автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Устойчивость технологической системы при точении с применением твердосплавных пластин со сферическими выступами

РГ б од

На правах рукописи

САФИ АБДЕЛЬ ХАЛИМ

УСТОЙЧИВОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ТОЧЕНИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ПЛАСТИН СО СФЕРИЧЕСКИМИ ВЫСТУПАМИ

Специальноеть: 0"5.-'02.08 - " Технология машиностроени* "

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание уч£ной стелит кандидата технических наук

САНКТ - ПЕТЕРБУРГ 1997

Работа выполнена в Санкт- Петербургском Государственном Техническом университете.

Научный руководитель: д. т. н., проф. С. Л. Мурашкнн

Официальные оппоненты: д. т. н., проф. Ю. М. Барон к. т. н. А. В. Королёв

Ведущая организация : АО " Х.Г.С. - Санкт - Петербург "

Защита состоится " 22 " апреля 1997 года на заседании диссертационного совета Д063.38.16 Санкт-Петербургского государственного технического университета в " 16 " часов, в ауд. 41 , 1-го учебного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГГУ.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 195251, С - Петербург, Политехническая ул., 29, учёному секретарю диссертационного совета Д 063.38.16 И. А. Сснчило.

Автореферат разослан "_" марта 1997 г.

Учёный секретарь диссертационного

совета Д 063.38.16, д. т. и., проф. И. А. Сснчило

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Реализация запроектированных технологических решений является решающим фактором для обеспечения качества любых изделий , являющимся одним из главнейших критериев конкурентоспособности.

При обработке труднообрабатываемых материалов одним из основных причин, затрудняющих выполнение с высокой надёжностью проектных технологических решений, являются автоколебания технологических систем и сливная стружка.

Выбор токарной обработки в качестве объекта исследований в диссертации обусловлен те», что по литературным данным около 70 % деталей машиностроения изготавливаются точением, а также тем, что детали типа тел вращения составляют свыше 60 % всей номенклатуры заготовок, обрабатываемых резанием на заводах. Кроме того, точность токарной обработки, в большой степени, определяет точность и производительность, последующих шлифовальных операций .

Обзор работ по обеспечению требуемых параметров качества изделий за счёт выполнения проектных Технологических решений показывает, что при разработке режимных технологических параметров ещё недостаточно учитываются вопросы .устойчивости технологических систем' и надежного стружкодробления при обработке труднообрабатываемых материалов и сплавов.

Поэтому решение вопросов устойчивой работы и надёжного стружкодробления при работе на токарных станках является актуальной проблемой.

В связи с этим предлагаемая работа посвящена исследованию и ' выбору надёжных методов, средств, технологических режимов, обеспечивающих надёжную реализацию запроектированных технологических решений с целью получения высококачественной, конкурентоспособной продую ии.

Цель работы. Теоретическое и экспериментальное определение областей устойчивого стружкодробления, при точении сталей неперетачиваемыми пластинами со сферическими выступами при обеспечении устойчивости движений в технологической системе.

Методика исследований . Основные задачи работы решались расчетно-экспернментальным методом. Для исследования колебательных

движений ■ элементов технологической системы была разработана математическая модель и определены сё параметры: коэффициенты жесткости, частоты собственных колебаний , логарифмические декременты, приведенные массы и коэффициенты силы . сопротивления , пропорциональные скорости. Методом многофакторного эксперимента были установлены зависимости силы резания от режимов обработки.

Исследование, нелинейных колебаний выполнялось графическим методом с использованием ' фазовой плоскости, а также аналитическим методом.

На основе учёта влияния ко:ггакта стружки с передней поверхностью инструмента н величин его геометрических параметров получено выражение для определения минимально необходимой подачи, обеспечивающей дробление стружки ■

Экспериментальная проверка ^полученных, результатов и расчетных данных показали хорошее совпадение величин (разница не более 20%). Научную новизну работы составляют:

1. Математические модели парциальных систем при точении с использованием многогранных неперетачиваемых пластин ( МНП) со сферическими стружколомающнми выступами.

2. Уравнение для получения величины подачи, обеспечивающей стружкодробление с "учётом влияния угла схода стружки и величины контакта стружки с передней поверхностью.

3. Эмпирические формулы, определяющие зависимости составляющих силы резания при использовании МНП со сферическими выступами.

