Оптимизация режимов резания при токарной обработке металлов

 
 
 
 
М. В. Соколов 
 
 
 
 
 
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ  
ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 

Рекомендовано Научно-техническим  
советом ФГБОУ ВО «Тамбовский  
государственных технический университет» 
УДК 621.91.01 
ББК 34.5 
С59 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Материалы и технология» 
Тамбовского государственного технического университета 
Мордасов Денис Михайлович; 
зам. начальника производства АО «Тамбовский завод “РЕВТРУД”» 
Долотов Виктор Иванович 
 
 
 
 
 
 
 
 
Соколов, М. В. 
С59   
Оптимизация режимов резания при токарной обработке металлов : монография / М. В. Соколов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 
96 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1907-9 
 
Описана концепция создания программы расчета оптимальных режимных параметров процесса резания и описана его разработка. Дана характеристика программных 
средств, используемых для создания программы. Проведены численные эксперименты 
по проверке адекватности работы программы для ЭВМ. Представлены методики моделирования и оптимизации процессов резания, которые показывают огромный потенциал CAD-систем в исследовании механической обработки материалов.  
Для специалистов в области машиностроения, а также для студентов старших курсов и магистрантов по направлениям бакалавриата 15.03.05, 15.03.01 и магистратуры 
15.04.05, 15.04.01 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» профиль «Технология машиностроения» и «Машиностроение» профиль «Цифровое машиностроение», соответственно. 
 
УДК 621.91.01 
ББК 34.5 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1907-9 
” Соколов М. В., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 4 
1. Литературно-патентный обзор методов оптимизации процессов резания ....... 7 
1.1. Методы оптимизации процессов резания 
...................................................... 7 
1.2. Основные принципы выбора критериев оптимальности ........................... 18 
Постановка задач исследования .......................................................................... 19 
2. Разработка программы расчета оптимальных режимных 
параметров процесса резания 
................................................................................... 21 
2.1. Характеристика среды программирования Delphi 7 .................................. 21 
2.2. Разработка блок-схемы проектирования процессов резания .................... 27 
2.3. Описание работы созданного приложения 
.................................................. 30 
Выводы к главе 2 ................................................................................................... 33 
3. Проведение численных экспериментов .............................................................. 34 
Выводы к главе 3 ................................................................................................... 39 
4. Применение результатов исследований в модернизации образовательного 
процесса при обучении по направлениям машиностроительного профиля 
15.00.00 Машиностроение 
........................................................................................ 40 
4.1. Система автоматизированного проектирования процессов резания  
в машиностроении 
................................................................................................. 40 
4.2. Визуализация механических процессов обработки  
как технологический фактор влияния на образование 
...................................... 42 
Выводы к главе 4 ................................................................................................... 45 
Заключение 
................................................................................................................. 46 
Список использованных источников ...................................................................... 47 
Приложение А. Программа расчета оптимальных режимных параметров  
процесса резания ....................................................................................................... 53 
3 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Во все времена сокращение сроков проектирования и подбор оптимальных параметров процесса резания – это важнейшие требования, предъявляемые 
к разработке технологического процесса. Определение оптимальных конструктивных и режимных параметров процесса резания является наиболее часто решаемой задачей при проектировании технологических процессов в машиностроении.  
Под оптимальными конструктивными параметрами процесса резания 
следует понимать нахождение оптимальной конструкции и геометрии режущего инструмента. Определению оптимальной геометрии режущего инструмента 
посвящены исследования Ф. Тейлора, М. Н. Ларина, А. И. Бетанели, Г. Л. Хаета, С. И. Петрушина, А. С. Верещака, Ю. Г. Кабалдина и многих других.  
В настоящее время нет единого подхода к выбору наивыгоднейших геометрических параметров режущей части на стадии проектирования инструментов и 
технологических процессов, а имеющиеся в справочниках и нормативах рекомендации носят общий характер. Это приводит к тому, что на практике геометрические параметры подвергаются корректировке в процессе эксплуатации инструмента, что влечет за собой дополнительные материальные и финансовые 
потери.  
Вопросами автоматизации процесса определения оптимальных режи- 
мов резания посвящены работы Г. К. Горанского, Г. Ю. Якобса, Е. Сикора,  
Е. П. Чуракова и др. Однако в работах этих авторов уделено мало внимания 
влияния динамической составляющей процесса резания на режимы резания. 
Одновременное решение комплекса задач оптимизации конструктивных 
и режимных параметров процесса резания весьма трудоемко. Отсюда возникает 
необходимость в разработке специального методического и программного 
обеспечения, осуществляющего оптимизацию конструктивных и режимных параметров процесса резания, и его реализация в виде информационной системы 
поддержки принятия решений с элементами искусственного интеллекта. 
4 

