Изучалась обработка металла на токарном станке, а конкретнее динамика резания с использованием аналитического метода и моделирования динамических характеристик сил резания, возникающих вследствие колебания толщины припуска, неоднородности материала Елкин А.И., Новиков А.О.
В данной статье рассматривается токарная обработка металла чпу, выявление зависимостей сил резания от динамических изменений толщины среза, вибрации резца и скорости резания. Также приведены схемы моделей при вибрации в процессе резания металла. Обработка заготовок на токарных станках металлорежущими лезвийными инструментами представляет собой сложную систему с многокритериальными оптимизационными решениями, которая и не в полной мере изучена.
Эффективная токарная обработка это расчеты резания, которые полностью оптимизированы. Процесс характеризуется большим числом взаимосвязанных факторов, влияющих неоднозначно из-за меняющихся параметров и из-за трудностей в определении связей между входными и выходными параметрами. Верный расчет режимов токарной обработки, работа с переменными, может значительно улучшить процесс обработки металла. При рассмотрении влияния множества переменных параметров всей технологической системы на характеристики процесса резания можно выявить резервы улучшения параметров резания инструмента, надежности работы оборудования, повышения производительности труда, обеспечения качества обрабатываемых поверхностей.
Предлагается рассмотреть процесс токарной обработки и вынести аналитическое решение проблем процесса резания с многопараметрической оптимизацией, а также провести моделирование динамического процесса резания. Рассматриваемая технологическая система представляется многоконтурной динамической системой. Методика расчетных моделей представлена как колебательная система, состоящая из пространственных твердых тел, соединенных по степеням свободы упругими и демпфирующими связями.
При исследовании введено допущение прямоугольного резания для выявления сущности динамических характеристик, после их выявления предлагается перейти к получению данных при трехмерном резании материала. Целью исследования являлось выявление зависимостей сил резания от динамических изменений толщины среза, вибрации резца и скорости резания.
На рис. 1 приведены схемы моделей при вибрации в процессе операции токарной обработки. На рис. 1, а представлена схема модели установившегося режима резания (нулевая точка, когда изменение режимов отсутствует. При установившихся условиях резания толщина среза u 1 равна некоторой постоянной u 1с, при этом скорость резания V 1 = V 10, где V 10 средняя постоянная скорость резания.
На рис. 1, б представлена обработка металла на токарном станке, а точнее схема модели с волнообразной обрабатываемой поверхностью, которая определяет колебания толщины среза в области среднего постоянного значения толщины среза u 10, при условии постоянной скорости резания. Толщина среза моделируется синусоидальной функцией.
На рис. 1, в представлена схема модели при вибрации резца в направлении силы резания Р с, которая вызывает колебания скорости резания, при условии постоянной толщины среза u 1 Колебание скорости выражено зависимостью с учетом амплитуды изменения толщины среза и синусоидальной функцией частоты и времени действия на резец.
На рис. 1, г представлена схема модели при которой показана работа резца с вибрацией в направлении отжимающей силы P t, которая вызывает колебания значений параметров.
Рис. 1. Схемы моделей при вибрации резца при обработке металла на токарном станке. Колебания параметров резания u 1 и V 1, обусловлены волнистостью обрабатываемой поверхности или вибрацией резца: а - установившийся режим резания; б - волнистая обрабатываемая поверхность; в - вибрация резца в направлении силы резания Рс ; г - вибрация резца в направлении отжимающей силы Pt.
Резание металлов и токарная обработка в условиях вибрации включает в себя все факторы и схемы моделей, представленные на рис. 1, они действуют одновременно, причем соотношения их величин различны. Могут возникнуть условия, когда преобладать будут одна или несколько составляющих из числа схем представленных моделей. Могут возникнуть условия, когда одновременно будут действовать все составляющие схемы моделей. Разные составляющие имеют различное воздействие при незатухающей вибрации технологической системы. Для выявления их влияния потребовалось изучить процесс резания в динамических условиях, а также выявить физические явления, изменение пластической текучести металла в динамических условиях и сил инерции при колебаниях режима резания с высокой частотой.