4. Методики . определения зон стружко дробления с учётом устойчивости движения в технологической системе при точении.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

1. Получены условия, при которых обеспечивается дробление стружки с учетом величины зоны пластической деформации и угла схода стружки.

2. С помощью 1рафических и аналитических методов определены зоны устойчниости парциальных систем технологической системы токарного станка. .

3. Определены границы обласпей устойчивости движения технологической системы в зависимости от параметров процесса резания при стружкодроблсшш с помощью МНП со сферическими выступами.

Промышленная реализация работы. Производственные рекомендации и мероприятия по обеспечению стружкодробление при точении резцами с пластинами со стружколомами в виде сферических выступов с установлением границ областей устойчивого движения ламинирующей системы переданы для использования на ряд машиностроительных предприятий города и области.

Апробация работы. Основные разделы докладывались на научных 4 , семинарах кафедры " Технологии машиностроения " Спб ГТУ .

Публикации. Основные результаты работы изложены: Сафи А. X., Мурашкин С. Л. Дробление стружки с помощью многогранных неперетачиваемых плаепш со сферическими выступами. Сборник научных работ студентов и аспирантов № 7 " Прогрессивные конструкции и технологии в машиностроении", ГК РФ по ВШ - СПбГТУ, Санкт- Петербург, 1996.- с. 68-70.

Структура и обьём работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, общих выводов и приложений, изложенных на 153 страницах, включая 25 таблиц, 48 рисунков, список литературы из 77 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении на основе краткого анализа проблемы обоснована необходимость проведения исследований, направленных на решение вопросов обеспечения стружкодробления при токарной обработке и устойчивости движения технологической системы.

В первом разделе проводится анализ методов и средств обеспечения стружкодробления и устойчивой работы технологической системы при точении. Показано, что. при проектировании технологических процессов, наряду с другими вопросами необходимо решать задачу устойчивого стружкодробления в том числе и для решения вопросов автоматизированного удаления стружки из зоны обработки, от станка и транспортирования её к месту сбора и переработки.

Наиболее сложно обеспечить стружкодробление при работе на токарных станках, потому что образующая стружка имеет различные

формы и размеры. Поэтому необходимо обеспечить формирование стружки, удовлетворяющей технологическим требованиям на изготовление детали, стойкости инструмента и условиям автоматизации. Формирование стружки может быть обеспечено кинематическими и некинематическими методами дробления стружки. При первом методе кинематика процесса резания изменяется таким образом,. чтобы обеспечивалось периодическое изменение толщины срезаемого слоя за счёт периодического отключения подачи иш! наложения ^ дополнительных, колебаний на неё, что обеспечивает образование отдельных элементов стружки.

Несмотря на свои достоинства, дробление стружки обеспечивается независимо от условий резания (режимов, обрабатываемого материала, геометрии инструмента ), этот метод не нашёл широкого применения из -за недостатков, к которым относятся сложность конструкции устройств и увеличение шероховатости поверхности.

Поэтому он рекомендуется только в тех случаях, когда невозможно эффективное применение некинематического метода, при котором кинематика процесса резания не меняется, а дробление стружки обеспечивается за счёт предварительной подготовки обрабатываемой поверхности, шшример проточки винтовой канавки; введение в обрабатываемый материал легирующих элементов, способствующих улучшению дробления стружки; электрофизического воздействия на стружку, , шшример кратковременных импульсов тока; установка препятствий на нуги сходи сгружки в виде различных типов стружколомов;' подбора режимов ре Юлия; изменения геометрии режущей части инструмента и ряда других способов, обеспечивающих дробление стружки.

В промышленности наиболее широкое применение находят последШ1е два способа, основанные на подборе режимов резания и на изменении геометрии режущей части шкгтрумента, как самые простые и дохшие хорошие результаты. Они в основном сочетаются и дополняют друг друга, то есть под соответствующую геометрию инструмента подбираются режимы резания, обеспсчииак.щне дробление стружки, или наоборот. Изменение геометрии режущей части может быть выполнено,в виде канавок. уступов или других, стружколомающих элементов, которые выполняются либо заточкой, либо прессованием при из1 отовлении режущих пластин .

