книги / Обработка резанием с вибрациями книга

«:

о

tu

к

с*

к

*

J 2 3 4

Экспериментальные данные по определению зависимости j удельной энергоемкости процессе ЕаПп

от кинетической энергии Лилю [см. рис. 21)

			£		1 О
		мм	в .		3
			9	1	&
		Толщина срезав
Марка стали	Термическая обработка		с	i	G	1
					с	« *
					B Ïа
ЭИ-811	Отжиг	о .з	250		0,3
ЭИ-811	»	0,12	140		0.17
45	»	0,3	206		0,32
45	В'состояшш поставки	0Г,3	220		0,31

заготовкой. Из рис. 21 и табл. 5 видно» что при прило­ жении малой кинетической энергии Ai значения Е ве­

лики, т. е. процесс резания неэффективен. Рост энер-

Рис 21 Зависимость удельной энергоемкости процесса		ударне-пре-
рывистого резания	Е от задаваемой на инструмент	кинетической
энергии АI	(условия экспериментов — см. табл. 5)

гни единичного удара до определенного предела сни­ жает энергоемкость процесса резания. Эксперименты показали, что оптимальная энергия удара определяется видом обрабатываемого материала, условиями его тер­ мической обработки, толщиной среза и, вероятно, ря­ дом других, не опробованных нами в экспериментах,

ill

Технологических факторов. Дальнейший рост А { приво­ дит к повышению Ё, при этом при нагрузках, примерно

вдвое превышающих первую оптимальную в^йличину, получается второй минимум кривой E~f(Aj), опре­

деляющий вторую оптимальную величину энергозатрат на единицу длины среза.

Изложенные результаты экспериментальных иссле­ дований могут быть объяснены следующим образом. Процесс резания с малой начальной энергией не может привести к значительной концентрации ее у режущей кромки, поэтому для достижения предельного состоя­ ния на поверхности разрыва требуется значительно большая энергия. Процесс стружкообразования проте­ кает с малыми размерами трещины, при этом возра­ стает число плоскостей скольжения, приходящихся на единицу пути резания. Сдвиг становится менее раз­ витым, и вместе с тем растет относительная доля энер­ гии, рассеиваемой на упругие деформации в зоне реза­ ния и системе СПИД в целом.

Первый минимум кривой энергоемкости процесса ударно-прерывистого резания достигается при таких значениях энергии взаимодействия инструмента с за­ готовкой, когда она становится достаточной, чтобы про­ изошли оба этапа стружкообразования — образование развитой трещины и сдвиг, т. е. образовался полностью один элемент стружки. Понятно, что некоторое увели­ чение энергии сверх оптимального не приводит к эф­ фективному использованию этого прироста энергии. Правильность такого описания процесса стружкообра­ зования на этом этапе подтверждается тем, что при экспериментах на внешней поверхности стружки отчет­ ливо видны два неравных по величине элемента — с хо­ рошо развитым и мало заметным сдвигом по плоско­ сти скольжения.

Второй минимум энергии соответствует условиям об­ работки, когда за одно ударное взаимодействие инстру­ мента и заготовки происходит два скола и два сдвига, т. е. образуются два новых элемента стружки. Экспе­ риментальным подтверждением такого механизма яв­ ляется образование при резании в этих условиях эле­ ментной стружки, полностью идентичной первому ми­ нимуму, т. е. одинаковой по форме элементов, с полностью развитыми плоскостями сдвига. На осно-

вакии изложенного следует предполагать, что при всех значений^ импульсов, кратных первому оптимальному, будет иметь место минимум удельной энергии резания. Однако в наших экспериментах вследствие небольшой длины обрабатываемого участка образца при большой длине прохода инструмента за каждый удар не уда­ лось получить достаточное количество эксперимен­ тальных данных с тем, чтобы построить кривую энер­ гоемкости для импульсов, превышающих второе опти­ мальное значение.

