автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Виброустойчивые режимы чистового точения нежестких валов резцами с зачищающей режущей кромкой

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Типы, форма и особенности автоколебаний при точении валов

1.2. Упругие силы и силы сопротивления, действующие при колебаниях системы СПИД.

1.3. Переменные силы резания при колебаниях

1.4. Причины возбуждения автоколебаний при точении. Расчетные математические модели

1.5. Автоколебательные системы с запаздывающими силами

1.6. Виброустойчивые режимы резания

Краткие выводы, цель и задачи исследования

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ АВТОКОЛЕБАНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ НЕЖЕСТКИХ ВАЛОВ В ПРОЦЕССЕ ЧИСТОВОГО ТОЧЕНИЯ РЕЗЦАМИ С ЗАЧИЩАЮЩЕЙ РЕЖУЩЕЙ КРОМКОЙ.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Обоснование выбора расчетной математической модели автоколебаний системы СПИД

2.3. Уравнения движения

2.4. Переменные силы резания при поперечных колебаниях.

2.5. Устойчивость состояния равновесия

В ы в о д ы.

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Оборудование, аппаратура, материалы, инструмент.

3.2. Методика исследования статических и динамиче ских характеристик системы СПИД

3.3. Методика определения переменных сил резания.

3.4. Методика определения предельных виброустойчивых режимов резания

В ы в о д ы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ СПИД.

4.1. Исследование коэффициентов жесткости и поглощения подсистемы детали при асимметричном циклическом деформировании

4.2. Влияние податливости опор на коэффициент жесткости и частоту собственных колебаний детали.

4.3. Исследование коэффициентов сопротивления в различных сечениях обрабатываемой детали;.

В ы в о д ы.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛ РЕЗАНИЯ И КОЛЕБАНИЙ СИСТЕМЫ СПИД ПРИ ЧИСТОВОМ ТОЧЕНИИ НЕЖЕСТКИХ ВАЛОВ РЕЗЦАМИ С ЗАЧИЩАЮЩЕЙ РЕЖУЩЕЙ КРОМКОЙ.НО

5.1. Исследование особенностей силовых зависимостей при стационарном резании.НО

5.2. Исследование крутизны характеристики силы резания

5.3. Исследование интенсивности автоколебаний и непереодических колебаний при чистовом точении нежестких валов резцами с зачищающей режущей кромкой

В ы в о д ы.

6. ИССЛЕДОВАНИЕ, РАСЧЕТ И ВНЕДРЕНИЕ ВИБРОУСТОЙЧИВЫХ РЕЖИМОВ ЧИСТОВОГО ТОЧЕНИЯ НЕЖЕСТКИХ ВАЛОВ РЕЗЦАМИ С ЗАЧИЩАЮЩЕЙ РЕЖУЩЕЙ КРОМКОЙ.

6.1. Анализ уравнений виброустойчивых режимов резания.

6.2. Экспериментальное исследование виброустойчивых режимов резания

6.3. Расчет виброустойчивых режимов резания по переменному коэффициенту сопротивления

6.4. Расчет виброустойчивых режимов резания по минимальному коэффициенту сопротивления

6.5. Разработка и внедрение практических рекомендаций по расчету оптимальных режимов чистового точения нежестких валов резцами с зачищающей режущей кромкой с учетом ограничений по виброустойчивости

В ы в о д ы.

Проблема обеспечения виброустойчивости процесса обработки материалов резанием в настоящее время имеет особо важное значение в связи с интенсификацией производственных процессов. От решения этой проблемы зависит дальнейшее повышение эффективно -сти обработки резанием, что является одной из важнейших задач, поставленных ХХУ1 съездом КПСС перед работниками машиностроения.

Одним из путей повышения эффективности получистового и чистового точения является внедрение прогрессивного режущего инструмента.