У

Однако, несмотря на свою простоту, заточенные стружколомающие элементы недостаточно находят своё применение в металлообработке, потому что им присущи следующие недостатки:

- сложно выдержать размер стружколомающего элемента при заточке;

- при заточке в твердом сплаве возникают напряжения, которые снижают стойкость инструмента;

- увеличивается расход твёрдого сплава. ,

Отмеченных недостатков не имеют стружколомающие элементы,

выполненные прессованием на многогранных неперетачиваемых пластинах, которые в последнее время находят всё более широкое применение. Причем, по мнению ряда исследователей сферические выступы на передней поверхности обеспечивают лучшее дробление стружки, чем канавки, за счсг того, что стружка контактирует со сферой в одной или нескольких точках (в зависимости от глубины резания) и тем самым получает дополнительную деформацию, которая улучшает стружкодроблеиие. >

Эти МНП практически могут обеспечить дробление стружки на любых режимах резания. Однако для этого необходимо знать условия применения их в зависимости от режимов резания. Эти условия могут быть определены экспериментально, конкретно для каждого вида пластин и обрабатываемого материала, или теоретически, исходя из кинематики завивания и деформации стружки на ■ элементах МНП.

Наряду с этим , применение различных стружколомов сопровождается, ках правило, 'повышением силы резания. Это, в свою очередь, повышает возникновения автоколебаний в технологической системе.

Поэтому необходимы дополнительные исследования устойчивости движения технологической системы при точенин резцами со сгружко ло м ам и.

Вопрос об устойчивости положения равновесия может быть решен графическими или аналитическим путём. Графические методы анализа устойчивости технологических систем токарной обработки (метод Льснара и изоклин ) использовались в работах' В. В. Зарса, Л. С. Мурашкнна, Рендон Арвису Я А., Л. Н. Петрашиной и других исследователей.

Использование графического метода связано с применением фазовой плоскости. Ход интегральных кривых позволяет судить о возможном

положении равновесия при различных рнешних воздействиях. На фазовой плоскости 'стационарному положению равновесия отвечает устойчивая особая точка , а колебательному - предельный цикл .

Графический анализ полностью учитывает нелинейные свойства, присущие донной системе. Он особенно удобен при анализе автоколебательных систем . Так, в работе В. В. • Зарса фазовая плоскость использовалась для анализа автоколебаний. Рсндон Арвису Б. А. использовал фазовую плоскость для наглядного представления о переходном и стационарном процессах «развития автоколебаний, в автономной системе при подрезке и центровке заготовок.

Недостатком графических методов анализа устойчивости является их частный характер, получение данных применительно к конкретным значениям параметров системы и режима обработки.

Позгому, для разработки технологических рекомендаций по использованию пластин со сферическими выступами при точении широкой гаммы материалов необходимо применение аналитических' методов исследования устойчивости.

При аналитическом исследовании устойчивости стационарного положения равновесия но первому приближению рассматриваются переходные процессы в линеаризованных системах.

' Устойчивость стационарного положения равновесия технологических систем определяется с помощью алгебраического критерия ' Рауса - Гурвица.

В. Е. Кулаков использовал критерий Рауса - Гурвица для определения устойчивого движения автономной технологической системы при нарезании траиециидалышх резьб резцами на токарном станке модели 163, И М. Ковалёв использовал его для исследования устойчивости двухстепенной автономной системы заготовка - суппорт в направлении г - г и у - у при точении деталей на токарных станках- моделей 1А62Б и 1К62 твердосплавными резцами.

Применение критерия Рауса - Гурвица для оЦеюсн устойчивости нелинейных систем даст полное представление об отсутствии мягкого возбуждения автоколебания, которое невозможно при наличии устойчивого станионарно! о положения равновесия .

В результате произведённого анализа состояния вопроса было установлено, что наиболее прост в' реализации метод пекннематического

6

стружкодроблеиия, я связи с чем были определены следующие основные ' задачи исследования:

1. Исследовать процесс формирования и условия дробления стружки при использовании твердосплавных неперетачираемых пластин со стружколомакнцими элементами на передней поверхности.

2. Установить влияние параметров технологического процесса на протекание стружхообраэования при точении.

3. Поскольку применение стружколомающих элементов приводит к увеличению сил резания, чем потенциально способствует повышению вероятности появления автоколебаний необходимо исследовать вопросы устойчивости движения технологической системы. |

4. Разработать расчётную модель технологической системы для чего экспериментально определить собственные частоты и логарифмические декременты колебаний, приведённые массы,

■ коэффициенты жёсткости и сия сопротивления, пропорциональных скорости, подсистем станка.

