background image

 
 
 
 
 
 

7. OPTYMALIZACJA PARAMETRÓW SKRAWANIA 

 
 
 

7.1 Cel ćwiczenia 

 
 

 

Celem  ćwiczenia  jest  zapoznanie  studentów  z  wyznaczaniem  optymalnych  parame-

trów skrawania metodą programowania liniowego na przykładzie toczenia. 

 
 
 

7.2 Wprowadzenie 

 
 

 

Optymalny dobór warunków skrawania wynika z uwzględnienia wymagań stawianych 

przez  konstruktora  (wymagania  w  zakresie  dokładności  wymiarowo-kształtowej  i 
powierzchniowej  oraz  właściwości  warstwy  wierzchniej),  ograniczeń  obróbkowych 
(sposób  obróbki,  obrabiarka,  narzędzie  oraz  przedmiot  obrabiany)  oraz  ekonomii 
wytwarzania (jak najmniejsze zużycie materiałów, wysoka wydajność produkcji oraz jak 
najmniejszy koszt jednostkowy) [L. 1]. 
 

W zależności od stopnia poznania zależności fizycznych i techniczno-ekonomicznych 

danego sposobu obróbki wyróżnia się optymalizację warunków skrawania: 

- zupełną  (kompleksową)  -  polegającą  na  ujęciu  zależności  pomiędzy  kryteriami 

a warunkami obróbki w postaci układu równań i jego rozwiązaniu, 

- częściową  -  polegającą  na  częściowym  założeniu  kilku  danych  i  wyznaczeniu 

optymalnych  wartości  niektórych  parametrów  obróbki  uwzględniających  przyjęte 
kryteria. 

 

W  ćwiczeniu  wykorzystano  metodę  programowania  liniowego,  stosowaną  do 

zagadnień dających się opisać liniowymi układami równań i nierówności. Optymaliza-cja 
parametrów skrawania metodą programowania liniowego polega na [L. 2]: 

- wyborze  kryterium  optymalizacji  (maksymalna  wydajność,  najmniejszy  koszt 

operacji, itp.), 

background image

7. Optymalizacja parametrów skrawania                                    75  

 

- przyporządkowaniu  dla  wybranego  kryterium  funkcji,  nazywanej  funkcją  celu  lub 

funkcją kryterialną - dającej się przekształcić w równanie liniowe, 

- ułożeniu  nierówności  opisujących  ograniczenia,  na  podstawie  warunków  ogra-

niczających optymalizowane parametry skrawania, 

- zestawieniu  w  liniowy  układ  wszystkich  nierówności,  stanowiący  razem  z  liniową 

funkcją celu model matematyczny obiektu optymalizacji, 

- wykorzystaniu  modelu  matematycznego  do  wyznaczenia  optymalnych  parametrów 

skrawania  -  można  tego  dokonać  graficznie  (rys.  7.1)  lub  analitycznie,  wykorzystując 
technikę komputerową. 

W  ćwiczeniu  wyznaczane  są  optymalne  wartości  prędkości  skrawania  i  posuwu,  przy 
ustalonych  pozostałych  parametrach  skrawania,  na  przykładzie  obróbki  toczeniem. 
 

Celem  sprawdzenia  poprawności  obliczeń  zostaną  wykonane  próby  toczenia  i 

pomierzona  chropowatość  powierzchni,  która  jest jednym z warunków ograniczających 
parametry skrawania. Jako kryterium optymalizacji przyjęto najmniejsze koszty operacji 
i największą wydajność obróbki. Przy założonej trwałości narzędzia (T=const) parametry 
te osiągną ekstrema wówczas, gdy czas maszynowy będzie najmniejszy. 
 