При обработке достаточно жестких деталей применение рез -цов с зачищающей режущей кромкой позволяет существенно повысить площадь поверхности, обработанной за период стойкости, качество поверхности и снизить трудоемкость операции. Однако при ,обра -ботке технологически нежестких деталей высокопроизводительные резцы с зачищающей режущей кромкой еще не нашли широкого при -менения. Объясняется это прежде всего отсутствием комплексных исследований устойчивости динамической системы СПИД, а, следовательно, отсутствием научно обоснованных практических рекомендаций по назначению оптимальных режимов резания с учетом ограничений по виброустойчивости при пониженной жесткости системы СПИД.

Технологически нежесткие детали широко применяются в различных отраслях машиностроения. Типичными представителями та -ких деталей являются штоки, телескопические цилиндры и плунжеры шлифовальных, хонинговальных и протяжных станков, а также агрегатных станков и промышленных роботов, аэродромных гидро -подъемников, подъемно-осмотровых устройств для ремонта автомобилей, подъемно-транспортных машин, строительных, дорожных и сельскохозяйственных машин, автомобилей-самосвалов, пожарных автомобилей, шахтных гидростоек и т.д.

Основными операциями при изготовлении указанных выше де -талей является точная обработка наружных цилиндрических поверхностей, трудоемкость которой в зависимости от точности, шероховатости и конструкции деталей достигает 90 % полной трудоемко -сти. Поэтому проведение комплексных исследований устойчивости динамической системы СПИД при чистовом точении технологически нежестких валов резцами с зачищающей режущей кромкой является весьма актуальной задачей, имеющей народнохозяйственное значе -ние.

Основными видами колебаний, ограничивающими допускаемые режимы резания, являются вынужденные колебания и автоколебания [40,51,73] .

За последние годы значительно повышена виброустойчивость станков. У токарных станков улучшены статические и динамичес -кие характеристики шпиндельных узлов, шпиндельных бабок, патронов и других элементов их конструкции.

В XI пятилетке предусмотрено повышение точности, а, значит и жесткости металлорежущих станков не менее чем на 20-30 %. Однако вибрации при резании не устранены окончательно. Особую опасность для станков нормальной и повышенной точности представляют автоколебания, которые характерны как для универсальных, так и специальных станков всех типов [51] . Поэтому разработка инженерной методики расчета виброустойчивых режимов резания на основе теоретических и экспериментальных исследований условий возбуждения автоколебаний при пониженной жесткости системы СПИД (подсистемы детали) имеет также научное значение.

Большой вклад в изучение колебаний при резании металлов внесли видные советские ученые Н.А.Дроздов [26] , А.И.Каширин £38,39] , А.П.Соколовский [81-83] , Г.А.Манжос [57] , И.С.Амосов [2] , И.С.Штейнберг [97] , Л.К.Кучма [47-49] , И.И.Ильницкий [32] , В.А.Кудинов [40-45] , Н.И.Ташлицкий [85] , Л.С.Мурашкин и С.Л.Мурашкин [59,60] , А.Я.Малкин [56,64] ,

B.Н.Подураев [68] , С.С.Кедров [bl] , В.В.Заре [27,28] , М.Е.Эльясберг [98-100] и др. Из зарубежных ученых следует отметить И.Тлустого [92] , Р.Арнольда [iOl] , С.Дой и С.Като [102] ,

C.Тобиаса и В.Фишвика [ЮЗ] и др.

В проведенных исследованиях авторы решили ряд важных вопросов, связанных с изучением причин возбуждения автоколебаний, кинематики процесса резания при колебаниях и степени интенсивности колебаний при различных условиях, а также разработали общие методы повышения виброустойчивости системы СПИД в процессе резания.

Изучением характеристик жесткости и демпфирования системы СПИД занимались Д.Н.Решетов, З.М.Левина, В.В.Каминская [25,36, 74,75] и др.

Методы определения частот собственных колебаний деталей и узлов металлорежущих станков глубоко и всесторонне рассмотрены В.Л.Вейцем, В.К.Дондашевским и В.И.Чиряевым [9] .