Актуальность проблемы состоит в сокращении сроков проектирования и 
подбор оптимальных параметров процесса резания – это важнейшие требования, предъявляемые к разработке технологического процесса. Определение оптимальных режимов резания представляет одну из частых задач в процессе 
проектирования технологических процессов в машиностроении.  
Поэтому особо важное значение приобретает правильный выбор действительно оптимальных режимов резания, обеспечивающих наибольший экономический эффект с учетом, по возможности, всех факторов, влияющих на производительность, технические качества и экономику производства.  
Целью работы является создание алгоритма и программного обеспечения 
для расчета оптимальных параметров процесса резания на примере токарной 
обработки (разработка порядка расчётов, производимых программой, разработка алгоритма работы программы). 
Для достижения цели были поставлены следующие задачи: 
1) разработать порядок расчёта оптимальных параметров процесса резания; 
2) разработать алгоритм работы программного обеспечения; 
3) провести численные эксперименты по проверке адекватности работы 
созданного блока. 
Объектом исследования является оптимизация процессов лезвийной обработки материалов. 
Предметом исследования является программа, осуществляющая полную 
оптимизацию режимных параметров процессов механической обработки материалов. 
Научной новизной является разработанная концепция создания программного обеспечения для расчета оптимальных режимных параметров процесса резания, которое является блоком оптимизации САПР процессов механической обработки материалов на примере токарной обработки. 
5 

Практической значимостью является создание алгоритма и программного 
обеспечения для расчета оптимальных параметров процесса резания на примере 
токарной обработки. 
Реализация работы. Основные идеи и результаты работы используются в 
учебном процессе при подготовке студентов по направлениям 15.03.05, 
15.04.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных 
производств» и направлениям 15.03.01, 15.04.01 «Машиностроение». 
Определение оптимальных режимов резания представляет одну из частых 
задач в процессе проектирования технологических процессов в машиностроении. 
Режимы резания служат в большинстве случаев основой для разработки 
кинематики станка – чисел оборотов, чисел ходов, величины подач; динамики 
станка – мощности электромотора, усилий, возникающих при резании, величин 
крутящих моментов на шпинделях и валах станка, прочности и жесткости отдельных деталей и узлов станка и т. д. 
На основе выбранных режимов резания устанавливается периодичность и 
порядок смены режущих инструментов, расход инструментов, определяется 
число работающих, фонды зарплаты, число станков, необходимых для выполнения заданной программы, площади цехов и участков, необходимые капиталовложения и многие другие элементы организации и экономики производства. 
Поэтому особо важное значение приобретает правильный выбор действительно оптимальных режимов резания, обеспечивающих наибольший экономический эффект с учетом, по возможности, всех факторов, влияющих на производительность, технические качества и экономику производства [1]. 
В данной работе рассматривается разработка программы расчета оптимальных режимных параметров процесса резания на примере токарной обработки. 
6 

1. ЛИТЕРАТУРНО-ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР МЕТОДОВ 
ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ РЕЗАНИЯ 
 
Для постановки задачи исследования необходимо выполнить обзор существующих методов оптимизации процессов резания. Рассмотрим вышеупомянутое поэтапно. 
1.1. Методы оптимизации процессов резания 
Расчет оптимальных параметров (режимов резания, параметров качества 
и др.) технологического процесса или операции при заданной структуре с позиции некоторого критерия называют параметрической оптимизацией, которая 
предусматривает определение таких значений параметров х, при которых некоторая функция F(x), называемая целевой функцией, или функцией эффективности (например, приведенные затраты, технологическая себестоимость, штучное 
время, штучная производительность, технологическая производительность, 
вспомогательное время и др.), принимает экстремальное значение. 
Для решения задач оптимизации в технологическом проектировании используют математические модели и такие методы математического программирования, как линейное, целочисленное, динамическое, геометрическое и др. 
В технологическом проектировании операционные модели, описанные методами математического программирования, записывают в следующем виде [2]: 
x
x
x
F
min(max);
...
,
o
½
,
2
1
n
m
j
b
x
x
x
g
;
,
1
,
...
,
 
(1.1) 
 
d
 




j
n
j
,
2
1
°
¾
n
i
a
x
a
,
1
,
 
d
d
2
1
i
i
i
°
¿
где все управляемые хi могут принимать значения из множества [а1i, a2i]  
действительных чисел;  
F(x) и gj(х) – скалярные функции своих аргументов;  
bj – заданные действительные функции. 
7 

