автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Модели формирования тангенциальной составляющей силы резания в условиях относительных колебаний резца и заготовки

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Проблемы механики процесса резания.

12. Нагрузки на передней поверхности режущего клина.

1.3. Формирование нормальных и тангенциальных сил на задней поверхности режущего инструмента.

Глава 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Экспериментальная установка и методика исследования статических и динамических характеристик.

2.2. Стенд для экспериментального исследования формирования тангенциальной составляющей силы резания.

2.3. Разработка автоматизированной аналого-цифровой системы обработки сигнала.

Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ СИЛЫ РЕЗАНИЯ В УСЛОВИЯХ КОЛЕБАНИЙ.

3.1. Теоретические основы разработки математической модели.

3.2. Процедура формирования тангенциальной составляющей силы резания.

3.2.1. Изменение параметров зоны стружкообразования в течение периода относительных колебаний.

3.2.2. Математическая модель формирования нормальной и тангенциальной составляющих силы резания на нередней и задней поверхностях режущего клина.

3.3. Компьютерные эксперименты на математической модели формирования тангенциальной составляющей силы резания.

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ФИЗИЧЕОСИХ

МОДЕЛЯХ РЕЗАНИЯ В УСЛОВИЯХ КОЛЕБАНИЙ.

4.1. Колебания при резании на токарно-винторезном станке.

4.2. Исследование процесса формирования тангенциальной составляющей силы резания на физической модели ортогонального резания.

Операции резания обеспечивают требуемое качество изделий путем формирования поверхностей деталей заданных размеров, пространственного расположения и шероховатости. Силовое взаимодействие между заготовкой и режущим инструментом влияет на точность и качество обработанных поверхностей, определяет стойкость режущих пластин и, в конечном счете, эффективность обработки, под которой понимается объём снимаемого материала при черновой обработке и площадь обработанной поверхности при чистовой обработке, отнесённые к единице времени.

Сопоставление результатов математического и физического моделирования может помочь глубже разобраться в процессах, происходящих в зоне контакта режущего клина с обработанной поверхностью. Такое сопоставление тем более необходимо, что в ряде случаев разрабатываемые математические модели стружкообразования не имеют точно очерченной области применения и четко сформулированной системы допущений. Зона стружкообразования, в том числе и подрезцовая часть обработанной поверхности, находятся в условиях неравномерного объемного напряженно-деформированного состояния.

Существующие методы анализа динамики процесса резания направлены по преимуществу на выявление условий устойчивости системы, что является, конечно, важнейшим условием нормального протекания процесса резания, однако при технологическом проектировании необходим оперативный расчет амплитуд и частот колебаний, сопровождающих процесс устойчивого резания. Это требует применения математических моделей, позволяющих анализировать влияние технологических факторов на раскачивающее и демпфирующее влияние процесса стружкообразования.

Явления на задней поверхности режущего клина изучены в меньшей степени, чем в прирезцовой области стружки, и многие теоретические и практические проблемы не напши еще однозначного решения. В этой связи предлагается обратить внимание на недостаточно изученный феномен роли контакта по задней грани режущего клина и обработанной поверхности. Протяженность этого контакта меняется в течение периода колебаний и зависит как от элементов режима резания, так и от амплитуды и частоты колебаний (через кинематический угол), при этом в определенных условиях может наблюдаться как раскачивающий динамическую систему эффект, так и демпфирующий, ограничивающий рост амплитуды определенным уровнем. В исследованиях динамики процесса резания основное внимание уделялось колебаниям в направлении, нормальном к обрабатываемой поверхности. Однако тангенциальные колебания часто имеют амплитуды, значительно превосходяпще амплитуды нормальных колебаний, и их влияние на стойкость режущего инструмента может быть определяющим.

В процессе резания происходит отделение материала от заготовки, сопровождаемое упругими и пластическими деформациями, связанными как с формированием прирезцовой области стружки, так и со вспахиванием материала со стороны задней поверхности инструмента и с трением по ней. В некоторых исследованиях отмечалось, что силы вспахивания имеют более значительные величины, чем это полагали ранее. В ряде работ предпринимались попытки уточнить значение сил вспахивания и связать их с концепцией динамики процесса резания. Однако многие вопросы в проблеме вспахивания остаются открытыми, 6 а математическая модель вспахивания - не сформулированной, так же как и не реализована физическая модель вспахивания в условиях относительных колебаний.