Используемые в настоящее время вибраторы обес­ печивают максимальные скорости вибрационного дви­ жения, не превосходящие тех, которые были получены при испытаниях на лабораторной копровой установке. Поэтому на подобных установках можно проводить испытания по обоснованию параметров вновь проекти­ руемых, вибрационных устройств для резания с вибра­ циями, а также определять оптимальные режимы рабо­ ты существующих, исходя из скорости главного равно­ мерного движения резания, элементов срезаемого слоя и других параметров, рассмотренных в гл. II, при ки­ нематическом анализе процесса. Например, на основа­ нии изложенного ясно, что применение ультразвуковых колебаний для улучшения процесса стружкообразоваиия в отношении минимума затраченной энергии, т. е. меньших сил, потребных на этот процесс, является эффективным только при обработке с малой толщиной среза, соизмеримой с амплитудой колебаний, и не­ больших скоростях главного равномерного движения резания (примерно до 20 м/мин). Правильность этого

теоретического вывода подтверждают результаты экс­

периментальных		исследований этого			метода,			приве­
денные в	работах	[ 12,	20]. Изучение		процесса			струж-
кообразования при точении				сплава	ЭИ	437Б		(vp~
= 6 M IM U H , а = 0,8		мм, 6= 1,8		мм, у = + 8с)		с	помощью
скоростной	киносъемки		[23]	показало, что			если при

обычном точении сплава на таких режимах получа­ лась стружка непрерывная сливная, но с введением ультразвуковых колебаний (А =0,006 мм) она транс­

формировалась в элементообразную, причем это пре­ вращение связано с появлением хорошо видимой опе­ режающей трещины. Все это свидетельствует о том, что при ударно-прерывистом резании энергетически

более выгодным становится процесс стружкообразования с формированием элементной формы строки, так как значительная часть серии сдвигов в процессе стружкообразования заменяется одним сколом; прр этом сни­ жается и площадь сдвига.

ВИД И ФОРМА СТРУЖКИ, ОБРАЗУЮЩЕЙСЯ п т РЕЗАНИИ С ВИБРАЦИЯМИ

Вибрации изменяют кинематику, а в отдельных слу­ чаях и физику процесса резания; при этом на операци­ ях, обеспечивающих при обычном резании получение непрерывной, прочной, например, сливной формы, стружки, все же^образуется стружка дробленой формы. Поэтому для характеристики процесса резания с ви­ брациями можно сохранить обычно принятое разделе­ ние вида стружки \ определяющее физические условия формирования ее отдельных элементов, однако его не­ обходимо дополнить характеристикой ее формы, завися­ щей уже от кинематики процесса. Так, при точении с низкочастотными осевыми вибрациями может образо­ вываться как сливная, так и суставчатая стружка, при этом она может быть в виде очень длинных спиралей или в виде отдельных завитков. Степень дробления стружки выражается так называемым объемным ко­ эффициентом, определяемым как отношение объема полученной стружки Vcmv к объему снятого при этом материала VMam- Его значения, по данным А. М. Вуль­ фа, приведены в табл. 6. Объемный коэффициент оп­

ределяется путем измерения объема (с помощью мер­ ного сосуда) Vemp 1сж*) и веса дс (кг) произвольвого

количества стружки.

Возникновение вибраций изменяет вид и форму об­ разующейся стружки путем изменения кинематики про­ цесса, а при высокой интенсивности вибраций— и за счет физических условий стружкообразования. В зави­ симости от режимов резания и вибраций кинематика процесса резания с вибрациями может обеспечивать непрерывный или прерывистый процесс резания; в по­ следнем случае вне зависимости от физических условий

1 При резании пластических материалов стружка делится иа сливную, суставчатую и элементную; при обработке хрупких мате­ риалов образуется стружка надлома.

Таблица €

Объемные коэффициенты стружки

Тип drpyjSKH	Объемный
	коэффициент
Лентообразная сливная:
прям ая...........................	300—400

путаная ........................

200—: оо

дробленая ....................	15—20
Спиральная:
длинная............................	60-80

короткая ........................

40—45

Эскиз

С Ж =

&J

шт т

v M L

о

плоская . .................... 10—15

Тип стружки	Объемный	Эскиз
	коэффициент
Элементная:
связанная........................	8 - 9

дробленая • ................	5 - 6	о	S i

о

резания получается дробленая форма стружки. При не­ прерывном процессе резания с вибрациями также мо­ жет происходить надежное дробление стружки. Это будет иметь место при значительном колебании толщи­ ны стружки, когда ее прочность по слабому сечению (по впадине) при взаимодействии с вращающейся по­ верхностью заготовки или специальным уступом ока­ зывается недостаточной. Длина одного куска стружки (при прерывистом резании с вибрациями) будет

16,7иокр	~	r.dn	ММ.	(3.4)
~ Л		finit
		““15

Обмеры формы стружки, образующейся при непре­ рывном точении с вибрациями, подтвердили известные зависимости для обычного резания. Радиус кривизны стружки приблизительно пропорционален толщине сни­ маемого слоя и обратно пропорционален углу резания. Кроме того, как показало рассмотрение формы струж­ ки, образующейся при точении с тангенциальными ви­ брациями, радиус ее кривизны уменьшается при сниже­ нии относительной скорости движения резца.

