно избежать при увеличении соотношения S_M/n. При дальнейшем уменьшении n (n<200 об/мин) и, соответственно, увеличении S_O=S_M/n (S_O>40 мм/об) соотношение L=S_Z сохранялось. Выполнение соотношения L=S_Z привело к необходимости соблюдения особых требований к качеству фрез и, как следствие, к частой их замене (режим 5). Действительно, в этом случае каждый зуб обрабатывает отдельную впадину, а дублирование его работы следующим по окружности фрезы зубом не осуществляется. В результате фрезерованный профиль стал в точности отражать дефекты обрабатывающего инструмента.

В целом влияние режима фрезерования (соотношения S_M/n) на рельеф обработанных полос (L) можно представить в виде диаграммы, состоящей из горизонтальных участков: L=S_O и L=S_Z, представленных, соответственно, режимами 1-4 и 5, а также из некоего промежуточного участка, представленного весьма условно в виде пунктирной линии (фиг. 3). Ранее рассмотренные опыты показывают, что режимы, соответствующие горизонтальным участкам диаграммы, не дают удовлетворительных результатов: режим 3 связан с низкой производительностью, режимы 1, 2 и 4 приводят к низкой стойкости фрез и надирам при последующей прокатке, режим 5 - также к необходимости частой замены фрез. Поэтому оптимальные режимы фрезерования следует ожидать в области переходного промежуточного участка (см. фиг. 3). Очевидно, что форма и расположение этой линии перехода от L=S_Z к L=S_O зависит в первую очередь от компоновки и суммарной жесткости используемого оборудования, но также от механических свойств обрабатываемого материала. Поэтому в каждом конкретном случае для выбора оптимальных режимов обработки необходимо предварительно устанавливать расположение и форму переходной линии связи режима фрезерования (S_M/n) и профиля фрезерованной поверхности (L).

В нашем случае при обработке полосы латуни Л63 в используемой линии двустороннего фрезерования крайние значения переходной линии функции связи L(S_M/n) уже известны: интервалу изменения L от L=S_O до L=S_Z соответствует интервал режимов обработки 13 мм/об<S_M/n<40 мм/об. Видно, что при минутной подаче S_M=8 м/мин такие режимы достигаются варьированием скорости вращения фрезы в диапазоне 200 об/мин<S_M/n<600 об/мин. Исходя из такого предварительно установленного соответствия интервалов допустимых рельефов фрезерованной поверхности и режимов обработки, обеспечивающих эти интервалы, можно пока приблизительно назначить режим обработки, обеспечивающий получение рельефа, укладывающегося в регламентируемый интервал L=(2÷4)×S_Z. Процесс, наблюдаемый при n=300 об/мин (режимы 6 и 7, являющиеся по сути одним режимом при обработке разных материалов), можно охарактеризовать как «разбиение» одной большой исходной впадины размером L=26,(6) мм на промежуточные впадинки с расстоянием между гребешками L'=4,0÷4,5 мм и общее выравнивание профиля. То есть рельеф поверхности, обработанной по режиму 6 и свернутой в рулон полосы латуни Л63 (фиг. 4) или сплава ЛМц58-2 (режим 7), несмотря на наличие мелких впадин, чередующихся с гребешками, по высоте много меньше высоты исходной впадины между гребешками, например, при L=10 мм (ср. с фиг.4). Причем в зависимости от обрабатываемого материала рельеф фрезерованной поверхности (величина L), как и следовало ожидать, несколько изменялся, см. таблицу 2, режимы 6, 7. (Следует отметить, что большие исходные впадины не исчезают совсем, а сохраняются в виде чуть заметных по высоте волн, каждая из которых по-прежнему равняется по длине S_O=S_M/n.) Видно, что соотношение расстояния между гребешками и подачей на зуб L/S_Z=2,1÷2,4, обеспечиваемое режимами 6 и 7, см. таблицу 2, удовлетворяет условию (4), регламентируемому предлагаемым способом. Таким образом, в данном случае удалось получить необходимый режим, формально даже не используя зависимость L/S_Z=f(S_M/n).

Однако применение такой предварительно установленной зависимости позволяет гарантированно избежать риска неправильного выбора режима обработки. Имеющиеся результаты фрезерования полос латуни Л63 по режимам №№4-6, расположенным на переходной линии функции связи L(S_M/n), позволяют точнее, нежели на фиг. 3, описать форму этой связи и связи L/S_Z=f(S_M/n), фиг. 5. Степенные функции в этом случае обеспечивают значительно более высокую степень аппроксимации (коэффициент детерминации R²): L(L')=417,1(S_M/n)^-1,35 мм; R²=0,99; L/S_Z=5963(S_M/n)^-2,35; R²=0,996. Действительно, степень аппроксимации первоначально предполагаемой линейной функции связи L(S_M/n) переходного режима (см. пунктирную линию на рис. 4) составляла лишь R²=0,82÷0,86. Таким образом, использование всего лишь трех точек, на линии функции связи L(S_M/n), позволило существенно более точно описать расположение и форму связи режима фрезерования и профиля обработанной поверхности.

Для решения обратной задачи - установления режима обработки, обеспечивающего необходимый рельеф фрезерованной поверхности, необходимо решить второе уравнение относительно S_M/n: S_M/n=((L/S_Z)/5963)^(1/-2,35). Например, необходимо найти режим, обеспечивающий в отличие от режима 6 рельеф, приближающийся к верхней границе условия (4). (Такая необходимость возникает, когда осуществляется обработка достаточно изношенным инструментом и целесообразно увеличить число «дублирующих» зубьев.) Примем, например, L/S_Z=3,5. Тогда в соответствии с установленной выше связью S_M/n=f(L/S_Z) получим S_M/n=23,5 мм/об. Поскольку связь S_M/n=f(L/S_Z) получена здесь лишь по трем экспериментальным точкам (рекомендуется большее их количество) и точность полученной регрессионной модели может вызывать сомнение, округляем рассчитанное значение S_M/n=23,5 мм/об в меньшую сторону до S_M/n=20 мм/об. Это позволяет гарантировать выполнение условия 2×S_Z<L<4×S_Z и избежать большого количества «дублирующих» зубьев. Для скорости S_M=8 м/мин соотношение S_M/n=20 мм/об достигается при n=400 об/мин (режим №8). При его реализации получено: L/S_Z=3,5, то есть округление S_M/n в меньшую сторону оказалось вполне оправданным.

Производили обработку до полного износа фрез по трем режимам №6÷8, назначенным в соответствии с предлагаемым способом управления фрезерованием полосы. В ходе опытных работ установлено значительное повышение стойкости фрез. Уже первой парой фрез было отфрезеровано: 2 рулона меди, 2 - Л63, 4 - МНМц50-10-5, 16 - ЛМц58-2, что существенно больше нормы обработки между переточками. Если ранее замену фрез осуществляли 1-2 раза в смену, то при переходе на режимы №№6÷8 замену производят в среднем не чаще 1 раза в сутки при трехсменной работе линии фрезерования. Дефекты «надиры» на поверхности ленты, прокатанной из полос, отфрезерованных по новым режимам, при этом не обнаруживались.

Предлагаемый способ управления фрезерованием полосы позволит повысить качество поверхности готового проката и стойкость фрез, а в результате - снизить себестоимость лентопрокатного производства.