5. Исследовать движение в технологической системе токарного станка при точении со стружходроблением с применением графических методов исследования колебаний.

6. Установить области устойчивого стружкодробления при точении труднообрабатываемых материалов и сплавов при отсутствии колебаний в технологической системе.

7. Исследовать технологические' характеристики точения при использовании твёрдосплавных пластин со сферическими выступами.

Во втором разделе описаны методики исследования устойчивости технологической системы с учётом нелинейных характеристик процесса резания и определения параметров МНП со сферическими выступами.

В качестве объекта исследования был выбран серийный токарно -винторезный станок 16К20 при обработке сталей 45, 40Х и 12Х18Н10.

Для анализа колебательного движения исследуемой технологической системы были составлены предполагаемые расчётные математические модели систем шпинделя, суппорта, задней бабки. Определение параметров рассматриваемых колебательных контуров проводилось для

трёх координат направлений, а для системы шпинделя ещё и в

" * .

крутильном направлении. Коэффициенты жесткости узлов определялось по ншрузочным ветвям графиков " нагрузка - перемещение " . Собственные, частоты , 1!ривсдеш1ые массы, приведешшые моменты ннерцин, логарифмические декременты, коэффициенты сил сопротивления, ■ пропорциональные скорости определялись расчётом на основе анализа свободных колебаний узлов . .с

Определение , характеристик силы резания проводилось на установке, . смонтнровшшон на базе токарно - винторезного станка модели IК62.

Для аппроксимации выражений по определению составляющих силы резания был использован метод Бокса - Уилсона (метод крутого восхождения), наиболее полно рассмотренный в работах Ю. Г1. Адлера, П. Г. Кацевой , НС. Новикова, П. И. Ящсрицнна и других исследователей . Этот метод позволяет получать статистические математические модели нропеесом, используя факторное планирование, регрессионный анализ и движение но градиенту .

В настоящее время выпускаются МНП, отличающиеся но форме , (трёхгранные, четырёхфанные, шестигранные с углой при вершине 80° ц др.), по размерам (в зависимости от диаметра вписанной окружности: 9,525; 12,7; 15 875; 19,05; 25,4 мм), но форме передней поверхности (плоская и со стружколомиющнмн элементами - сгружколомами) и по некогорым другим характеристикам...

11а токарных станках с ЧПУ ПК20ФЗ-С5 применяются резцовые вставки с главными углами в плане ¡р =45, 63, 93 . Необходимые углы обеспечиваю«ея применением пластин разной формы: для <р= 45° . четырех!ранных (ГОСТ 19 052 -80 ); для <р= 63° и 93° ромбических и трёхгранных (IСХУГ 19 062 -80 и 19 046-80) и шестшршшых с углом

при вершине 80° (ГОСТ 19 04 X - 80 ). Наибольшее применение находят

(

первые и после, ише пластины, при помощи которых обеспечивается обработка основных поверхностей заготовок на токарных станках (продольное и контурное точение, подрезка горцев). Поэтому дли нсслелов.ший были выбраны нласшнм четырёхгранные и шеетшршшые с углом при вершине £0°.

На процесс дробления .стружки основное влияние оказывают форма стружколома и его геометрические размеры. Виды исследуемых пластин Приведены на рис. I. На рис. 1а показаны пластины, которые имеют

I ■ ' '

стружколом в виде сложно - профильной канавки (на рисунке показаны МНП 19 051 -92 ) . Такой вид стружколома обозначен как тип 1. На рис. 16 представлены пластины со стружколомамн в виде сферических выступов на передней поверхности.

Все исследуемые пластины были обмерены на инструментальном микроскопе МИМ - 1 . Исследовались ш1астинм с минимальными, средними и максимальными размерами стружколомов, для которых определялись . режимы резания, обеспечивающие начало устойчивого стружкодробления. Определялась область дроблення стружки, обусловленная размерами стружколомающлх элементов. На основании полученных соотношений режимов резания, обеспечивающих дробление стружки, строились ' диаграммы в координатах 1-8 (I - глубина резаннА , 3 - подача), па которых отмечалось начало дробления стружки при данных режимах резания. Вероятность появления стружколома с минимальными и

п

рис. 1.