Поэтому актуальным направлением исследований представляется разработка, на основе экспериментальных данных и теоретических представлений, математических моделей, позволяющих изучить на компьютере контактные давления в прирезцовой области стружки и в подрезцовой области обработанной поверхности, с тем, чтобы расчетным путем решать вопросы, связанные с колебаниями в процессе резания, со стойкостью инструмента, с точностью обработки, с качеством обработанной поверхности и т. д. С этой целью, в частности, необходимо также иззАить на физической модели, как силовые параметры процесса резания меняются во времени и в пространстве, когда по каким-либо причинам в упругой системе станка возникают процессы, имеющие следствием относительное смещение режущего инструмента и заготовки по нормали к поверхности резания и в тангенциальном направлении. Предлагаемая математическая модель позволяет в компьютерных экспериментах находить амплитуду установившихся колебаний с учетом нелинейных зависимостей, определяемых характеристиками переменного контакта по задней поверхности режущего клина.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана математическая модель для анализа формирования составляющих силы резания при относительных колебаниях режущего клина и заготовки, с помощью которой в компьютерных экспериментах установлены зависимости коэффициентов жесткости резания и фазовых сдвигов от параметров режимов резания и амплитуды и частоты колебаний, что позволяет учитывать динамическую характеристику тангенциальной составляющей при анализе устойчивости процесса резания.

2. В компьютерных экспериментах показано, что влияние переднего угла, а особенно - заднего, на контактную зону нелинейно. Значение имеет не только амплитуда изменения кинематического угла, но и причина формирования амплитуды - будет ли это частота колебаний, либо амплитуда колебаний, либо скорость резания. Преимущественное влияние на формирование переменной тангенциальной составляющей силы резания оказывают контактные явления на задней поверхности режущего клина - протяженность контакта и нормальные и тангенциальные давления.

3. Произведена статистическая обработка опубликованных в различных работах экспериментальных данных и выведены формулы для расчета величины и характера распределения нагрузки на передней и задней поверхностях режущего клина, позволившие описать изменение тангенциальной составляющей при варьировании параметров процесса резания.

4. Проведены однофакторные и многофакторные компьютерные эксперименты, по результатам которых выведены формулы для расчета параметров динамической характеристики процесса резания и построены поверхности отклика; с помощью полученных диаграмм и рисунков можно наглядно оценить влияние условий резания на динамические явления при резании.

5. Разработан стенд резания, на котором исследованы изменения составляющих силы резания при различных сочетаниях частот и амплитуд колебаний;

89 реализована система компьютерной фиксации экспериментальных данных и их математическая обработка.

6. Адекватность разработанной математической модели доказана путем сравнения результатов, полученных на физической модели.

7. Разработано программное обеспечение для всех этапов математического моделирования - формирования модели, расчета нагрузки на контактных поверхностях, расчетов, жесткости резания и фазовых сдвигов по двум координатам, а также представление результатов компьютерных экспериментов в виде формул и объемных диаграмм.

1. Абуладзе Н.Г. Характер и длина пластического контакта стружки с передней поверхностью инструмента.//В сб. "Обрабатываемость жаропрочных и титановых сплавов". - Куйбышев: 1962.С. 43-51.

2. Альбрехт Л. Новые положения в теории резания металлов. //Конструирование и технология машиностроения. Серия В,ИЛ, N 3, 1961,-С. 234-242.

3. Апраксин В.И. Определение сил, действуюпщх в процессе резания при отделении тонких стружек. Труды Ленинградского политехнического игститу-та.-№ 191, 1957,-С. 192-201.

4. Армарего И.Дж., Браун Р.Х. Обработка металлов резанием.- М.:Маши-ностроение (пер. с англ.), 1977,- 325 с.

5. Атаносов А.Г. Исследование технологических параметров процесса резания методами теории подобия и анализа размерностей. Канд. дисс.,-Л.: 1977,189 с.

6. Барботько А.И. Современные модели процесса резания.Тула: Т.П.И., 1982,-92 с.

7. Белоусов А.И. О площади контакта стружки с резцом при свободном резании. В сб. «Новые исследования в области обработки резанием». М. Маш-гиз, 1957.-С. 19-25.

8. Васильев Д.Т. Силы на режущих поверхностях инструмента.//Станки и инструмент. № 4, 1954, С. 1-3.

9. Вопросы физико-химической механики процессов трения и резания.-Иваново: 1980,-70с.

10. Вульф A.M. Резание металлов. Ленинград: Машиностроение, 1973,496 с.

11. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. М.: Мир, 1989,478 с.

12. Довнар С.С. Выявление основных закономерностей напряженного состояния в зоне резания металлов с помощью метода конечных элементов. Канд. дисс. Минск: 1987, - 216 с.