Z  uwagi  na  powyższe,  funkcję  celu  możemy  zapisać  jako  iloczyn  prędkości 

obrotowej i posuwu: 

f

celu

  =  n   f

   

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.1) 

 

Ponieważ funkcje muszą być liniowe: 

  

F

celu

  =  Y  +  X    

 

 

 

 

 

 

 

(7.2a) 

 

gdzie:   

F

f

celu

celu

  =  ln 

 

Y  =  ln n

X  =  ln f

  

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    (7.2b) 

 

 

 

 

 

n - prędkość obrotowa,   

f - posuw 

 

Dla tak przyjętej funkcji celu należy przeanalizować warunki ograniczające: 

 

- ograniczenia konstrukcyjne obrabiarki 

 prędkość  obrotowa  nie  może  przekroczyć  wartości  maksymalnej  i  minimalnej 

prędkości obrotowej obrabiarki 

 

 n

max

   

i   

 n

min

 

 

 

 

 

 

(7.3a) 

 

   

uwzględniając (7.2b) oraz ln n

  =  B

max

1

   i   ln n

  =  B

min

2

 

 

 B

1

   

i   

 B

2

   

 

 

 

 

 

(7.3b) 

 

 posuw  nie  może  przekroczyć  wartości  maksymalnego  i  minimalnego  posuwu 

obrabiarki 

 f

max

   

i   

 f

min

   

 

 

 

 

 

(7.4a) 

   

uwzględniając (7.2b) oraz ln f

  =  B

max

3

  i  ln f

  =  B

min

4

 

background image

  76                                          Laboratorium Obróbki Skrawaniem 
 

 

 B

3

   

i   

 B

4

   

 

 

 

 

 

(7.4b) 

 

- ograniczenie wynikające z właściwości skrawnych ostrza 

 

   D  n

1000

   

C

T    a

   f

v

m

p

ev

uv

   

 

 

 

 

 

 

(7.5a) 

   

przekształcając (7.5a): 

n   f

   S

uv

1

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.5b) 

 

   

gdzie:   

S   =  

1000  C

   D  T    a

1

v

m

p

ev

 

   

logarytmując (7.5b): 

 

ln n  +  u    ln f 

 ln S

v

1

  

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.5c) 

 

   

uwzględniając (7.2b) oraz ln S   =  B

1

5

 

 

Y  +  u    X   B

v

5

   

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.5d) 

 

- moc skrawania nie może przekroczyć mocy obrabiarki zredukowanej na wrzeciono 

 

F    v

60   1000

   N    

c

c

s

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.6a) 

 

   

gdzie:   

N

s

 - moc silnika, 

 - współczynnik sprawności 

 

   

uwzględniając 

F   =  C    a

   f

c

p

e

u

Fc

Fc

Fc

 

 

n   f

   S

u

2

Fc

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.6b) 

 

   

gdzie:   

S2  =  

60 10002    Ns   

   D   CFc    ap

eFc

 

   

logarytmując (7.6b) i uwzględniając (7.2b) oraz ln S   =  B

2

6

 

 

Y  +  u    X   B

Fc

6

   

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.6c) 

background image

7. Optymalizacja parametrów skrawania                                    77  

 

-  siła  skrawania  F

c

  nie  może  przekroczyć  siły  wynikającej  z  wytrzymałości  trzonka 

narzędzia na zginanie (obróbka zgrubna) 

 

F    l   M

c

y

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.7a) 

   

gdzie:   

     l - odległość punktu przyłożenia siły skrawającej od imaka 

   

 

 

 

M

y

 - dopuszczalny moment zginający 

   

po uwzględnieniu zależności na siłę skrawania i przekształceniu 

 

 S

3

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.7b) 

 

   

gdzie:   

S3  =  

M y

l   CFc    ap

eFc

uFc

1

 

 
   

logarytmując (7.7b) i uwzględniając (7.2b) oraz 

ln S   =  B

3

7

 

 

 B

7

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.7c) 

 
-  ograniczenie  wynikające  z  dopuszczalnego  ugięcia  wierzchołka  noża  (0,1  mm  dla 

toczenia  zgrubnego,  0.05  mm  dla  toczenia  dokładnego),  znając  siłę  skrawania  oraz 
zakładając  dopuszczalne  ugięcie  narzędzia  można,  wykorzystując  wzory  wytrzy-
małości materiałów wyznaczyć wartość stałej 