максимальными размерами одинакова, поэтому на диаграммах проводились границы, соответствующие наихудшим .условиям процесса, дробления стружки д ля данного вида МНП.

Построенные таким образом границы начала устойчивого стружкодроблення практически отсеивают зону, при которой не обеспечивается процесс формирования удовлетворительной стружки. Полученные диаграммы позволяют провести анализ эффективности процесса дробления стружки МНП с разными стружколомамн. Чем меньше величина подачи, характеризующая начато дробления стружки, тем эффективнее этот стружколом •

Третий раздел посвящен определению параметров технологической

системы и нелинейных зависимостей силы резания от режимов обработки.

&

*

Определение значений собственных частот и логарифмических декрементов проводилось на основании анализа 10-15 осциллограмм свободных затухающих колебаний каждого исследуемого узла для данного направления. Величины собственных частот и логарифмических декрементов определялись как средние значения величин, подсчитанных по осциллограммам.

Эксперименты по определению жёсткости элементов технологической системы ( шпинделя, суппорта н задней бабки) проводилась в соответствии с методикой, изложенной в разделе 2.

Опыты по определению зависимостей составляющих силы резания от режимных параметров проводились при точении стал ей 12Х18Н10Т, 45 и 40Х. •

' ■ Зависимости определялись для стандартных пластин ВЙ8 по ГОСТ 19051 -92 и для пластин со сферическими выступами.

Использовались державки по "ГОСТ 21151-75 тип I с сечением . 25 * 20 мм . .

Наиболее часто для апроксимации сил резания при точении используется эмпирическая зависимость:

Р, (Л .Р,) = Сг/'' 5,''» К"» , (I )

где I - глубина резания , мм ; Э - подача, мм/об; V - скорость резания , м/с; Сра, Хр. , ун н пр» - параметры , подлежащие определению.

В частости 'ниже приведены полученные зависимости составляющих силы резания от режимов обработки при точении стали 12Х18Н10Т.

Р. = 193910-9 Яо0-" V«, Н;

- Р, = 1636 I«»' Яо0 6» V-» ". Н ; ( 2 )

Р, = 992 " &>ом V*-» , Н .

Результаты определения параметров идя различных колебательных систем по 3-м координатным направлениям в несколько сокращённом виде представлены в табл. 1 . • • -

В _ чггвёргом разделе рассмотрены вопросы колебательных движений и внброустойчнностн технологической системы.

УО

^HfflltpTtfflff*31^1111* i^priffipn Ц ft^f^i* ТМНТШ f И1ТИЫ тспркго

ftlll МОЛГЩ 1K62

Колебатезьваа Нязра- Собственна« Кругом* Коэффициент Жёсткость Приве- Приведён» Логариф- Коэффа- Коэффа-

сноска частота частота яЕсххосп ' крутильной дения! вый МОМСЯ шпссжвй QK8T СЯЯ ПШ'Ш

колебаний югабвых састеш масса, инерция лшршяв СООрОТВ* сопроы-

f С. m î 3L

- Га 1 /с • Н/м Нм HCVM Нме> Не/и Нмс

1 2 3 4 3 6 7 s 9 10

Изгабнаа 1-Х 3» 2S70 14410«

система У-У 135 S4S 33,86 10« • 47,1 • 0,23 2920

ШПИНЛВО! Z-Z 1Э5 S4S 35,2S 10* — 49,1 — 0,23 2650 •

Изгибнаа х-х 10S 365 17,8410« 134 • 0,63 9790

система У-У 63 369 13,33 10« <5 4S20 -

суппорт« Z-Z 51 365 31,SS 10« • 239 • ■ ' 0,52 . 14400

Изгвбнаа х-.х 3W 2S70 242 10«. • • *

система У-У SO 314 1333 10« • 134 0,55 73(0 •

задней бабхя Z-Z 110 691 17,S 10« • 37,24 • 0,15 1640

Анализ экспериментальных, данных, приведенных в разделе 3, позволяет сделать . следующие выводы : ■ •

- жёсткости исследуемых узлов станка, определяемые по нагрузочным ветвям графиков зависимости "нагрузка - перемещение" , 'близки к линейным. Принятая для них линейная аппроксимация справедлива;