Несмотря на большое количество работ отечественных и за -рубежных ученых, посвященных изучению вибраций при резании ме -таллов, полученные расчетные зависимости для определения виброустойчивых режимов резания носят разноречивый характер. Объяс -няется это прежде всего отсутствием единства взглядов на причину возникновения автоколебаний в процессе резания.

В существующих расчетных моделях обычно учитывается только один какой-либо источник первичного возбуждения автоколебаний. В большинстве случаев в качестве первичного источника возбуждения автоколэбаний рассматривается или падающая характеристика силы резания от скорости или запаздывание (отставание) силы резания от перемещения. При этом, очевидно, делается допущение о несущественности другого источника. Однако, изменения условий обработки показали необходимость проведения дополнительных экспериментов для уточнения полученных ранее зависимостей.

Повышение точности расчета виброустойчивых режимов резания может быть осуществлено в различных направлениях. Наиболее часто идут по пути повышения точности расчетной математической модели за счет увеличения числа степеней свободы, а также за счет повышения точности физических зависимостей, характеризующих процесс резания при колебаниях. Обычно повышение точности расчетной математической модели связано с определенным ее усложнением. Это обстоятельство заставляет, не отвергая предыдущего пути, искать решения и в других направлениях. Одно из них заключается в повышении точности определения статических и динамических характеристик элементов системы СПИД.

В данной работе большое внимание уделено совершенствованию методики определения виброустойчивых режимов резания как за счет разработки более точной расчетной математической модели, так и за счет повышения точности определения параметров системы СПИД.

Настоящая работа посвящена проведению комплексных исследо -ваний области устойчивости чистового точения технологически нежестких валов резцами с зачищающей режущей кромкой.

На защиту выносится инженерная методика расчета виброус тойчивых режимов резания с учетом взаимовлияния кинематических и динамических факторов. В такой постановке задача решается впервые.

Работа выполнена в Омском политехническом институте в со -ответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ "Разработка и внедрение системы рациональной эксплуатации режущих инструментов".

На основании результатов, полученных в работе, разработаны и внедрены рекомендации, обеспечивающие устойчивость системы СПИД при чистовом точении штоков гидроподъемников резцами с зачищающей режущей кромкой на Куйбышевском заводе аэродромного оборудования. Экономический эффект составил 26 тыс. рублей в год.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах [21,22,86,87] .

Автор выражает благодарность засл. деятелю науки и техники РСФСР, д-ру техн. наук, проф. А.Я.Малкину, д-ру техн. наук, проф. С.Л.Мурашкину и д-ру техн. наук В.В.Каминской за ряд ценных советов, высказанных при ознакомлении с рукописью.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

I.I. Типы, форма и особенности автоколебаний при точении валов

Большой экспериментальный материал, доказывающий, что вибрации при токарной обработке происходят в режиме автоколебаний, содержится в работах Л.К.Кучмы [47] , И.С.Штейнберга [97] , Г.А.Манжос , И.С.Амосова и В.А.Скрагана £2] и др. В этих работах установлено, что при точении валов в основном возникают поперечные колебания. Наиболее полно изучены радиальные ко -лебания - в направлении оси У , а также тангенцильные колеба -ния - в направлении оси 2, . Продольные и крутильные колебания, как несущественно влияющие на характер колебаний при точении валов, обычно не учитывались при рассмотрении динамики системы СПИД. Большинство исследований посвящено изучению автоколебаний при точении с прямыми срезами ( t > S). Менее изучены автоколебания при точении с обратными срезами ( -fc < £>).

А.И.Каширин [38] , А.П.Соколовский [81*1 , А.И.Исаев и Е.И.Михаленок [35] и др. выявили, что характер колебаний суще -ственно зависит от параметров системы СПИД. Экспериментально установлено, что при точении валов с прямыми и обратными срезами в системе СПИД возбуждаются или почти гармонические (томпсо-новские), или релаксационные (разрывные) автоколебания.