При аналитическом исследовании рассматриваются сила Q, приложенная к передней поверхности резца, и сила вдавливания Р на оконечности режущей кромки, которые принимаются за причину динамического воздействия на процесс резания. Влияние динамических эффектов каждой силы можно определить в отдельности. Из практики и из ряда исследований (1,2,4) установлено, что сила Q в большей степени влияет на динамическое воздействие при обработке заготовок на станках токарной группы.
Уравнение равнодействующей в векторном виде представляется выражением R=Р+Q, в котором динамическое изменение силы вызывает соответствующие изменения равнодействующей R, приложенной к резцу.
Проанализируем динамическое влияние колебаний толщины среза, начиная со случая вибрации резца в направлении отжимающей силы при плоской обрабатываемой поверхности (рис. 1, г). Решение заключается в нахождении расположения максимальных напряжений сдвига в зоне отделения стружки от материала заготовки, что соответствует минимальной силе резания в зависимости от угла сдвига. Используя принцип минимума энергии, можно получить решение, так как мгновенная скорость резания V1 представленная на рис., входит в выражение для энергии в единицу времени и не зависит от ориентации зоны сдвига (i - мгновенное значение переменных).
Угол сдвига ф между направлением мгновенного движения резца и зоной сдвига меняется во времени. Угол сдвига при резании изменяется вследствие волнистости обрабатываемой поверхности. В исследованиях Э. В. Рыжова показано, что при наклоне обрабатываемой поверхности перед резцом угол сдвига будет увеличиваться или уменьшаться в зависимости от положительного или отрицательного угла наклона поверхности. Следовательно, при переменном наклоне обрабатываемой поверхности при наличии волнистости угол сдвига поверхности резца будет изменяться. Изменение угла сдвига вызывает смещение соответствующих волн ответной реакции сил резания. Это смещение обусловливает сдвиг по фазе между волнистостью обрабатываемой поверхности и ответной реакцией сил резания. Изменение угла сдвига оказывает динамическое воздействие на процесс резания.
Когда проводится токарная обработка заготовок, при вибрации резца ответная реакция силы вызывает приращение энергии в период движения резца или энергия может отбираться от энергии вибрации резца, что определяется фазовой зависимостью между волнообразной траекторией движения резца и волнистостью обрабатываемой поверхности.
Рис. 2. Схема механизма резания металла при вибрации резца в направлении отжимающей силы.
При обработке волнистой поверхности сдвиг обусловлен определением толщины среза. Следовательно, сила Q соответствует толщине среза u1 у вершины резца, где фазовый сдвиг между силой Q и изменением толщины среза u1 отсутствует. Переменный наклон обрабатываемой поверхности перед резцом вызывает изменение угла сдвига в процессе резания.
Динамическая сила зависит от частоты и при больших частотах ее величина значительно увеличивается.
Выведенные аналитические зависимости проверялись при компьютерном моделировании по способу обработки на токарном станке; имитировалась токарная обработка торцов под прямым углом. Нагружение на резец осуществлялось в направлении подачи. Регистрировались колебания толщины среза на входе и с учетом сил колебания на выходе. Измерение амплитуд входных и выходных волн, зависимости между фазами проводилось на специальном стенде с обработкой данных на ЭВМ.
Расхождения аналитических расчетов и компьютерных данных по схемам моделирования не превышали 10%, а характер зависимостей совпал с аналитическими данными.
Динамический характер сил резания определялся геометрическими параметрами и влиянием отжимающей силы вдавливания на вершину режущей кромки.
Когда происходила обработка металлов резанием, в динамическом процессе выявлены характеристики динамического воздействия на силы резания, которые объясняются геометрическими схемами моделей механизма резания металла. Предложен метод определения влияния инерционных сил, возникающих вследствие изменения положения зоны сдвига при явлениях вибрирующего резца.
Исследуемая обработка металла на токарном станке позволяет построить модели процессов резания в зависимости от следующих параметров: колебания припуска на обработку, скорости резания, геометрических параметров резца. Это позволит повысить качества изделия, его точность, уменьшить износ металлорежущего оборудования и инструмента.
In given article revealing of dependences of forces of cutting from dynamic changes of a thickness of a cut, vibration of a cutter and speed of cutting is considered. Also schemes of models are resulted at vibration in the course of metal cutting.
Keywords: thickness of a cut, cutter vibration, speed of cutting.
Рис. 3.1, 3.2, 3.3. Влияние угла приложения резца на обработку.