- частоты собственных колебаний узлов -в каждом из выбранных направлений на порядок и более выше наложенных. Характер кривых затухающих колебаний близок к синусоидальному. Поэтому исследуемые узлы и каждом из выбранных направлений имеют по одной степени свободы; • ,

- величина логарифмического декремента колебаний для шпиндельного узла исследуемого станка составила \ - 0,23 при значении частоты собственных колебаний Г= 135 Гц;

- величина логарифмического декремента для суппорта менялась в пределах 0,45 + 0,63 при частотах f= 58 + 108 Гц ;

Для узла задней бабки - Л, = 0,15+0,55 при Г =80+110 Гц. Меньшее значение логарифмического декремента колебаний соответствует частоте Г = 110 Гц, в направлении г-г ; •

- частоты собственных крутильных колебаний шпинделя при различной. редукции коробок скоростей изменялись в широких пределах:

Г= 18+ 115 Гц 'при этом X = 0,20 \ 1,65.

- при анализе, полученных результатов было замечено, что величина логарифмического декремента -остаётся постоянной для некоторых значеннй передаточного числа коробки скоростей. Так в диапазоне оборотов шпинделя Пщл = 50 + 160 об/мин положение подвижных шестерён трёх ближайших к шпинделю валов неизменно. Значения частот собственных крутильных ' колебаний практически постоянны Г= 115 Гц во всём указанном диапазоне оборотов шпинделя, при этом величины логарифмического декремента неизменны X = 0,2 .

Необходимо заметить, что такое постоянство параметров крутильной системы шпинделя отмечалось лишь при числах оборотов шпинделя i которым соответствовали длинные кинематические цеш^ коробки скоростей. При коротких кинематических цепях с •изменением редукции менялись значения. частоты и дскремеша.

SJLs . , .

Анализ автоколебательного движения и устойчивости движения отдельных систем проводился па фазовой плоскости графическим методом Льенара, что дало возможность учесть нелинейность силовых зависимостей. При определепшг обобщённых характеристик силы резания и силы сопротивления , пропорциональной скорости движения, во вшшанис принималась скорость схода стружки но передней поверхности инструмента с учётом сё. продольной усадки . На основании обобщенных характеристик были построены фазовые портреты для различных узлов.

В качестве иллюстрации на рис. 2 приведен фазопый портрет системы задней "бабки в направлении у , а на рис. 3 - системы суппорта в том же направлении.

Характеристики сил резания 1',, Р, и Р, на рисунках показаны линией 1 . Линия 2 показана характеристика сшп.1 сопротивления, пропорциональной скорости, ' в скобках указала скорость движения стружки по передней поверхности инструмента. Линиями 3 и 4 соответственно показаны обобщённая характеристзпеа и факь.ая траектория. Наличие устойчивой особой точки О для всех парциальных систем , кроме системы суппорта в направлении у , при обработке стали 12Х18Н10Т твсрдосилавш.шн резцами со сферическими выступами позволяет сделать вывод о декрементности этих систем . Для системы суппорта (рис.3) интегральная кривая стремится к устойчивому предельному циклу 4, что свидетельствует о стандартом автоколебательном движении в системе при использовании пластин со сферическими выступами .

Поэтому при определении областей надёжного стружкодроблення необходимо учитывать 1раничные условия, определяющие устойчивое движение доминирующей сисгсм!.1 суппорта в направлении у.

Как уже отмечалось, графический метод исследования в' определенной степени носит частный характер примсншсш,но к конкретным эпачеш<ям параметров системы и режимов обработки.

Для разрабогки технологических рекомендаций по использованию пластин со сферическими выступами при точении широкой гаммы материалов необходимо применеш(е аналитических методов исследования устойчивости.

и

Чо

3,0

2,0 1,0 О

у/

4 •

Ч

г/ •

( У щ) __

0.5 * <0 19 .ЩО Ц»/с

Рис. 2. Фазовый портрет системы ладней бабки в направлеии1{ у при

обработке .стали 12Х»8Н10Т ( V = !,15 м/с; & = 0,21 мм/об ; I = 3 им )

0,9 <0 V 2,0

Рис. 3. Фазовый портрет системы суппорта в направлении у при

обработке стали 12Х18Н10Т ( V = 1.15 м/с; Э = 0,21 мм/об; I = 5 мм )

При аналитическом исследовании устойчивости стационарного положения равновесия по первому приближению рассматриваются переходные процессы в линеаризованных системах. Изучение этих процессов осуществляется с помощью линейных однородных уравнений.