13. Дьяконова Н.П. Оценка точности металлорежущих станков по характеристикам жесткости. Станки и инструмент, 1984, № 9, с.6-7.

14. Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел.М.Металлургия. 1971.264 с.

15. Еремин А.Н. Физическая сущность явлений при резании сталей. М.Свердловск: Машгиз, 1951, - 226 с.

16. Зворыкин К.А. Работа и усилие, необходимые для отделения металлической стружки.//"Технический сборник и вестник промышленности". М.: 1983,- 76 с.

17. Зорев H.H. Исследование элементов механики процесса резания.- М.: Машгиз, 1952, 363 с.

18. Зорев H.H. Вопросы механики процесса резания металлов.- М.: Машгиз, 1956, 368 с.

19. Зорев H.H. Исследование в области резания металлов в ФРГ.- М.: Машгиз, 1960, 147 с.

20. Зорев H.H. Исследование процесса резания металлов в США (выпуск 1). Механика процесса резания.- М.: Машиностроение, 1965, 127 с.

21. Кабельков А.Н., Воронцов Г.В. Исследование автоколебаний механических систем типа резец-суппорт металлорежущих станков.; Новочерк. политех. ин-т,1984, 16 с. (НИИ маш.27.04.84г., № 143 мш-84 Деп.).

22. Каминская В.В. Приближенный расчет несущих систем станков, находящихся под действием случайных возмущений. Станки и инструмент, 1969,№6,с.11-14.

23. Каминская B.B. Применение спектрального метода для исследования вынужденных колебаний металлорежущих станков. Труды ЭНИМС, М. ,1974, №4,С.122-131.

24. Каминская В.В., Котляренко Л.Б. Экспериментальное исследование статических характеристик станков. М.,ЦБТИМСИИП, 1957, 48 с.

25. Каширин А.И. Исследование вибраций при резании металлов. Изд. АН.СССР, 1944, 68 С.

26. Клушин М.И. Резание металлов. Элементы теории пластического деформирования срезаемого слоя. М.: Машгиз, 1958, - 458 с.

27. Кобаяси, Томсен. Анализ процесса резания. Часть 1.// "Конструирование и технология машиностроения".ИЛ. Серия B,N 1, 1962, С. 146-158.

28. Кочинев H.A., Шабанов В.И., Сабиров Ф.С. Экспериментальые исследования связи резонансной податливости упругой системы токарного станка с предельной стружкой. Изв. ВУЗ,ов, М., Машиностроение, №4, 1978, с.162-167.

29. Кочинев Н.А ,, Сабиров Ф.С. Оценка динамического качества станков по характкеристикам в рабочем пространстве, Станки и инструмент. 1982, №8, с. 12-14.

30. Коппелев Ю.Ф. Колебания упругой системы станка в процессе резания. Машиноведение, 1976, № 6, с. 21-27.

31. Кудинов В.А. Динамика станков.-М,Машиностроение, 1967, 359 с.

32. Кудинов В.А. Динамическая характеристика резания. Станки и инст-румент,-1963 ,N10.

33. Кудинов В.А. Автоколебания при резании с неустойчивым наростом.-Станки и инструмент,-1965,N7.

34. Кудинов В.А. Динамическая модель процесса стружкообразования. -"Станки и инструмент", 1992,N 10 С. 14-17, N 11 - С. 26-29.

35. Кудинов В.А. Системность и диалектика в динамике технологических процессов и машин// СТИН, № 1,2000, С.5 - 9.

36. Куфарев Г.Л. Экспериментальное изучение пластической деформации при резании металлов. Известия ВУЗов СССР, М.: Машиностроение, 1959, N 7, С

37. Кушнир Э.Ф. Определение амплитудно-фазовой частотной характеристики упругой системы станка при резании. Станки и инструмент. 1983, № 3,0.11-13.

38. Лоладзе Т.Н. Стружкообразование при резании металлов. М.: Маш-гиз, 1952,-200 с.

39. Максаров В.В., Вейц В.Л., Васильков Д.В. Моделирование процесса стружкообразования на основе кусочно-линейной аппроксимации/ Академический вестник. Информатизация. Вып. 1. СПб.: СЗНИ, 1998. - С. 39-43.

40. Максаров В.В., Вейц В.Л. Физические основы моделирования струж-кообразования в процессе резания// Машиностроение и автоматизация производства. Межвуз. сб. Вып. 13. СПб.: СЗНИ, 1999. - С. 44-46.