Почти гармонические колебания по форме близки к синусои -дальным, рис. 1.1а. Установлено, что их частота практически совпадает с первой (основной) собственной частотой колебаний подсистемы детали. Причем эта частота не зависит от параметров режима резания и лежит в диапазоне порядка 80.400 Гц. Такие колебания принято считать низкочастотными. Подсистему детали в данном случае называют доминирующей (основной) [38,81,40] . Подсистема же резца при этом будет находиться в режиме вынужденных колебаний [39] .

Релаксационные колебания при резании имеют резко несинусоидальную форму, рис. I.16. Установлено, что релаксационные коле -бания при резании это так называемые высокочастотные тангенци -альные (изгибные) колебания подсистемы резца. Их частотный диа -пазон лежит в пределах 2000.6000 Гц и более. В этом случае уже подсистема резца будет доминирующей (основной) подсистемой. Особенностью высокочастотных колебаний резца заключается в том, что эти колебания практически не передаются на узлы станка и обрабатываемую деталь. В работе £50] такой процесс назван резанием вибрирующим резцом.

Релаксационный характер колебаний подтверждается тем, что их частота не постоянна. Она увеличивается при увеличении ско -рости вращения обрабатываемой детали [35,26] .

Известно [3,95] , что в механических системах релаксационные колебания совершают тела, испытывающие большое трение, но обладающие малой массой. В работе £95] показано, что при релаксационных колебаниях относительная скорость V-Z хотя бы на мгновение в течение периода должна стать равной нулю, то есть Y =|2| ( V - скорость вращения обрабатываемой детали; |zj X

- абсолютная скорость тангенциальный колебаний). В этом случае V возможны "медленные" движения тела (резца), захваченного валом, и "быстрые" движения тела (резца) в противоположном направлении, когда упругая сила становится равной максимальной силе трения (покоя) [з] . А.А.Харкевич [95] отмечает, что при очень большой скорости вращения вала, У> \к[ , релаксационные колебания не

У\АЛЛ а) У\Л/ХЛ, б)

Рис. I.I. Характер колебаний системы СПИД [59] а- почти.гармонические колебания; б- релаксационные колебания

Первая форма

Вторая форма а) Г б) в)

Рис. 1.2. Влияние податливости опор на форму колебаний вращающегося вала [46] а - при бесконечно податливых опорах; б - при опорах конечной жесткости ; в - при бесконечно жестких опорах возможны.

В работе [46] установлено, что форма колебаний вращающегося вала существенно зависит от податливости его опор, рис. 1.2.

При точении валов особенно нежелательны колебания с первой (низшей) собственной частотой, так как ей соответствует наибольшая амплитуда колебаний.

Обычно при исследовании динамики в процессе точения рас -сматривались схемы, когда жесткость обрабатываемой детали Къет. значительно больше жесткости ее опор Коп. > (рис. 1.2а), а также схемы, когда Къгт> Кок и Кгет** Ко*.ь (рис. 1.26). Менее изучены схемы, когда Кдет ^ Коп(щс. 1.2б,в), характерные для технологически нежестких валов.

Несмотря на большое количество экспериментальных исследований, посвященных изучению автоколебаний при точении валов в ли -тературе до сих пор нет единого мнения по вопросу о влиянии па -раметров режима резания на интенсивность автоколебаний. Так, например, в работах [47,57] с увеличением толщины срезаемого слоя интенсивность автоколебаний уменьшается. В работе [5] интенсив -ность автоколебаний практически не зависит от толщины срезаемо -го слоя. В работе же [641с увеличением толщины срезаемого слоя интенсивность автоколебаний не уменьшается, а увеличивается. Аналогичный последнему результат был получен в работе-[34J при точении валов с обратными срезами ( "t< S ). Эти зависимости были названы авторами "специфическими" для обратных срезов. Однако физические причины этих особенностей не были выяснены. Это не позволяет использовать литературный материал для анализа динамических явлений системы СПИД при точении технологически не -жестких валов с обратными срезами ( Ь <S), поскольку динамические условия в последнем случае существенно отличаются от ранее исследованных и описанных в литературе.