Форма и размеры стружки, образующейся при ре­ зании с вибрациями, зависят прежде всего от режимов, определяющих характер процесса резания. Надежное и устойчивое дробление стружки получается при преры­ вистом характере резания. Б этом случае форма и раз-

меры образующейся стружки при резании с осевыми вибрациями определяются прежде всего частотой за­ даваемых вибраций. При высоких частотах она обра­ зуется в виде пыли, при более низких — в виде отдельных завитков и далее в виде отдельных колец и завитков различной длины. Изучение усадки стружки прово­ дилось при точении стали 45 с осевыми вибрациями

Рис. 22. Изменение коэффициента усадки в процессе срезания одпого элемента:

/ — обычное резание; 2—резание с вибрациями

внешним осмотром и ее обмером. Типовая форма эле­ мента стружки приведена на рис. 22. Стружка имеет

неравномерную усадку в течение одного периода коле­ баний, что выражается в неравномерной ее кривизне.

Приняв линейную зависимость радиуса кривизны стружки и коэффициента ее усадки, можно построить зависимость последнего от фазы колебаний резца. При принятых режимах резания и вибраций врезание инст­ румента происходит с большим рабочим передним уг­ лом; кроме того, оно сопровождается резким возраста­ нием толщины среза. Все это приводит к снижению коэффициента усадки. В дальнейшем рабочий перед­ ний угол уменьшается и становится меньше, чем при обычном резании, в конце среза толщина снимаемого слоя также мала. Все это ведет к возрастанию коэффи­

циента усадки. Следует отметить, что среднее значение коэффициента усадки за один период колебаний мень­ ше, чем при обычном резании. Это совпадает с резуль­ татами исследований других авторов [14, 17], где так­ же было установлено, что независимо от частоты и амплитуды вибраций усадка стружки меньше, чем пр« обычном резании.

МЕХАНИКА ПРОЦЕССА СТРУЖКООБРЛЗОВАНИЯ

С ЕДИНСТВЕННОЙ плоскостью сдвига

ПРИ РЕЗАНИИ С ВИБРАЦИЯМИ

Воздействие передней поверхности инструмента на стружку, обусловленное приводом станка, складывает­ ся из элементарных нормальных сил и касательных сил трения. Эти элементарные силы приводят к одной рав­ нодействующей силе R, складывающейся из нормальной

кпередней поверхности силы /V и силы трения F.

Вслучае обработки резанием с вибрациями коэф­ фициент усадки £ — переменная величина и зависит от изменения рабочего переднего угла, угла сдвига р|, ско­ рости резания; однако при достаточно низких частотах

	вибраций можно принять	const.	Тогда можно опре­
	делить зависимость угла	сдвига pi	от изменяющегося
	в процессе резания рабочего переднего угла yt:
	tg& =	cosy*	(3.5)
		l — sinу,

Так как рабочий передний угол <у< изменяется с ча­ стотой задаваемых вибраций, то и положение плоско­ сти сдвига также будет меняться с этой же частотой по гармоническому закону.

Определим степень изменения положения плоскости сдвига при резании с вибрациями. Так, при режимах

точения		с осевыми	вибрациями	4 —60	мм, vp=
= 100	M IM U H (п=530		об/мин),	5 о=0,3	мм/об,
=50	ец,	Д*= 0,5 мм,	резцом с передним углом у = 10°

получаем амплитуду изменения переднего угла, равную 5°; при этом положение условной плоскости сдвига бу­ дет колебаться в обе стороны примерно на 1°. Сниже­ ние скорости резания до 50 м/мин ('«=265 об/мин) дает

Дцв=8,2°; при этом положение плоскости сдвига будет колебаться несколько больше— на 1,5°.