Задачи подобного типа в технологии машиностроения возникают при 
определении оптимальных режимов обработки. В этом случае могут быть использованы методы линейного и нелинейного программирования. 
Применение метода линейного программирования вызывает трудности, 
связанные с линейностью критерия оптимальности и ограничений. Например, 
при назначении плана черновой обработки поверхности заготовки должны быть 
учтены ограничения, связанные с техническими данными оборудования, характеристиками режущего инструмента, размерами детали и др. Эти ограничения 
выражаются через параметры переходов (рабочих ходов) – режимы резания и 
соответствующие величины, характеризующие условия обработки (мощность 
привода оборудования; допустимая сила, действующая на механизм подачи 
станка; прочность и стойкость режущего инструмента; допустимое перемещение заготовки под действием сил резания). 
Для согласования значений подачи s и частот вращения шпинделя n  
с паспортными данными оборудования используют коэффициенты геометрических рядов подач (ijs) и частот вращения шпинделя (ijп): 

s
s
s
;
M
1
1
z
s
 
n
n
n
.
M
 
(1.2) 
1
1
z
n

½
 
˜
°
¾
 
˜
°
¿
Лучшему варианту плана обработки будут соответствовать минимальные 
затраты:  
p
i
i
C
C
1
 
 ¦
, 
 
где    Сi – затраты на выполнение перехода (рабочего хода);  
р – число переходов (рабочих ходов). 
Затем путем логарифмирования ограничений и целевой функции, связанных с одним переходом (рабочим ходом), получают линейную задачу:  
3
1
; i = 1, n,  
Z = k0 + k1x1 + k2x2 + k3х3 ĺ min при ограничениях 
i
j
j
ij
b
x
a
d
˜
¦
 
где     x1 = lnt; x2 = zs; x3 = zn;  
8 

t, s – соответственно, глубина резания и подача при рассматриваемом переходе;  
aij – коэффициенты, зависящие от показателей степени при глубине резания, подачи и скорости резания в формулах сил и скорости резания,  
а также от коэффициентов геометрических рядов подач и частот вращения 
шпинделя;  
k0, ..., k3, bi – коэффициенты и величины ограничений, зависящие  
от конкретных условий обработки.  
Одним из возможных методов решения широкого класса нелинейных задач 
является метод геометрического программирования, который позволяет рассматривать задачи с учетом особенностей их инженерной постановки. Основное требование геометрического программирования состоит в том, чтобы все технические 
характеристики были выражены в виде положительных полиномов (позиномы) от 
регулируемых параметров.  Во многих технологических задачах зависимости между параметрами приводят к функциям типа позиномов. 
Для математической оптимизации может быть использован метод динамического программирования, который сводится к рекуррентным соотношениям (например, распределение припуска по технологическим переходам). Динамическое программирование является вычислительным методом, приводящим 
к глобальному оптимуму. 
Используют также различные методы поиска, исключающие полный перебор (например, регулярного поиска для определения оптимальных режимов 
резания при обработке ступенчатых валов на токарном гидрокопировальном 
полуавтомате). Задают исходные данные (размеры и материал детали, режущий 
инструмент, глубину резания, жесткость узлов станка, цикловые и внецикловые 
потери времени работы оборудования). Требуется найти режим обработки, удовлетворяющий условиям по точности обработки, шероховатости поверхности, 
мощности, расходуемой на резание, кинематике станка и приводящий целевую 
функцию к максимуму. 
9 

При параметрической оптимизации математические модели оценивают  
с точки зрения пригодности их использования для решения технологических 
задач в производственных условиях. Их оценивают с помощью статистического 
анализа путем:  
1) сравнения двух методов решения конкретной технологической задачи – 
математического моделирования и использования нормативных данных;  
при этом проверяют гипотезу соответствия значений двух выборок;  
2) проверки математической модели на чувствительность влияния случайных факторов;  
3) проверки математической модели на ее адекватность реальному технологическому процессу. 
Рассмотрим наиболее важные технические ограничения, взятые из работы [1]. Все ограничения приводятся к неравенствам, в левой части которых 
зафиксированы параметры режима резания, а в правой – параметры, характеризующие элементы СПИД: 
1) Ограничение устанавливает связь между скоростью резания, обусловленной принятой стойкостью инструмента, материалом режущей части инструмента, его геометрией, глубиной резания, подачей, механическими свойствами 
обрабатываемого материала, с одной стороны, и скоростью резания, определяемой кинематикой станка, с другой стороны: 
 
1000
y
x
m
C
K
n s
T
t
d
X
X
X
X
S
˜
˜
˜
d
˜
˜
˜
, 
(1.3) 
где   СX – постоянный коэффициент, характеризующий нормативные условия 
обработки;  
КX – общий поправочный коэффициент на скорость резания, учитывающий измененные условия обработки по сравнению с нормативными;  
xX, yX – показатели степеней; скорость резания X = S ā d ā n/1000; 
d – диаметр заготовки. 
10