41. Мартиросян Р.Б. Резание металлов как процесс пластической деформации сжатия и сдвига. Армгосиздат, 1963, 115 с.

42. Математическое моделирование. Сб. статей под ред. Дж. Эндрюса и Р.Мак-Лоуна.-М. :Мир.-1979.

43. Мудров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск: МП "Раско", 1991, - 272 с.

44. Мурашкин Л.С. О напряженном деформированном состоянии металла, превращаемого в стружку .//Научно-технический информационный бюллетень. ЛПИ, N 6, 1958, С. 22-37.

45. Оксли П. Механизм резания металлов с переменным пределом теку-чести.//Конструирование и технология машиностроения, М.: Мир, Серия В, N 4, 1963,-С. 123-134.

46. Окушима, Хитоми. Анализ механики прямоугольного резания и приложения его к образованию стружки скалывания.//Конструирование и технология машиностроения, М.: Мир, Серия В, N 4, 1963, - С. 135-142.

47. Парфенов И.В., Сидоренко CA. Определение радиальной жесткости шпиндельных узлов с учетом нелинейной податливости опор. М., НИИ маш., 1984, № 197 мш - 84 Деп.

48. Позняк Г.Г., Сократус К. Разработка дискретной математической модели процесса стружкообразования. Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. Межвузовский сб. научных трудов. Вып. 4.М.,МБК "Биоконтроль",1994,4 с.

49. Позняк Г.Г., Сократус К. Математическая модель стружкообразования как упруго-пластического квазидискретного пространства. XXXI научная конференция профессорско-преподавательского состава инженерного факультета. Тезисы докладов. -М.: РУДН. 1995.

50. Позняк Г.Г., Сократус К. Напряженно-деформированное состояние эллиптических дисков под действием сосредоточенных нагрузок.//ХХХП научная конференция профессорско-преподавательского состава инженерного факультета. Тезисы докладов.-М.: РУДН. 1996.

51. Позняк Г.Г., Муфизул Хак .Математическая модель формирования составляющих силы резания при переменных параметрах среза. XXXI научная конференция профессорско-преподавательского состава инженерного факультета. Тезисы докладов.-М.РУДН.1995.

52. Полетика М.Ф. Контактные нагрузки на режущие поверхности инструмента.- М. Машиностроение, 1969, 150 с.

53. Пуш A.B. Оценко динамического качества станков по областям состояний их выходных параметров. Станки и инструмент, 1984, № 8, с.9-12.

54. Развитие науки о резании металлов. Коллектив авторов.М.Машино-строение,1967, 416 с.

55. Розенберг A.M. Экспериментальное исследование процесса образования металлической стружки.У/Известия Сибирского технологического института. Т. 51, вып. 4, 1929, С. 115-123.

56. Розенберг A.M., Еремин А.Н. Элементы теории процесса резания металлов. - М.: Машгиз, 1956, - 318 с.

57. Смирнов A.A. Влияние направления силы резания на податливость токарного станка 1А62 в направлении осевой составляющей силы резания. Тр. Ленингр. Политех. Ин-т, 1980, № 368, с.44-46.

58. Соколовский A.n. Жесткость в технологии машиностроения. М., Машгиз, 1946, 143 с.

59. Старков В.К. Дислокационные представления о резании металлов. -М.: Машиностроение, 1979, 158 с.

60. Тиме И.А. Сопротивление металлов и дерева резанию. 1890, - 141 с.

61. Тимошенко СП., Гудьер Дж. Теория упругости.(Пер. с англ.). М.: Наука, 1979, - 560 с.

62. Трент Эдвард. Резание металлов. М.Машиностроение, 1980, - 263 с.

63. Филипов А.Б. Радев H.H. Автоколебания суппорта токарного станка. -Изв. ВМЕИ, Ленин (бол.), 1983 (1984) ,38, № 2, с.81-88.

64. Фикс-Магролин Г.Б. Оценка качества станков по характеристикам жесткости. Ташкент, ФАН, 1978, 92 с.

65. Чуприна В.М. Метод поузлового исследования динамических характеристик упругой системы станка как модульной структуры. -Изв.вузов. М., Машиностроение, 1986, № 9, с. 124-130.96

66. Эльясберг М.Е. Основы теории автоколебаний при резании металлов. Станки и инструмент, 1962, №10 с.8-10, №11, С.11-14.

67. Эльясберг М.Е. О расчете устойчивости процесса резания с учетом предельного цикла системы. Станки и инструмент, 1975, № 2, с.20-23.97