Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния проблемы обеспечения динамической стабилизации при многолезвийной обработке 9
1.1 Теоретические исследования неравномерности процесса многолезвийной обработки 9
1.2. Вибрации при обработке резанием 18
1.2.1. Вибрации при однолезвийной обработке 18
1.2.2. Вибрации при многолезвийной обработке
1.3. Обеспечение виброустойчивости процесса резания при однолезвийной обработке 25
1.4. Анализ методов обеспечения динамической стабилизации при многолезвийной обработке 31
1.5. Цели и задачи исследования 37
2. Метод динамической стабилизации при обработке резанием 39
2.1. Влияние локальной метастабильности в обрабатываемом материале на управление процессом резания 40
2.2. Создание локальной метастабильности в обрабатываемом материале и ее влияние на кинематику процесса резания 51
2.3. Математическое моделирование стружкообразования в процессе резания 57
2.4. Анализ устойчивости процесса стружкообразования 62
2.5. Результаты и выводы по главе
Динамическое моделирование технологической системы механической обработки при многолезвийной обработке 66
3.1 Построение упрощенной динамической модели технологической системы при многолезвийной обработке 66
3.2 Математическая модель технологической системы при многолезвийной обработке 85
3.3 Моделирование условий фазовых переходов в процессе многолезвийного резания 100
3.4 Решение нелинейных дифференциальных уравнений при многолезвийной механической обработке методом кусочно-линейной аппроксимации 113
3.4 Результаты и выводы по главе 129
4. Управление процессом резания при многолезвийной обработке 130
4.1. Влияние локальной метастабильности в обрабатываемом материале на кинематику процесса многолезвийного резания 130
4.2. Управление реологическими параметрами процесса многолезвийного резания при локальной метастабильности в обрабатываемом материале 134
4.3. Теоретические и экспериментальные исследования влияния локальной метастабильности в обрабатываемом материале на управление процессом многолезвийного резания 139
4.4 Результаты и выводы по главе 150
Заключение 151
Литература
- Вибрации при многолезвийной обработке
- Создание локальной метастабильности в обрабатываемом материале и ее влияние на кинематику процесса резания
- Математическая модель технологической системы при многолезвийной обработке
- Управление реологическими параметрами процесса многолезвийного резания при локальной метастабильности в обрабатываемом материале
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время автоматизация и
управление технологическими процессами в машиностроении являются
одними из наиболее перспективных направлений его развития, Повышение
эффективности процесса многолезвийного резания, особенно при
обработке коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов
обуславливает необходимость широкого использования
высокопроизводительного оборудования, позволяющего автоматизировать процессы механической обработки. Управление процессами механической обработки в автоматизированных производствах возможно лишь на основе новых подходов к изучению явлений, сопровождающих процесс резания металлов
Потеря устойчивости процесса многолезвийного резания ведет к возникновению автоколебаний, вызывающих повышение интенсивности изнашивания режущего инструмента и снижения долговечности исполнительных механизмов станка, а также приводит к ухудшению качества и точности обработки. Поэтому снижение интенсивности уровня колебаний в технологических системах, работающих в режиме автоматического цикла, является на сегодняшний день актуальной проблемой
Одним из наиболее эффективных методов, позволяющих изменять условия деформации металла при резании, является создание предварительного локального физического воздействия (ЛФВ) на внешней поверхности срезаемого слоя, производимое по определенным законам. Особенность процесса обработки заготовок, подвергнутых такому воздействию, заключается в периодическом изменении условий резания по сравнению с исходным материалом Данный метод позволяет
осуществлять управление процессом многолезвийного резания, что в свою очередь дает возможность совершенствования технологий механической многолезвийной лезвийной обработки в широком диапазоне материалов и режимов резания
Цель работы - повышение эффективности процесса
многолезвийного резания на станках с ЧПУ путем разработки научно-обоснованного метода управления процессом механической обработки многолезвийным инструментом Для достижения поставленной цели требует решения следующих задач-
- выявить причины проявления неустойчивости пластического
деформирования и условия перехода в неустойчивое состояние в процессе
многолезвийного резания, приводящие к возбуждению автоколебательного
режима в замкнутой технологической системе механической обработки
резанием,
- выбрать и обосновать реологическую модель процесса
многолезвийного резания, позволяющую осуществить динамическое
моделирование технологической системы механической обработки,
разработать динамическую модель технологической системы с учетом реологических особенностей процесса многолезвийного резания и колебаний в контурах замкнутой системы на базе ранее предложенных динамических моделей,
разработать теоретические основы для эффективного управления деформационным процессом и виброустойчивостью технологических систем многолезвийной обработки,
выполнить комплекс экспериментальных исследований с целью подтверждения правомерности полученных в работе теоретических положений,
- разработать рекомендации по повышению эффективности технологического процесса многолезвийной обработки на основе управления процессом стружкообразования.
Методы исследования. Моделирование и исследование процессов стружкообразования осуществлялось с использованием современных вычислительных средств в экспериментально-лабораторном комплексе кафедры "Технология машиностроения" СЗТУ и лаборатории "Динамика и моделирование технологических систем" СПИМаш (ВТУЗ-ЛМЗ). Экспериментальные исследования проводились на специальных стендах с применением оригинальных методик, современной аппаратуры, измерительных преобразователей и систем
Научная новизна полученных в работе результатов заключается в следующем.
- модель технологической системы механической обработки с
учетом реологических особенностей процесса многолезвийного резания,
позволяетя исследовать динамические характеристики, как в области
устойчивого процесса многолезвийного резания, так и в области
автоколебаний,
метод управления процессом механической обработки многолезвийным инструментом на станках с ЧПУ, использующий локальное физическое воздействие на обрабатываемый материал;
- методика автоматизации технологического процесса механической
обработки на основе управления процессом многолезвийного резания.
На защиту выносятся следующие научные положения:
теоретические основы метода снижения интенсивности автоколебаний в технологической системе механической обработки резанием
обоснование выбора реологической модели процесса многолезвийного резания с учетом пластической деформации и разрушения металла в зоне резания,
- динамическая модель технологической системы механической
обработки с учетом реологических особенностей процесса
многолезвийного резания, позволяющая исследовать динамические
характеристики как в области устойчивости процесса резания, так и в
области автоколебаний,
Практическая ценность. Практическая ценность результатов, полученных в работе, заключается в следующем-
предложенное программно-алгоритмическое обеспечение для решения на ПЭВМ задач динамики технологических систем механической обработки позволило осуществить исследование динамических характеристик системы при решении задач обеспечения устойчивости технологической системы механической обработки (ПК ЦНТУ «Прометей»),
разработанный алгоритм автоматизированной механической многолезвийной обработки с предварительным нанесением локального воздействия позволил улучшить качество получаемой поверхности на 9% (ОАО «Силовые машины-ЗТЛ)
Достоверность полученных результатов. Достоверность
полученных в работе положений, выводов и рекомендаций обеспечивается физической и математической корректностью постановки задач и методов их решения, использованием при исследовании современных методов
теории резания, динамики сложных систем, вычислительной техники; высокой сходимостью расчетных и экспериментальных данных, положительным опытом внедрения разработанных методик и рекомендаций в промышленных условиях
Реализация в промышленности. Результаты исследований,
реализованные в виде технологических рекомендаций и программно-аппаратных комплексов, нашли практическое применение на предприятиях Санкт-Петербурга (ОАО МЗ "Арсенал", ОАО "Инженерный центр по технологии и материалам", ОАО «Силовые машины-ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт», ПК ЦНТУ «Прометей»), а также на ОАО "Онежский тракторный завод" (г Петрозаводск) и др ).
Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на Всероссийских и Международных конференциях и на научно-технических семинарах* Всероссийской научно-технической конференции (Рыбинск 2003 г); Международной конференции «Сварка, электротермия, механообработка» (Санкт-Петербург 2003 г, 2005г), Конференция, посвященная памяти В П Булатова «Актуальные проблемы машиноведения качество, точность, износостойкость» (Институт проблем машиноведения РАН 2003г), Семинарах Северо-Западного государственного заочного технического университета (2002-2008гг); Санкт-Петербургского института машиностроения (2000-2001гг)
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 научных работ, в том числе одна работа в издании из Перечня, рекомендованного ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 180 нумерованных страницах (из них 58 рисунков, 4 таблицы) Состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 117 наименования и приложения.
Вибрации при многолезвийной обработке
В частных случаях, когда осевой шаг фрезы один или более раз целиком и без остатка укладывается на ширине фрезерования В, коэффициент кратности к = В/12 является целым числом; в остальных, более общих случаях коэффициент кратности к — число дробное.
При к 2 хотя бы один из зубьев расположен так, что его след на развертке пересекает под углом со поверхность резания от линии 1-2 до линии 3-4 и, следовательно, ширина срезаемого слоя b для этого зуба максимальна (рис. 1.1,а). При к = 1 максимальная ширина слоя Ьтах, срезаемого каждым режущим зубом, возможна при одном положении следа режущей кромки, когда на развертке он является диагональю развертки поверхности резания (рис. 1.1,6). Значение максимальной ширины тогда определяется выражением bmax -lj/ since-l2/COS D = B/cos со (1-5) При дальнейшем перемещении режущей кромки по поверхности резания ширина срезаемого слоя b начинает уменьшаться. Вместе с тем после прохождения диагонального положения следа контакта рассматриваемого зуба в точке 1 поверхности резания в работу вступает очередной зуб и на поверхности резания располагаются следы контакта двух режущих зубьев (рис. 1.1,в). Далее при вращении фрезы длина следа первого зуба при перемещении его в пределах поверхности резания сокращается до нуля, а длина следа второго зуба при приближении к диагональному положению возрастает до максимума. Рис. 1.1,в позволяет убедиться в том, что при к = 1 суммарная ширина двух режущих зубьев в любой момент времени равна ширине Ьтах одного зуба, занимающего диагональное положение [27]. Эпюра толщины ах срезаемого слоя, построенная вдоль ширины Ьтах, при к — 1, содержит все мгновенные значения толщины от ах = 0 в точке 2 (рис. 1.1,6) до ах = атах в точке 3. На двух следах при коэффициенте кратности к = 1 эпюры толщины срезаемого слоя, построенные вдоль ширины Ь, на следе первого зуба и ширины Ь2 на следе второго зуба (рис. 1.1,в), также содержат все мгновенные значения ах от нуля до атах и сумма эпюр эквивалентна непрерывной эпюре одного зуба, построенного вдоль ширины Ъ . max Таким образом, при коэффициенте кратности к = 1 зубья фрезы, находящиеся в контакте с поверхностью резания, в любой момент времени срезают слой с постоянной площадью сечения, графически представленный одной непрерывной эпюрой а,, построенной вдоль максимальной ширины Ьтах (рис. 1.1 ,б), или двумя эпюрами, построенными на соответствующих следах контакта шириной bj и Ь2 (рис. 1.1,в). Аналогичные закономерности наблюдаются и при других целых значениях коэффициента кратности (А: = 2, 3, 4 и т. д.).
Это условие постоянства суммарной ширины и площади сечения слоя, срезаемого одним или несколькими зубьями фрезы при целых значениях коэффициента к, принято определять как условие равномерности фрезерования (1.3).
Силы, действующие при фрезеровании, определяются деформациями, возникающими при срезании с заготовки стружки каждым зубом фрезы, а также разрушением кристаллической структуры металлов при образовании новых поверхностей на стружке и на заготовке. Значения сил резания, отнесенные к площади поперечного сечения среза, дают удельные давления. Удельное давление можно представить в следующем виде [22]: P = PZmax/f, (1-5) где / — площадь поперечного сечения посередине дуги контакта, a PZmax — максимальная окружная сила, которая берется потому, что именно она соответствует положению резца посредине дуги контакта при симметричном расположении фрезы по отношению к детали. Вследствие непостоянства работы торцового лезвия глубина резания влияет на усилие не в первой степени, поэтому удельное давление выразится следующим образом [22]: P = BmSnx, (1.6) тогда окружная сила будет равна P = fp = cBm+1S"x+1. (1.7) Обозначив т + 1 через л;, а п + 1 через , получим формулу для определения максимальной окружной силы: P = cBxSy. (1.8) Если обозначить через а угол поворота зуба фрезы, толщина стружки в данный момент выразится как: Se=Sxsina, (1.9) где Se — мгновенное значение толщины стружки. Давление р соответственно будет равно p = cBmSne (1.10) и окружная сила Px=fp = cBm+1s:+1. (1.11) Подставив в уравнение (1.11) значение мгновенной толщины стружки (1.9) получим окружную силу в данный момент Рх = cBm+1Snx sinn+ а, или Рх = cBxSy siny а. При работе многозубой фрезой работа одного зуба перекрывается работой одного или нескольких зубьев (рис. 1.2). Поэтому происходит сложение сил от каждого зуба, участвующего в работе [22].
Физический смысл коэффициента перекрытия заключается в том, что с его помощью определяется суммарная толщина стружки, снимаемая всеми зубьями, находящимися в контакте с изделием. При этом фреза находится в определенном положении к детали, а положение зубьев определяется углами а и р.
При работе многозубым инструментом (фрезой в частности) возникают вынужденные колебания, обусловленные собственным биением фрезы (инструмента). Частота колебаний этого типа близка к количеству оборотов инструмента (см. рис. 1.3). Основными причинами биений фрезы являются: недостатки заточки фрезы, эксцентричная посадка фрезы на оправку вследствие большого зазора между ними, изогнутость оси фрезерной оправки, биение шпинделя в корпусе станка и посадочного конуса оправки, изгиб оправки при затягивании зажимных колец вследствие непараллельности их торцов.
В многочисленных работах по фрезерованию утверждается, что биение является неизбежным злом и задача состоит в том, чтобы свести его к минимуму. Считается, что практически достижимый предел уменьшения биения будет выражаться величиной порядка 0.005 мм [7].
Создание локальной метастабильности в обрабатываемом материале и ее влияние на кинематику процесса резания
При потере устойчивости технологической системы в процессе резания и развитии автоколебаний происходит повышение интенсивности изнашивания режущего инструмента и исполнительных механизмов станка, что приводит к ухудшению качества обрабатываемой поверхности и снижению производительности обработки [2, 11, 86 и др.].
Как показал анализ моделируемой деформации в срезаемом слое металла, одним из наиболее эффективных методов, позволяющих снижать интенсивность автоколебаний, является предварительное локальное физическое воздействие на внешнюю поверхность срезаемого слоя, сущность которого заключается в том, что внешнюю поверхность заготовки предварительно подвергают локальному физическому воздействию (ЛФВ) по заданной траектории. Это приводит к изменению в локальной зоне структуры и механических свойств обрабатываемого материала. Особенность процесса точения заготовок, подвергнутых такому воздействию, заключается в периодическом изменении условий резания по сравнению с исходным материалом. Это оказывает воздействие на динамические параметры замкнутой потенциально автоколебательной технологической системы механической обработки.
Под воздействием возмущения, вызываемого периодически изменяющимися условиями резания, технологическая система может существенно изменять свою устойчивость и граничные условия перехода к автоколебаниям. Теоретические и экспериментальные исследования по созданию локальной метастабильности в сталях, показали, что в процессе обработки стальных заготовок существует возможность управления процессом многолезвийного резания, а это в свою очередь позволяет совершенствовать технологию обработки в широком диапазоне материалов и режимов резания [32].
Исследование возможности управления реологическими параметрами в процессе резания основывается на следующих положениях, связанных с обобщением опыта динамического поведения технологических систем механической обработки: 1) нелинейности, характерные для технологической системы, не проявляются существенным образом, как фактор ограничения уровня колебаний на начальном ограниченном интервале при сохранении условия малых отклонений от стационарного режима; 2) допустимо практическое использование режима автоколебаний для расширения технологических возможностей системы на начальном ограниченном временном интервале ta « т (где т - время практического установления амплитуды) при условии, что Д д] где [д.]- допустимый уровень колебаний; 3) установление автоколебаний при переходе системы за границу области устойчивости и приближении к предельному циклу характеризуется недопустимыми по величине амплитудами обобщенных координат, что исключает возможность практического использования их в качестве рабочих режимов; 4) на начальном интервале решение нелинейной системы уравнений за пределами области устойчивости может быть аппроксимировано решением линеаризованной системы Ляпунова.
На основании данных положений для анализа влияния локальной метастабильности в обрабатываемом материале на процесс стружкообразования и динамические свойства технологической системы были приняты следующие допущения [108]: 1) поведение технологической системы механической обработки сохраняется за границей области устойчивости и определяется на основе линеаризованных уравнений в рамках предположения о малых движениях; 2) при описании нарастающих колебаний в системе пренебрегаем переменностью времени запаздывания сил, а также демпфирующим влиянием касательного контура по оси у в связи с малыми колебаниями в этом направлении, что не существенно отражается на толщине срезаемого слоя и на возмущениях в системе. Уравнение движения технологической системы в процессе механической обработки с учетом сделанных допущений применительно к нормальному контуру х имеет вид [23, 24] т x + \b + /?.] л; + (с +сЛX = F(X,X), (2-1) где т - инерционный параметр; Ъ - параметр рассеяния энергии; с параметр жесткости; /??,с - квазиупругий и диссипативный коэффициенты, отражающие процесс стружкообразования; F(x,x) - сила резания.
При обработке резанием с предварительным созданием ЛФВ происходит периодическое изменение механических свойств обрабатываемого материала а, следовательно, и всех реологических параметров в зоне стружкообразования с G.c.,c2,/?.,c?, на G Y ,C ,P ,C ,P \. Наиболее значимым параметром является квазиупругий коэффициент с-, который отражает процессы, происходящие в зоне пластического деформирования срезаемого слоя [14]. В результате изменения реологических параметров периодически образуются две колебательные системы, отличающиеся одна от другой по параметру с на величину модуляции 2/1 = С.-с . Схема подавления нарастающих колебаний в процессе резания приведена на рис. 2.1. В неустойчивой системе при механической обработке возникают автоколебания с возрастающей амплитудой до предельно допустимой величины Ах1, определяемой технологическими требованиями на обработку детали. В момент времени /, происходит врезание режущего клина инструмента в зону ЛФВ, и система совершает переход с одного уровня реологических свойств G, на другой G2. При этом смена квазиупругого параметра С- в интервале Тр, отражающем обычный процесс резания, на параметр С7 в интервале Тп зоны локального воздействия приводит к подавлению нарастающих колебаний. Устойчивым граничным состоянием динамической модели считаем такое, при котором в каждый период Т переменная амплитуда Ах1 достигает предельно допустимой величины Ах2.
Математическая модель технологической системы при многолезвийной обработке
Устойчивость технологической системы механической обработки является, как правило, необходимым условием эксплуатационной пригодности, а также главным динамическим критерием качества технологической системы в наиболее часто решаемых задачах параметрического синтеза. Определить динамическое состояние технологической системы механической обработки можно, построив границы области ее устойчивости. Для этого необходимо:
а) построить динамическую модель технологической системы как замкнутую потенциально автоколебательную систему с максимально доступной полнотой учета инерционных и упруго-диссипативных свойств технологической системы;
в) осуществить переход исходной многомерной модели к упрощенной динамической модели, эквивалентной относительно спектральных характеристик исходной с использованием обоснованного критерия близости в заданном частотном диапазоне;
с) построить в пространстве параметров границы областей устойчивости технологической системы.
Построение упрощенной динамической модели технологической системы при многолезвийной обработке
Построение упрощенной динамической модели необходимо для проведения качественного анализа технологической системы. Выбор схемы модели связан с выделением подсистем и выявлением структуры связей между ними, определением числа степеней свободы и вида обобщенных координат, необходимых для полного описания процессов, происходящих в технологической системе [14, 55, 79].
При механической обработке динамическая модель технологической системы может быть представлена как сложная система - иерархически организованная и целенаправленно функционирующая совокупность большого числа информационно связанных и взаимодействующих элементов [55, 79, 108]. Группы элементов, объединенных в блоки, рассматриваются как подсистемы сложной системы. К числу таких подсистем относятся станок, приспособление, инструмент, заготовка. Хотя динамические свойства отдельных подсистем могут быть достаточно полно исследованы, получение удовлетворительной глобальной модели технологической системы является весьма сложной задачей. Указанное объясняется специфическим проявлением интегративного свойства, присущего системе в целом и характеризующегося сложной структурой связей при взаимодействии подсистем.
Следует выделить основные структурные особенности технологической системы:
1. Технологическую систему станок-приспособление-инструмент-деталь можно считать автономной и замкнутой, хотя в некоторых случаях приходится учитывать взаимодействие внешних источников через фундамент с несущей системой станка.
2. В зависимости от соотношения пространства, в котором протекает рабочий процесс, определяющий взаимодействие элементов технологической системы, можно привести характеристику данного процесса к зависимости сил взаимодействия от смещения элементов [96].
3. Координаты, описывающие указанные смещения, являются выходными координатами рассматриваемого элемента технологической системы и входными координатами соответствующего рабочего процесса. При определенных условиях динамическая особенность процесса приводит к тому, что соответствующие силы, вызванные смещением, вносят или рассеивают энергию, сообщаемую внешним источником. Происходит изменение условий силового взаимодействия. Такая перекачка энергии в замкнутом цикле приводит к изменению динамических состояний, которые могут стать неуправляемыми. Динамические характеристики несущей системы станка в этом случае являются фактически заданными и определяются, как правило, расчетно-экспериментальным методом с учетом его текущего состояния [20, 55, 79].
4. Автоколебательная технологическая система механической обработки является принципиально нелинейной. Вместе с тем, не рассматривая природу и характер нелинейностей, отметим, что многие практически важные задачи динамики технологической системы можно решать в линейной постановке.
5. Среди смещений в технологической системе механической обработки всегда можно выделить группу - главную в процессе формообразования заготовки. К числу основных смещений можно отнести координату, определяющую перемещение инструмента по нормали к поверхности заготовки в формообразующей точке - точке, определяющей размерную характеристику изделия в данном положении.
В связи с вышеизложенным, адекватный переход к модели малой размерности осуществляется исходя из ограниченности частотного диапазона возмущений и слабо диссипативных свойств технологической системы. Обоснованность по мере близости спектральных характеристик исходной и упрощенной модели осуществлялась по методике В.Л. Вейца [26].
Исходная и упрощенная системы считаются эквивалентными, причем упрощенная модель считается оптимальной, если выполняются два условия: p(W,W(M)) Є , (3.1) м p(W,W(M))=minp(W,W(M)). (3.2) где W, W - матрицы частотных характеристик соответственно исходной и упрощенной модели; p(W,W ) - метрика, задающая расстояние между W и W (м) є - малая, наперед заданная величина допустимой ошибки. м Выполнение условий (3.1) и (3.2) обеспечивает близость амплитудно-частотных и фазовых характеристик (АЧХ и ФЧХ) обобщенной и упрощенной моделей.
В качестве объекта исследования выбран горизонтально-фрезерный станок модели 6М82 Горьковского завода фрезерных станков, общий вид которого показан на рис. 3.1. Станок состоит из следующих основных узлов: станины, консоли, салазок, стола, шпинделя, электродвигателя. Оси пространственных координат для выбранного станка ориентируем следующим образом [32]: ось Z - Z совпадает с вертикальным перемещением консоли и направлена вверх; ось X — X совпадает с направлением продольной подачи; ось
Управление реологическими параметрами процесса многолезвийного резания при локальной метастабильности в обрабатываемом материале
Система уравнений в форме (3.35) - (3.37) определяет поведение технологической системы при описании трения между передней поверхностью режущего инструмента и стружкой в процессе резания в виде квазистатической характеристики - типа модели Амонтона - Кулона. Эти уравнения в работах [11, 67, 78, 97] были модифицированы с учетом молекулярно-механического представления о контактном взаимодействии между режущим инструментом и стружкой на основе двухчленного закона трения, включающего фазы скольжения и схватывания (адгезии). Учитывалось их влияния на поведение технологической системы. Составление уравнений динамики для четырехконтурной модели системы механической обработки проводилось с учетом указанных фаз. В режиме скольжения поведение технологической системы определялось системой уравнений (3.35) - (3.37).
В режиме схватывания контактное взаимодействие в процессе механической обработки отображалось моделью Фойхта [11], поэтому уравнения движения имеют вид где с-а сп, Д, рп - квазиупругие и диссипативные коэффициенты в касательном и нормальном направлениях зоны стружкообразования.
Представленная в работах [11, 78, 97] динамическая модель учитывает связь между подсистемами заготовки и инструмента через процесс резания, однако упруго-диссипативные характеристики cw сп, Д, Д, учитываются в ней только в зоне схватывания, то есть при адгезионном взаимодействии уже сходящей стружки с инструментом. Следовательно, фактически учитывается процесс вторичной деформации и его влияние на динамические характеристики технологической системы механической обработки, и не учитывается процесс активной первичной деформации металла в зоне стружкообразования, который
Реологическая модель стружкообразования в процессе резания происходит в течение всего процесса резания, независимо от того, какая из фаз в данный момент соответствует движению стружки по передней поверхности резца. Переход из одной фазы в другую отражается на первичной пластической деформации только вследствие изменения вектора действующей силы. Таким образом, при построении реологической модели технологической системы механической обработки необходимо учитывать, как процесс первичной пластической деформации в зоне срезаемого слоя, так и процессы вторичной деформации и трения при движении стружки по передней поверхности режущего инструмента.
На рис. 3.18 приведена реологическая модель стружкообразования, отображающая связь между подсистемами при резании. Процесс стружкообразования представлен реологической моделью в виде последовательного соединения упруговязкопластическои релаксирующеи среды Ишлинского и среды Фойхта с двумя упруго-диссипативными элементами в касательном и нормальном направлениях. В соответствии с реологической моделью процесса стружкообразования (рис. 2.8) уравнение Ишлинского можно представить в следующем виде Р & + (с1 +с- )аг = с1в є + с1с-±с1а . (3.39) где кр - коэффициент, отражающий реологические особенности процесса стружкообразования. Используя зависимости, позволяющие осуществить переход от напряжений и деформаций к силам и перемещениям, получаем
После преобразований уравнений (3.48) и (3.49), получаем общее уравнение в операторном виде (3.50) \Тр + Тр1)р + 1 (р) = = (крхТрР + крхТр2р + крх-кхТр1р-кх)х(р) + + (круТрР + круТр2р-Тку1р + кру)У(р). Окончательно дифференциальное уравнение, которое отражает процесс запаздывания и реологические особенности стружкообразования, имеет вид
Система дифференциальных уравнений (3.52) описывает динамические процессы в технологической системе механической обработки с учетом упругопластических свойств в динамике контактного взаимодействия инструмента с заготовкой и реологических особенностей процесса стружкообразования в зоне активного пластического деформирования. На основе полученной системы уравнений в дальнейшем решаются задачи управления процессом стружкообразования.
В настоящее время при анализе динамических свойств технологической системы механической обработки не учитываются упругопластические свойства срезаемого слоя в зоне пластической деформации и контактное взаимодействие сходящей стружки с передней поверхностью инструмента, что является важными факторами при формировании и развитии автоколебательных процессов.
Анализ процесса протекания деформации на стадии развитой пластической деформации металла показал [25], что в зоне первичной пластической деформации в срезаемом слое образуется тонкая структура с равномерной периодичностью, которая имеет волновую природу и в процессе резания является первоисточником для возбуждения автоколебаний при стружкообразовании. Режущая часть инструмента, воздействуя передней поверхностью на срезаемый слой обрабатываемого материала, деформирует его вначале упруго, а затем в локальной области пластически (первичная пластическая деформация) [23]. Деформация обрабатываемого материала постепенно возрастает в направлении к режущей кромки инструмента до условной плоскости сдвига, на которой срезаемый слой подвергается деформации сдвига.
Похожие диссертации на Автоматизация и управление процессом многолезвийной механической обработки на основе динамического моделирования технологической системы