В отличие от обычных методов механических испы­ таний, например растяжением, где степень деформа­ ции может быть задана в процессе резания, она уста­ навливается сама в зависимости от многих условий и прежде всего от направления действия, величины рав­ нодействующей силы и характера ее изменения при возникновении вибраций. Если при механических ис­ пытаниях, например растяжением, деформация явля­ ется результатом приложения силы, то при резании,

наоборот, сила определяется значением деформаций. Поэтому изменение условий резания, происходящее при возникновении вибраций, будет приводить к изме­ нению действующих в системе сил.

Учитывая изложенное, рассмотрим специфические факторы, определяющие угол сдвига при резании с ви­ брациями. К ним в первую очередь относится решаю­ щее влияние на величину угла сдвига непрямолинейности наружного профиля срезаемого слоя, формируемого предыдущим вибрационным проходом инструмента. Используем для определения этой зависимости закон наименьшего сопротивления, который в применении к

пластической		деформации	разработан		Г. Треска
(1865	г.) В	настоящее	время он	формулируется
С. И.	Губкиным следующим образом:			«В	случае воз­

можности перемещения точек деформируемого тела в различных направлениях каждая точка деформируемого тела перемещается в направлении наименьшего сопро­ тивления». Следует добавить, что максимальную ко­ нечную деформацию тело получает в направлении, по которому движется наибольшее количество точек. Для применения этого закона к процессу стружкообразовання необходимо знать направление траектории, по ко­ торой для точек, на ней расположенных, сопротивление течению будет наименьшим. К- А. Зворыкин (1893 г.), принимая схему стружкообразования как схему чистого сдвига по единственной плоскости, высказал следую­ щий принцип: при любых условиях обработки угол сдви­ га Pi устанавливается такой, при котором расход энер­ гии на процесс стружкообразования будет минималь­

ным или (что при постоянной	скорости резания есть
то же самое) при которой сила	R будет минимальной.
Если согласно принятому допущению стружка обра­
зуется путем последовательных	сдвигов по единствен­

ной плоскости ОА, то ее положение определяется как

положение плоскости минимальных касательных напря­ жений. В этом случае можно записать следующие ра­ венства:

Я *=/?';		(3.6)
Яс “ TtfgMp, = Я cos	-Ь PJ);	(3.7)
cos (ü.-f- PO	’	(3.8)

где /р, — длина плоскости сдвига ОА,	расположенной
по углам Pi к направлению	движения реза­
ния.

Согласно закону наименьших сопротивлений и его приложения к процессу резания (принцип К- А. Зво­

рыкина) определим	угол сдвига			р(. Значение			будет
минимальным, когда знаменатель формул (3.5),							(3.9)
наибольший:
-г г Isin р, sin (Ô -f р -Ь- pt)l =			tg pj +		tg (6 +	р -f PO =
_			+		_ 0j		/3 9ч
cos Picos (Ô + p -j- Pi)
откуда
P, = 90° —		-	45° +		град.		(ЗЛО)
Выполненное здесь		дифференцирование				допустимо
при предположении,	что		p, ô не зависят от				угла
сдвига. Между тем	в	процессе		резания с		изменением

угла pi изменяется коэффициент усадки стружки g и относительный сдвиг s. Это приводит к изменению сте­ пени упрочнения, т. е. величины хсдв, а также нормаль­

ного давления на передней поверхности, т. е. угла тре­ ния р. Поэтому оно возможно только для выяснения в первом приближении относительных закономерностей изменения процесса стружкообразования при возникно­ вении вибраций прежде всего низкой частоты. Влияние углов p, ô на величину угла сдвига Pi будет рассмот­ рено ниже.

Определим, как изменятся сила стружкообразова­ ния и угол сдвига {3j при резании с вибрациями, когда инструмент периодически снимает срезаемый слой с возрастающей и убывающей толщиной. В этом случае на основании закона наименьшего сопротивления можно логически сделать вывод (рис. 23), что при сре­ зании слоя с в о з р а с т а ю щ е й т о л щ и н о й плоскость сдвига ОА повернется по часовой стрелке относительно

ее положения при обычном	резании	(рис. 23, а).	Это
приведет к ее относительно	меньшей	длине	< /в

(рис. 23,6). При срезании слоя с убывающей толщиной будет обратное явление. Найдем численные выражения изменения этих углов.