S

4

 ograniczającej posuw 

 

 S

4

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.8a) 

 
   

logarytmując (7.8a) i uwzględniając (7.2b) oraz ln S   =  B

4

8

 

 

 B

8

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.8b) 

 
- ograniczenie wynikające z chropowatości powierzchni obrobionej 
 

R   =  C    

f

v

z

R

u

c

s

R

R

   

 

 

 

 

 

 

 

(7.9a) 

 
   

gdzie:   

C

R

 - stała uwzględniająca warunki obróbki (rodzaj materiału obra- 

 

 

 

 

 

    bianego, geometrię ostrza itp.) 

   

 

 

 

 

R

z

 - wysokość chropowatości 

background image

  78                                          Laboratorium Obróbki Skrawaniem 
 

   

uwzględniając 

v   =  

   D   n

1000

c

 

  i przekształcając (7.9a) 

 

f
n

   S

u

s

5

R

R

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.9b) 

 

   

gdzie:   

S5  =  

R z

CR

   

   D

1000

sR





 

 
   

logarytmując (7.9b) i uwzględniając (7.2b) oraz 

ln S   =  B

5

9

 

 

- s    Y  +  u    X   B

R

R

9

   

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.9c) 

 

 

Przedstawione  wyżej  ograniczenia  nie  wyczerpują  w  pełni  opisanego  procesu.  Na 

ograniczenie  prędkości  skrawania  oraz  posuwu  mają  jeszcze  wpływ  dopuszczalne 
ugięcie  przedmiotu  obrabianego,  wytrzymałość  mechanizmu  posuwu  obrabiarki, 
stabilność  układu  OUPN,  itp.  [L. 2].  Model  matematyczny  uproszczono  z  uwagi  na 
dobór  ustalonych  parametrów  obróbki  (głębokość  skrawania,  sztywny  przedmiot 
obrabiany). Zapis zbiorczy tego modelu przedstawia się następująco: 
 
 
 
 
 

model matematyczny 

ograniczenia

 B1

 B2

 B3

 B4

Y  + u v   X   B5

Y  +  u Fc    X   B6

 B7

 B8

- sR   Y  +  uR   X   B9

funkcja celu 

  =   Y  +  X max





Fcelu

  

 

(7.10)

 

background image

7. Optymalizacja parametrów skrawania                                    79  

 

 

Y = ln n

X = ln f

45

o

A

B

C

D

Y

X

opt

opt

Y >= B

Y <= B

2

1

X

>=

B

4

F

celu

|min

F

celu

|ma

x

Y + u  X

<=B

5

v

Y + u

   X<

=B

6

Fc

-s

  Y

+u

  X

<=

B

R

R

9

X

<

=B

8

X

<

=B

7

X

<=

B

3

 

 

Rys. 7.1. Graficznie przedstawiony model matematyczny doboru parametrów skrawania 

metodą programowania liniowego

 

 
 

Na  rys.  7.1  przedstawiono  wielobok  ABCD  zawierający  możliwe  rozwiązania 

powyższych  nierówności.  W  przypadku  gdy  nierówności  nie  będą  sprzeczne  wielobok 
ten będzie wypukły. Ekstremalne wartości funkcji celu oznaczone są na rysunku liniami 
przerywanymi.  Dla  wieloboku  przedstawionego  na  rysunku  wartości  optymalne 
odpowiadają  punktowi  C  i wynoszą  Yopt  i  Xopt.  Po przekształceniu optymalne  obroty 
i posuw wynoszą: 
 
 

 

 

nopt  =  exp  Yopt           ;           fopt  =  exp  Xopt

 

 

 

 

(7.11) 

background image

  80                                          Laboratorium Obróbki Skrawaniem 
 

7.3 Przebieg ćwiczenia 

 
 

Zadanie1 

 

 