Анализ выполненных работ [75,73,57 и flpjj также показывает, что при исследовании динамических явлений при точении ва -лов как правило не учитывались резонансные явления в системе. Известно fl2l , что в этом случае необходим учет двух степеней свободы. В работе [9J отмечается, что при приближении к резо -нансу (при расстройке частот менее 30 %) в системе СПИД могут развиваться опасные динамические явления. В работе [593 при изучении вынужденных колебаний в автоколебательных системах обнаружены так называемый режим захватывания или режим гармони -ческой синхронизации при малой расстройке, а также режим бие -ний - при умеренной расстройке парциальных частот.

Таким образом, при точении валов в основном возникают поперечные колебания, характер которых существенно зависит от параметров системы СПИД. В зависимости от статических и динами -ческих характеристик системы по форме возникают почти гармонические (томпсоновские) колебания подсистемы детали или релак -сационные (разрывные) колебания подсистемы резца.

При точении технологически нежестких валов с обратными срезами динамические условия существенно отличаются от исследованных в ранее выполненных работах. При изучении поведения ав -токолебательной системы СПИД в этом случае методически неправомерно использовать экспериментальные данные, полученные в дру -гих динамических условиях без исследования особенностей физических зависимостей процесса точения с обратными срезами и без исследования динамических процессов в системе с учетом связан -ности колебаний.

Выводы

1. Показано, что расчет виброустойчивых режимов чистового точения нежестких валов резцами с зачищающей режущей кромкой с помощью известных формул приводит к существенно различающимся результатам.

2. Установлено, что предельные виброустойчивые подачи, рассчитанные по координате У на 20-25 % меньше, чем по координате . Поэтому расчет виброустойчивых режимов резания нужно про -изводить по координате У .

3. Впервые установлено, что при чистовом точении нежестких валов резцами с зачищающей режущей кромкой падающая характери -стика силы резания является основным источником возбуждения ав -токолебаний. При расчете виброустойчивых режимов резания запаз -дывание можно не учитывать.

4. Выявлено, что предельная подача Sttp увеличивается при увеличении скорости резания и коэффициента сопротивления, а также при уменьшении глубины резания.

5. Впервые разработаны номограммы для расчета виброустой -чивых режимов резания применительно к чистовому точению нежестких валов резцами с зачищающей режущей кромкой.

6. Лабораторные и производственные испытания подтвердили правильность основных положений методики расчета оптимальных режимов резания с учетом ограничений по виброустойчивости сис -темы СПИД.

7. Внедрение разработанных рекомендаций по расчету опти -мальных режимов резания при чистовом точении нежестких валов резцами с зачищающей режущей кромкой с учетом ограничений по виброустойчивости на Куйбышевском заводе аэродномного оборудо -вания позволило получить экономический эффект в сумме 26 тыс. рублей в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана, экспериментально проверена и внедрена методика расчета виброустойчивых режимов чистового точения техноло -гически нежестких валов резцами с зачищающей режущей кромкой. Разработанная методика позволяет учесть два механизма первичного возбуждения автоколебаний - падающую характеристику силы резания и запаздывание.

2. Разработана методика определения переменных сил резания и впервые получено условие устойчивости системы СПИД с учетом кинематических приращений глубины резания л-Ь , подачи aS и скорости резания а при поперечных колебаниях.

3. Впервые установлено, что характеристики жесткости и демпфирования системы СПИД следует определять методом асимметричного циклического деформирования. Установлено, что коэффициенты жест -кости, измеренные по ГОСТ 7035-75 при первичном нагружении на 15-20 % меньше действительных коэффициентов жесткости, измеренных при асимметричном циклическом деформировании.

4. Выявлено, что при циклическом деформировании подсистемы детали и резца статическая петля гистерезиса стабилизируется, начиная со второго цикла. Показано, что коэффициенты жесткости и поглощения при асимметричном циклическом деформировании практически не зависят от коэффициента асимметрии цикла.

5. Показано, что предельные виброустойчивые подачи, рассчи -танные по координате У на 20-25 % меньше, чем по координате £ . Поэтому расчет виброустойчивых режимов резания нужно производить по координате у .