Согласно критерию Рауса - Гурвица система устойчива если выполняется условие: -

Ь>|Н,| (3) »

Иными словами система имеет устойчивое статическое положите равновесия, если в пределах рассматриваемого линеаризованного участка характеристики силы его крутизна будет меньше крутизны • положительной силы сопротивления.

Рассмотрим влияние режимов обработки на устойчивость работы станка , - исходя из полученного критерия. Коэффициент И практически не зависит от режимов обработан и определяется параметрами систем и её логарифмическим декрементом .

Крутизна характеристики силы Н| зависит от параметров режима резания и устанавливается одним из следующих способов. Наиболее точно она определяется по экспериментальной характеристике как угловой коэффициент нелинейной зависимости силы от скорости. Данный способ довольно трудоёмкий, т. к. при изменении вишчины подачи, глубины резания, переднего угла инструмента и т. д. необходимо каждый раз определять характеристику силы .

Величина Н| также может быть установлена из эмпирических зависимостей типа:

. Р, ( Р,; Р,) = С, 1"» в» у-"»

Дифференцирование выражения силы по скорости даёт: Н^-ПрСрГЧ'&'рУ'1»"» (4) Тогда условие устойчивости тсхнолошчсской системы при мягком 1 возбуждении автоколебаний принимает следующий вид: Ь>п»С^I1» в» \М"1,,|> (5) Полученный критерий наглядно иллюстрирует влияние режимов резания на устойчивость статического положения равновесия системы.

I В дальнейшем он использовался при .определении 1раниц областей устойчивого движения доминирующей системы суппорта в направлении у

Рис. 4. Влияние режимов резания на процесс стружкодробденм при резании стали 40Х пластинами со аружжодомаа в ввде сферических .выступов (ф = 93е), при асорости резания: »-1 м/с; 1- 1,2 и/с; л - 2,2 м/с. На этом рисунке н на всех последующих показано: слева от кривых область отсутствия дробления стружхн,

оправа - область дробленая стружки.

»

(

при точении резцами с пластинами со сгружкопоиамн в виде сферических выступов.

В пятом разделе приведены результаты исследований процесса дроблешя стружки с помощью МНИ со сферическими выступами.

Целью экспериментальных исследований являлось изучение влияния режимов резания, свойств обрабатываемого материала на процесс стружкодроблення и определение технолотчееких возможностей МНП со сферическими выступами .

Исследования проводились в нескольких этапов. На первом этапе ^было выявлено влияние режимов резания на процесс .дробления стружки.

На рис. 4 в качестве иллюстрации Приведена одна из диаграмм в координатах I - й. Кривая I , показанная на диаграмме, характеризует начало устойчивого стружкодроблення при разных скоростях резания . Слева от этих границ расположена область режимов резания, на которых процесс дробления стружки отсутствует шш неустойчив, справа -область устойчивого стружкодроблення. Анализ результатов исследований показал, что:

- из характеристик режимоп резания па процесс дробления стружки основное влияние оказывает подача. Влияние глубины резания сказывается двояко. Она может и ухудшать стружкодробление и улучшать его , что зависит от места упора стружки в препятствие. Скорость резания практически не влияет па стружкодробление;

- из исследованных видов сгружколомов наиболее эффективными оказались стружколомы в виде сферических выступов и мелкоразмерных канавок ■ на передних поверхностях пластин;

- свойства обрабатываемого материала влияют на стружкодробление незначительно. Для сталей, при обработке которых образуется сливная стружка , этим влиянием можно пренебречь ;

- струязсоломаюшие элементы, применяемые в" настоящее время на МШ1, обеспечивают процесс сгружко;[ро6лс1тя на подачах , соответствующих чернбвым и нолучнетовым режимам резания

(Ной 0,2 мм/об, I г I мм) Дробление стружки на меньших подачах можно обеспечить, если применять МНП с шириной сгружколомов, выполненных с наименьшими предельными размерами . Но, как правило, ширина стружколома выполнена с наибольшими предельными размерами.

Для получения диаграмм (рис.. 4) необходимо проведение трудоёмких экспериментов, поэтому в работе были определены условия обеспечивающие дробление стружки .

