автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Исследование влияния параметров режима резания и режущего инструмента с учетом интенсивности напряженно-деформированного состояния в зоне стружкообразования на устойчивость процесса резания

ВВЕДЕНИЕ.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Переменные силы резания при колебаниях

1.2. Причины возникновения вибрации и критерий устойчивости при резании металлов

1.3. Формулировка задач исследования. П. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРШОЗННО-ДЕФОШИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

МЕТАЛЛА, ПРЕВРАЩАЕМОГО В СТРУЖУ ПРИ ОБРАБОТКЕ

РЕЗАНИЕМ *

2.1. Способ определения и основные свойства кривых деформационного упрочнения при сжатии и растяжении.

2.2. Экспериментальное определение кривых деформационного упрочнения при сжатии и растяжении

2.3. Характер зависимости между напряжениями и деформациями в процессе резания.

Ш. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛЫ РЕЗАНИЯ

ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ (ТОЧЕНИИ).

3.1. Экспериментальное определение зависимости силы резания от скорости резания и переднего и заднего угла инструмента.

3.2. Определение величины изменения силы резания при изменении параметров режима резания и режущего инструмента.

3.2.1. Определение величины изменения силы резания при изменении скорости резания.

3.2.2. Определение величины изменения силы резания при изменении переднего и заднего угла инструмента

3.3. Учет характера силы сопротивления при исследовании динамики процесса резания . . -.

3.3.1. Экспериментальное определение силы сопротивления при относительном колебательном движении резца и заготовки.

3.3.2. Определение зависимости силы сопротивления от параметров режима резания при радиальном движении резца.

3.3.3. Учет характера силы сопротивления при исследовании автоколебаний в процессе резания '

17. АНАЛИЗ ДИНШШЕСКОЙ СИСТЕМЫ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО СТАНКА

ОРИЕНТИРОВАННОЙ ПО НАПРАВЛЕНИЮ.

4.1. Нелинейное уравнение колебаний в системе с одной степенью свободы

4.2. Анализ устойчивости автономной системы при наличии нелинейного демпфирования

4.3. Анализ системы с одной степенью свободы ориентированной по направлению в линейном приближении . ИЗ

4.4. Исследование устойчивости системы с двумя степенями свободы, ориентированной по направ-леншо.

У. КРИТЕРИИ УСТОЙЧИВОСТИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИИ ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ.

5.1. Экспериментальное определение параметров технологической системы токарного станка IK

5.1.1. Определение жесткости узлов станка а) Определение жесткости суппорта б) Определение жесткости суппорта с установленным динамометром УДМв) Определение жесткости заготовки

5.2. Определение собственной частоты логарифмического декремента, приведенных масс и коэффициентов сил сопротивления, пропорциональных скорости элементов колебательной системы . 132 • 5.2.1. Определение собственной частоты колебаний и логарифмического декремента элементов колебательной системы.

5.2.2. Определение величин приведенных масс и ноэф-фициентов сил сопротивления

5.3. Расчет критериев устойчивости в направлении системы суппорта.

5.4. Экспериментальное исследование вибрации при токарной обработке

ОСНОВНЫЕ вывода.

Оптимальная эксплуатация существующих и модернизируемых и совершенствование внедрения новых конструкций металлорежущих станков и инструментов невозможны без проведения больших комплексных исследований в области динамики процесса резания. Одним из главных критериев обеспечения высокой точности и качества обработанной поверхности и повышения стойкости инструмента является устойчивость движения станков, определяющая условия и границы возникновения, а также интенсивность колебаний технологической системы. В связи с этим изучение устойчивости движения металлорежущих станков занимает центральное место в общем объеме НИР во всех крупнейших конструкторских и производственных организациях станкостроения как в Тунисе, так и за рубежом.