6. Впервые установлено, что при чистовом точении технологи чески нежестких валов резцами с зачищающей режущей кромкой падающая характеристика силы резания является основным источником возбуждения автоколебаний системы СПИД. При расчете виброустой -чивых режимов резания запаздывание можно не учитывать.

7. Выявлено, что для расширения области устойчивости необходимо увеличивать коэффициент сопротивления С , скорость резания

У , а также уменьшать глубину резания "t .

8. Впервые разработаны номограммы для расчета виброустой -чивых режимов резания применительно к чистовому точению техно -логически нежестких валов резцами с зачищающей режущей кромкой.

9. Внедрение разработанных рекомендаций по расчету вибро -устойчивых режимов чистового точения технологически нежестких валов резцами с зачищающей режущей кромкой на Куйбышевском заводе аэродромного оборудования позволило получить экономический эффект в сумме 26 тыс. рублей в год.

1. Акинфиева Л.Ю. Методы исследования автоколебаний при резании металлов: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Киев: КПИ, 1973. - 24 с.

2. Амосов И.С. и Скраган В.А. Точность, вибрации и чистота поверхности при токарной обработке / Под ред. М.А.Ансерова. М.; Л.: Машгиз, 1958, с. 39-70.•3. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Физматгиз, 1959. - 915 с.

3. Армарего И.Дж.А. и Браун Р.Х. Обработка металлов резанием. --М.: Машиностроение, 1977, с. 229-256.

4. Бармин Б.П. Вибрации и режимы резания. М.: Машиностроение, 1972, с. 71.

5. Блакьер 0. Анализ нелинейных систем / Пер. с англ. М.: Мир, 1969. - 400 с.

6. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975. - 344 с.

7. Василенко Н.В. Теория колебаний при резании металлов. Киев, 1975. - 69 с.

8. Вейц В.Л., Дондашевский В.К., Чиряев В.И. Вынужденные колебания в металлорежущих станках. М.; Л.: Машгиз, 1959. - 288 с.

9. Вибрации в технике. Справочник в 6 томах. Том I. Колебания линейных систем / Под ред. В.В.Болотина. М.: Машиностроение, 1978. - 352 с.

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

11. Вибрации в технике. Справочник в б томах. Том 3. Колебания машин, конструкций и их элементов / Под ред. Ф.М.Диментберга и К.С.Колесникова. М.: Машиностроение, 1980. - 544 с.

12. Вибрации в технике. Справочник в б томах. Том 4. Вибрацион -ные процессы и машины / Под ред. Э.Э.Левендела. М.: Машиностроение, 1981. - 509 с.

13. Вибрации в технике. Справочник в б томах. Том 5. Измерения и испытания / Под ред. М.Д.Генкина. М.: Машиностроение, 198I. - 496 с.

14. Вибрации в технике. Справочник в б томах. Том б. Защита от вибраций и ударов / Под ред. К.Ф.Фролова. М.: Машиностроение, 1981. - 456 с.

15. Вибрация. Термины и определения ГОСТ 24346-80. М.: Изд-во стандартов, 1980.

16. ГОСТ 18097-72. Станки токарные и токарно-винторезные. Нормы точности и жесткости. М.: Изд-во стандартов, 1972.

17. ГОСТ 7035-75. Станки металлорежущие и деревообрабатывающие. Общие условия испытания на жесткость. М.: Изд-во стандартов, 1975.

18. ГОСТ 8-77. Станки металлорежущие. Общие требования к испытаниям на точность. М.: Изд-во стандартов, 1977.

19. Горанский Г.К. Расчет режимов резания при помощи электронных вычислительных машин. Минск: Гос. изд-во БССР, 1963.- 192 с.

20. Гребень В.Г. Условия возбуждения автоколебаний при резании. Тезисы докл. конференции: Развитие металлорежущего инструмента и повышение его эффективности. Омск, 1980, с. 33.

21. Гребень В.Г., Кушнер B.C. Особенности обработки металлов свводом переменного тока в зону резания. В кн.: Вопросы ма