При этом по заданным параметрам стружколомающего элемента была определена минимально необходимая величина подачи, обеспечивающая дробление стружки : -(/cotÀ-SuCosfsinp-S^àn'fi ) + 2(со8рыпрсо8Л +

+ ^(соаЛ- S0cosp»inç>- 50 »in1 <р )'ч ^соармпрсовЛ + ып'рюп! + sinJ (psinA )

Уравнение ( б ) позволяет определить величину подачи с учётом влияния угла схода стружки р и величины контакта • стружки с передней поверхностью Ci , если известны параметры стружколомающих _элементов пластин ( В,, у*, Ву, 0 , q>, X ).

Из представленных на рисунке 4 зависимостей видно, что расхождение между расчётными н экшериментолмшыми значениями подачи ' при глубине резания больше 1мм не превышает 20%, что соответствует удовлетворительному совпадению расчетных и экспериментальных значений -подач.

На том же рисунке показана rpaiuma области устойчивости доминирующей системы суппорта в направлении у , определенная по условию устойчивости :

h>|H| ..

Область устойчивого движения системы суппорга находится слева от кривой 3 ( экспериментальная ) и 4 ( теоретическая ). .

Из анализа кривых видно, что пластины со сферическими выступами обеспечивают дробленле стружки при подачах значительно меньших чем для пластин со стружколомами по типу I .

Таким образом, в зоне малых и средних подач целесообразно использование пластин со сферическими выступами, а в зоне больших подач (в зоне неустойчивого движения для пластин со сферическими выступами) целесообразно использовать МНИ со стружхоломами по типу !.

Si

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты выполненной работы позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Проведены исследования процесса дробления стружки при помощи многогранных иеперетачивагмых пластин со стружколомающими элементами в виде канавок (тип I ) и сферических выступов. Эти исследования позволили определить эффективность дробления стружки при резании пластинами с разными видами стружколомов. Определено, что лучшими стружколомающими свойствами обладают стружколомы в. вше сферических выступов.

2. Установлено, что применение МНП со сферическими выступами вызывает- повышение йшы резания по сравнешио с обычными пластинами.

3. Разработан системный комплекс методик для определения областей устойчивой работы при точении с применением твердосплавных пластин со сферическими выступами, включающий методики по определению следующих параметров подсистем технологической системы:

- собственной частоты , логарифмического декремента колебаний ;

- коэффициента силы сопротивления скорости движения и приведённой массы ( момент инерции );

- жёсткости;

- силовых зависимостей процесса резания.

4. Сформулированы принципы получения расчётной модели технологической системы.

5. В результате использования разработанных - методик определены:

- по зависимостям "нагрузка - перемещение" - коэффициенты жёсткости изгибных и крутильных систем для различных узлов станка ;

- по осциллограммам собственных колебаний - собствмшые чистоты , логарифмические декременты, приведенные массы и моменты инерции,

. коэффициенты сил сопротивления, пропорциональные скорости.

6. По методу полного факторного эксперимента получены эмпирические зависимости составляющих силы резания ( Р,, Ру, Р,) от режимов обработки (I, Э, V) при обработке различных сталей (45 , 40Х, 12Х18Н10Т ).

У9 '

7. На основе полученных динамических параметров отдельных ' парциальных систем и эмпирических зависимостей составляющих силы резания на фазовой плоскости, методом Льенара исследована устойчивость движения этих парциальных систем.

8. Установлено наличие устойчивой особой точки для всех парциальных систем, кроме системы суппорта в направлении у.'.

9. Определены условия, при которых обеспечивается дробление стружки. Эти условия получены с . учётом величины зоны пластической деформации и угла схода стружки р. Проведены расчёты величины подачи, характеризующей начало процесса дробления стружки., Эти расчёты совпадают (разница ни более 20%) с экспериментальными. результатами.

10. С использованием критерия Рауса - Гурвица установлены границы областей устойчивого движения доминирующей системы суппорта, в направлении у при точении резцами с пластинами со стружколомамн в виде сферических выступов.

П. Установлено, что износ стружколомающнх элементов в виде сферических выступов оказывает малое влияние на изменение процесса стружкодроблсния .

12. Сравнительные испытания пластин' с разными типами сгружколомов показали, что применение сгружколомов в виде сферических выступов практически не изменяет технологические характеристики процесса токарной обработки.

~ЛЛ>-