Значимость и актуальность этой проблемы обуславливаются также непрерывной интенсификацией процесса резания вследствие все более широкого применения в различных отраслях народного хозяйства новых конструкционных материалов с повышенными механическими характеристиками и особыми свойствами (жаропрочные, нержавеющие, высокопрочные и др.), обработка резанием которых затруднена, и одновременным внедрением новых металлорежущих станков и инструментов, позволяющих проводить обработку при весьма напряженных режимах резания. Обеспечение стабильной безвибрационной работы станков путем рационального выбора параметров режима резания и режущего инструмента, динамических характеристик технологической системы станков и средств автоматизации является также необходимым этапом при создании гибких автоматизированных производственных систем и робототехнических комплексов. Проведенные до сих пор исследования по проблемам динамики процесса резания и устойчивости систем станков, как

- 6 правило, учитывают влияние отдельных технологических параметров процесса резания, конструктивных особенностей технологической системы станков, способы обработки и т.д., и поэтому носят частный характер, что затрудняет распространение полученных результатов на другие виды обработки, режимы резания, обрабатываемые материалы. Интенсивность напряженно-деформированного состояния материала в срезаемом слое является комплексным показателем, который учитывает: влияние всей совокупности параметров режима резания и режущего инструмента; физико-механические свойства обрабатываемого материала; виды обработки и условия резания. Поэтому цель работы; исследование влияния параметров режима резания и режущего инструмента с учетом интенсивности напряженно-деформированного состояния в зоне стружкообразова-ния на устойчивость процесса резания, разработка на этой основе рекомендаций по интенсификации режимов повышения точности и качества обработки.

Основные научные результаты диссертации заключаются в следующем:

I) Получены аналитические выражения для определения величин приращения составляющих силы резания Рг и Ру при изменениях скорости резания с учетом характера зависимости между напряжениями и деформациями;

Z) Получены формулы -для определения величин крутизны характеристики силы резания;

3) Установлен характер зависимости силы сопротивления от параметров режима резания и режущего инструмента при вибрации;

4) Разработана более точная математическая модель переменных сил резания при колебаниях с полным учетом кинематических приращений глубины резания дt , подачи Дб , скорости резания

- 7 дУ, переднего Д^ и заднего ДОб/ угла инструмента;

5) Впервые получены условия устойчивости для системы с одной и двумя степенями свободы в зависимости от кинематических приращений йЬ , ДБ , дУ , д|Г , Д&6/ при колебаниях с учетом напряженно-деформированного состояния.

В работе использовались экспериментальные и теоретические методы исследования, базирующиеся на основных положениях теории пластичности обработки резанием и теории нелинейных колебаний упругих систем.

Экспериментальные исследования выполнялись на токарно-вин-торезном станке модели 1К62 с использованием современной измерительной аппаратуры.

Результаты экспериментов обрабатывались аналитическими и графическими методами.

По результатам работы даны рекомендации по рациональному выбору параметров режима резания и режущего инструмента с целью повышения устойчивости технологической системы металлорежущих станков, а также по усовершенствованию их конструкции и повышению их динамического качества.

Основные результаты работы могут быть рекомендованы для теоретического анализа динамики технологической системы металлорежущих станков, так и для рационального выбора параметров режима резания и режущего инструмента с целью повышения виброустойчивости.

- выводы и заключения.

- 28

Г л а в а П

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

МЕТАЛЛА, ПРЕВРАЩАЕМОГО В СТРУЖКУ ПРИ ОБРАБОТКЕ РЕЗАНИЕМ

2.1. Способ определения и основные свойства кривых деформационного упрочнения при сжатии и растяжении

Связь между напряжениями и пластическими деформациями устанавливается путем построения кривых деформационного упрочнения при любом сложном напряженно-деформированном состоянии тела, или, как их называют, диаграмм деформации. Последние отражают зависимость между величиной интенсивности напряженного состояния и величиной интенсивности деформированного состояния металлов в области больших пластических деформаций.

В области упругой деформации характер зависимости между напряжениями для всех пластических материалов является одинаковым - при возрастании величины упругой деформации возрастает величина напряжения.

В области пластических деформаций характер зависимости между напряжениями и деформациями для различных материалов является неодинаковым. Одни материалы характеризуются возрастанием величины напряжения с ростом пластической деформации, так называемым упрочнением, другие характеризуются тем, что величина напряжения остается постоянной при любом значении величины пластической деформации. Такие материалы называются идеально-пластическими.

В настоящей работе построение кривой деформационного упрочнения при сжатии выполнялось способом, разработанным в Ленинградском политехническом институте им.М.И.Калинина /36 /. Полученные в опытах на сжатие экспериментальные данные обрабатыва

- 29 ются в такой последовательности.

Сначала строится зависимость условного напряжения от усадки образца ке (рис.2.1), затем - кривая деформационного упрочнения как зависимость истинного напряжения от относительной деформации. Связь между усадкой образца Ке и относительной деформацией £ определяется равенством к - / - , Ле ~е0-и ~ и ~ где £0- первоначальная длина цилиндрического образца, 11- абсолютная деформация образца. Условное напряжение &у вычисляется по отношению к начальной площади Ро образца. Зависимость напряжения от усадки ке сжатого образца представлена на рис.2.1.

Чтобы получить линейную зависимость между С- /Те (рис.2.2) продолжим линию кривой в области пластической деформации до пересечения с ординатой С и обозначим точку пересечения Со , тогда значение (эу определяется уравнением

60 +П(/Се-/), (2*1) где 60- начальная ордината при /се= I,

П - угловой коэффициент в кг/мм2 в зависимости <3* - /Се . Для того, чтобы из выражения (2.1) получить уравнение крр-вой деформационного упрочнения, надо от напряжения 6* перейти к истинному напряжению С и от усадки образца к его относительной деформации £ .

Из условия постоянства объема следует, что Р0 С0 где Р0 - начальная площадь, Рх и 6ж - текущая площадь и длина сжимаемого образца.

Так как -А- = ке ' то ^ = Ро /Се.

Рис. 2.1 Зависимость условного напряжения от усадки образца при сжатии

Тогда 5 = = ке = Са Ке •

Го ГХ

С учетом 2.1 \ подставляя Ке- ^ £— получим са= во (1-е) + Пг или би^бо + (П-6о)б. (2.2)

Из линейной зависимости 6 - ке , что при £ = I, угловой коэффициент П этой зависимости численно равен истинному напряжению (эи . Линейная зависимость (2.2) представляет собой уравнение упрощенной кривой деформационного упрочнения при сжатии, так как в них опущена область упругих деформаций.

Для построения кривой деформационного упрочнения достаточно экспериментальным путем определить две ее точки, а именно во (8 = 0, ке=!) , П(£-1).

Относительная деформация при растяжении измеряется относительным сужением площади поперечного сечения у Ро-Гх

Го

Величина Ч* при растяжении, так же и при сжатии, может изменяться в пределах от У ^ I. При сжатии 6"а=Со + ( П -- СГо ) £ . При растяжении можно получить аналогичную зависимость (эа= Со + ( П - Со ) ^ (рис.2.3).

Чтобы вычислить истинные напряжения 6и » Н.Н.Давиденко /14 / рекомендует формулу

6« = ——ЩЧтг- > а П.Бриджмен / 9 / - формулу

Рис. 2.3 Упроченная кривая деформационного упрочения при растяжении

С Ос/о . ч ц= (/+2Ящ/гш) Рп (<+ ' (2'4) где ССр- среднее напряжение в шейке образца, равное &ср = р / (л г?и )•

Р - растягивающая сила, текущий радиус контура шейки, текущий радиус шейки.

2.2. Экспериментальное определение кривых деформационного упрочнения при сжатии и растяжении

Экспериментальное определение кривых деформационного упрочнения при сжатии и растяжении для различных материалов проводилось ранее в ряде исследований /20, 21,43 ,51 / и др.

В табл.2.1 приведены значения вг0 и П , полученные при испытаниях на сжатие и растяжение, кованной термообработанной стали 10Х16Н4Б, обладающей свойством идеально-пластического материала, а в качестве упрочняющего материала выбрана сталь 3, как один из наиболее широко применяющихся конструкционных материалов.

Из этих сталей были изготовлены образцы для испытания на сжатие и растяжение. Образцы вырезались из заготовок в трех взаимно-перпендикулярных направлениях - по оси деталей, в радиальном и тангенциальном направлениях в количестве трех штук для каждого направления. Образцы для испытания на сжатие представляли собой цилиндры с размерами с1х 6 = 4x6 мм (с отношением С / Ы. =1,5). Торцы образцов шлифовались в специальном приспособлении, обеспечивающем перпендикулярность торцов к оси. Образцы для испытания на растяжение изготовлялись с размерами сС х Е = 5 х 27 мм. Испытания проводились на прессе Гагарина. При испытаниях на сжатие в целях уменьшения трения на торцах

- 34 применялась графитная смазка. Для избежания бочкообразности осадка образцлв доводилась до значения величины абсолютной деформации 30-40% от ихпначальной длины. Бочкообразноеть при этом не превышала 2 -г- 356. После снятия индикаторных диаграмм по изложенной выше методике были построены кривые деформационного упрочнения при сжатии. Кривые деформационного упрочнения при растяжении строились упрощенным способом /36 / по двум точкам, поскольку проведенные ранее исследования / 20,21 / и др. показали достаточно хорошее совпадение кривых деформационного упрочнения при растяжении построенных по двум точкам и на основании полного экспериментального исследования.

На рис.2.4*2.II показаны кривые деформационного упрочнения при сжатии для сталей ЮХ16Н4Б и Ст.З, а кривые деформационного упрочнения при растяжении для тех же сталей - на рис.2.12 и 2.13.

Графики, показанные ва рис.2.4*2.8 построены на основании данных таблиц (1.1), Приложения I. Как видно из приведенных графиков, все исследуемые материалы обладают упрочнением при растяжении, а при сжатии упрочняются незначительно.

Для стабилизации свойств материала заготовки из стали 10Х1Н45 были подвергнуты термической обработке - нормализации, которая проводилась при температуре 900-950° в течение 2-х часов с последующим охлаждением на воздухе. После нормализации были вырезаны новые образцы и проведены испытания на сжатие. Построение кривых деформационного упрочнения после термообработки (рис. 2.6*2.8) показало хорошее совпадение кривых для образцов, вырезанных в различных направлениях (разброс не более 6%). Поэтому дальнейшие исследования проводились на заготовке из этой стали.

Проведенные( в настоящей работе исследования по определению кривых деформационного упрочнения, а также работы других авто

1.бАлексеев А.Г. Колебания инструмента при обработке материалов в системе с 2-ш степенями свободы, ВИНИТИ "Депонированные научные работы", Выпуск 6, 1983.

2. Алексеев Г.А. Автоколебания резца при нанесении штрихов "Точное приборостроение", Вып.З, изд.ЛГУ, 1878, с.72-75.

3. Амосов И.О. Осциллографическое исследование вибрации при резании металлов "Точность механической обработки и пути ее повышения". М.-Л., 1951, с,414-477.

4. Амосов И.С. и Скрачан В.А. Точность вибрации и чистота поверхности при токарной обработке./Под ред.М.А.Ансерова-тМ.:) Л.: Машгиз, 1958, с.39-70.

5. Арфауи Амор, Ерихов М.М. Исследование влияния интенсивности напряженно-деформированного состояния в зоне стружкооб-разования на устойчивость технологических систем металлорежущих станков. ВИНИТИ, 13391-1985 г.

6. Арфауи Амор, Петков П. П. Учет характера силы сопротивления при исследовании автоколебаний в процессе резания.ВИЫИТЙ "Депонированные научные работы", & 347- 1984.

7. Армарего А., Браун Р.Х. Обработка металлов резанием, пер. с англ, ,М., Машиностроение, 1977, с.325.

8. Большаков М.А., Куниным Н.Ф. Элластичное сжатие в книге В.Д.Кузнецова "Физика твердого тела". Изд. "Красное знамя", 1941, 32 с.

9. Брежмен П. Исследование больших пластических деформаций и разрыва. М., 1955.

10. Василенко Н.В. Теория колебания при резании металлов.1. Киев, 1975, 69 с.

11. Вибрации в технике. Справочник в 6-ти томах. Том 2. Колебания нелинейных механических систем./Под ред.И.И.Блех-мана.-М.: Машиностроение, 1979, 351 с.

12. Вибрации в технике. Справочник в 6 томах. Том 3. Колебания машин, конструкций и их элементов./Под ред. Ф.М.Димет-берга и К.С.Колесникова.-^!. : Машиностроение, 1980, 544 с.

13. Городицкий Ю.й. О колебаниях при резании металлов.- В кн. : Динамика систем. Горький, 1974, вып.З, с.58-88.

14. Давиденков H.H., Спиридонова Н.И. Анализ напряженного состояния в шейке растянутого образца.-"Заводская лаборатория", т.II, вып.6, 1945.

15. Дроздов H.A. К вопросу о вибрации станка при токарной обработке "Станки и инструменты", 1937, JS 22, с.10-16.

16. Заре В.В. Исследование вибрации при точении. Автореферат дис. канд.техн.наук, ЛПИ, 1957, 26 с.

17. Зорев H.H. Вопросы механики процесса резания металлов. Машгиз, 1956,- 241 с.

18. Ильницкии И.И. Колебания в металлорежущих станках и пути их устранения. Свердловск: Машгиз, Свердл.отд-ние, 1958,144 с.

19. Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов./Под ред.В.Й.Дикушина и Д.И.Решетова.-М.: Машгиз, 1958, 293 с.

20. Истомин В.Ф. Экспериментальное исследование влияния температуры на деформационное упрочнение при растяжении и сжатии. Труды ЛПИ Stb 314, JI., изд.Машиностроение, 1970, с. 2832.

21. Истомин В.Ф. Экспериментальное определение кривых деформационного упрочнения при растяжении и сжатии. Труды ШН, JS 250, изд. Машиностроение, 1965,

22. Каширин А.И. Исследование вибрации при резании металлов.-М.: изд.АН СССР, 1944, 132 с.

23. Кедров С. С. Колебания металлорежущих с танков. -¡^."Машиностроение", 1928,- 199 с.

24. Кондо, Ковано и Сато "Характер самовозбуждающихся вибрации, обусловленных многократным регенеративным эффектом: "Конструирование и технология машиностроения". Труды американского общества инженеров и механиков. Том 103, 3, изд."Мир", I9CI, с.146-152.

25. Ковалев М.М. Исследование устойчивости системы заготовки. Суппорт ЕТИБ "Машиностроение", $ 2, изд.ШШ, 1962, -с.50-61.

26. Кудинов В.А. Динамическая характеристика резания. Станки и инструменты, 1963, $ 10, с.17-19.

27. Кудинов В.А. Теория вибрации при резании.- Передовая технология машиностроения, изд.АН СССР, 1955, с.47.

28. Кудинов В.А. Динамика станков. 4Д.: Машиностроение, 1975, 365 с.

29. Кучма I.K. Экспериментальные исследования вибрации при резании на токарном станке. Ст."Новые исследования в области резания металлов".M-I., Машгиз, 1948, с.28-32.

30. МанжоСГ.А. Исследование вибрации в условиях скоростного точения и изыскания методов борьбы с ними. Сб. "Точениев механической обработке и пути ее повышения". М.-Л.: Машгиз, 1951, с.47-52.

31. Меррит 0. К вопросу об автоколебаниях металлорежущих станков. Труды А0ИМ, серия "Конструирование и технология машиностроения", 1965, JS 4, ч.1, с.215-231.

32. Мурашкин С.Л., Мурашкин Л.С. Прикладная нелинейная механика станков,-Л. Машиностроение, 1977,- 192 с.

33. Мурашкин Л.С. Исследование динамики процесса резания. Докторская дис. ЛЗШ им.М.И.Калинина, 1958.

34. Мурашкин Л.С. Вид напряженно-деформационного состояния металла превращаемого в стружку, НТИБ "Машиностроение", й 6, изд.ЛШ'1, 1958, с.33-35.

35. Мурашкин Л.С. О положении главных осей при резании металлов. Труды ЛПИ в 298, изд.Машиностроение, Л., 1968, с.37-40.

36. Мурашкин Л.С. Упрощенный способ определения кривой деформационного упрочнения при сжатии. Труды ЛПИ, гё 191, М.-Л.: Машгиз, 1957, с.27-29.

37. Мурашкин Л.С. К вопросу о расчете силы резания. НТИБ "Машиностроение", $ 4, изд.ЛПИ,-1959, с.35-38.

38. Мурашкин Л.С. Развитие теории резания металлов, труды ЛПИ "Машиностроение", 1967, й 282, с.79-103.•39. Мурашкин Л.С. Об устрйчивости системы СПИД,- труды ЛПИ "Машиностроение", 1969, гё 309, с. 234-239.

39. Опиту Г. Современная техника производства, пер. с нем.-М., "Машиностроение", 1975, 279 с.

40. Пановоко Л.Г. Внутренние трения при колебаниях упругих систем. М., Физиатгиз, 1960,- 240 с.

41. Переломов Н.Г. Экспериментальное определение кривых деформационного упрочнения при растяжении и сжатии. НТИБ, "Машиностроение", й 2, изд.ЛПИ, 1962.

42. Петков П.П. Исследования динамики процесса резания идеально-пластического материала. Дис.на соискание ученой степени,к.т.н. Л., 1974.

43. Подураев В.Н. Автоматически регулируемые и комбинированные процессы резания.-М.: Машиностроение, 1977, 303 с.

44. Соколовский А.П. Курс механики машиностроения. М-Л.: Маш-гиз, 1947, т.1, 435 с.

45. Соколовский А.П. Жесткость в технологии машиностроения, М.-Л.: Машгиз, 1946, 252 с.

46. Стрелков С.П. Введение в теорию колебания.-М.: Наука, 1964, 440 с.

47. Ташлицкий Н.И. Первичный источник энергии возбуждения колебаний при резании металлов. "Вестник машиностроения", I960, № 2, с. 22-26.

48. Трустый И. Автоколебания в металлорежущих станках.-М.: Машгиз, 1956, 359 с.

49. Фаттахи X. Исследование устойчивости в точности одношпин-дельного токарно-револьверного автомата. Диссерт. на соиск. ученой степени к.т.н., Л., 1972.

50. Харкевич A.A. Избранные труды в 3-х томах "Линейные и нелинейные системы".М.: Наука, 1973, т.2, 566 с.

51. Эльясберг М.Е. Основы теории автоколебаний при резании металлов. "Станки и инструменты", 1962, №11, с.3-7, МО,с. 3-8.

52. Эльясберг М.Е. Об устойчивости процесса резания металлов. Известия АН СССР, ОНТ, № 9, 1958, с. 26-28.54• f{bno6cL A.N. The mechanism о/ toot uibzaticm ¿лthe Cuíiog- of stcti, „ PzoceecCíngs о/ ¿he 7nstctatánr)of Mechan исаб Enqineezs", N'3, 19%.

53. TJoLS KatoS. ChcCtte/v viözccbton o-f Laihe Tooßs. I

54. Trans. ASME, 1956, vot 78, pp. 56* Lee F. And shaj-J-ег 3. „JowtncLÍ о/ АррШ-mecanios", vol tä, pp.t/05-W3.