Wyznaczyć optymalne parametry skrawania f i v

c

, przy ustalonej 

a

p

 oraz założeniu 

wymaganej  chropowatości  powierzchni  i  trwałości  narzędzia,  dla  obróbki  toczeniem. 
W tym  celu  należy  pomierzyć  wybrane  parametry  geometryczne  narzędzia  (

 

r

r

,

,   ,  r  

oraz  przekrój  trzonka)  i  ustalić  wielkość  wysunięcia  noża  z  imaka  a  następnie  urucho-
mić  program  c:\OBRSKR\cwicz7.exe  i  postępować  zgodnie  z  instrukcjami  pojawiają-
cymi się na ekranie. 

 
 

Zadanie 2 

 

 

Zweryfikować doświadczalnie wyniki otrzymane w zadaniu 1 wykonując co najmniej 

trzy  próby  toczenia,  jedną  z  parametrami  optymalnymi  wyznaczonymi  w zadaniu  1, 
pozostałe  z  parametrami  f  i  v

c

  większymi  od  optymalnych.  Po  wykonaniu  zadania  1 

otrzymuje  się  wykres  zbliżony  do  rys.  7.1  z  wartościami  rzeczywistymi,  przyjęte 
parametry powinny wyznaczać punkt leżący poza wielobokiem ABCD,  poniżej prostej 
przechodzącej  przez  punkty  BC.  Policzyć  wydajność  skrawania  w  poszcze-gólnych 
próbach: 

QV  =  1000   ap   f   vc         

mm3

min

   

 

 

 

 

(7.12) 

 

Zmierzyć  chropowatość  próbek,  wskazać  detale  o  chropowatości  spełniającej 

warunek  przyjęty  w  zadaniu 1,  opracować  wnioski  dotyczące  doboru  parametrów 
skrawania przyjmując jako kryterium maksymalną wydajność. 

background image

7. Optymalizacja parametrów skrawania                                    81  

 

INSTYTUT OBRABIAREK I TECHNOLOGII BUDOWY MASZYN 

ZAKŁAD OBRÓBKI SKRAWANIEM I NARZĘDZI 

LABORATORIUM OBRÓBKI SKRAWANIEM 

 
ĆWICZENIE 7  OPTYMALIZACJA PARAMETRÓW SKRAWANIA 
 
GRUPA NR:   

 

 

 

DATA: 

ODRABIAJĄCY ĆWICZENIE:   

PROWADZĄCY:....................................... 

1.  ......................................................  5.  ........................................................ 
2.  ......................................................  6.  ........................................................ 
3.  ......................................................  7.  ........................................................ 
4.  ......................................................  8.  ........................................................ 
 
ZADANIE 1. WYZNACZANIE OPTYMALNYCH PARAMETRÓW f i n: 
 

Wartości pomierzone 

kąt przystawienia                    

r

 [] 

 

kąt przystawienia pomocniczy 

r

,

 [] 

 

promień zaokrąglenia naroża   

r

 [mm] 

 

średnica toczenia                      D [mm] 

 

szerokość trzonka noża              b [mm] 

 

wysokość trzonka noża              h [mm] 

 

wysunięcie noża z imaka            l [mm] 

 

materiał obrabiany 

 

Wartości przyjęte 

                         T    [min] 

 

                         

R

z

 [m] 

 

 
WYNIKI OBLICZEŃ: 
 
 

 

 

 

 

f

  =

opt

   

 

 

 

 

 

 

n

  =

opt

 

background image

  82                                          Laboratorium Obróbki Skrawaniem 
 
ZADANIE 2. WERYFIKACJA DOŚWIADCZALNA: 
 

Nr Próby 

D   [mm] 

 

a

p

 [mm] 

 

f     [mm/obr] 

 

 

 

 

 

n    [obr/min] 

 

 

 

 

 

Q

V

 [mm3/min] 

 

 

 

 

 

R

z

  [m] 

 

 

 

 

 

 
WNIOSKI: