Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих подходов к обеспечению рационального процесса стружкообразования при точении 14
1.1. Современное состояние проблемы обеспечения дробления стружки 14
1.2. Типы и формы стружки, образующейся при точении. Понятие благоприятной формы стружки 18
1.3. Анализ существующих теорий и экспериментальных исследований процесса завивания стружки 28
1.4. Анализ существующих методов дробления стружки 41
2. Экспериментальное исследование процесса стружкодробления при точении 49
2.1. Методика экспериментальных исследований стружкообразования при чистовом точении 52
2.2. Процесс разрушения стружки в форме винтовой спирали 53
2.3. Процесс дробления стружки в форме «плоской винтовой» спирали 68
2.4. Процесс разрушения стружки в форме «цилиндрической» спирали 76
2.5. Процесе разрушения стружки в форме плоской спирали 86
2.6. Устойчивый и нестабильный процессы дробления сливной стружки 90
Выводы 93
3. Управление формой сливной стружки при чистовом точении 95
3.1 Определение скорости движения точки поперечного сечения срезаемого припуска 96
3.2 Определение скорости движения точки поперечного сечения стружки 102
3.3. Методика управления формой стружки 112
Выводы 115
4. Прогнозирование дробления сливной стружки и рациональная форма передней поверхности режущей пластины 117
4.1. Характеристики процесса дробления сливной стружки 120
4.2. Критерии дробления стружки и обоснование необходимых и достаточных условий ее дробления 126
4.3. Экспериментальная проверка методики прогнозирования дробления стружки 142
4.4. Анализ функционального назначения участков передней поверхности СМП 152
4.5. Экспериментальное исследование влияния высоты выступа на радиус витка 156
Выводы 160
Заключение.
Основные результаты и выводы 161
Список используемых источников 164
Приложение 179
- Типы и формы стружки, образующейся при точении. Понятие благоприятной формы стружки
- Процесс разрушения стружки в форме винтовой спирали
- Определение скорости движения точки поперечного сечения стружки
- Критерии дробления стружки и обоснование необходимых и достаточных условий ее дробления
Введение к работе
В условиях современного машиностроения в автоматизированном производстве при организации процесса механической обработки материалов, которые обладают высокими эксплуатационными характеристиками[1 - 10], а при точении дают сливную стружку, повышается необходимость решения задачи обеспечения дробления стружки [11 - 13].
Особенно актуальна эта задача при чистовом точении [14, 15]. Стружкообразование в условиях чистового точения сопровождается высокими скоростями резания и, как следствие, стружка имеет малую толщину и формируется при высоких температурах [16], что затрудняет ее дробление[17]. Варьирования режимами обработки, например, изменением подачи, с целью обеспечения дробления стружки при чистовом точении ограничено необходимостью получения требуемого качества обработанной поверхности.
В настоящее время устойчивое дробление стружки при чистовом точении достигается путем использования резцов, оснащенных сменными многогранными пластинами (СМП) со сложной формой передней поверхности [18-22].
Конструктивные особенности передних поверхностей современных сменных многогранных пластин составляют, как правило, «ноу-хау» фирм производителей, так как определяют условия стружкообразования при резании. Для каждой формы СМП фирма изготовитель рекомендует свою область режимов резания с устойчивым дроблением стружки. Однако, в большинстве случаев информация, которой фирмы изготовители сопровождают СМП той или иной формы, носит рекомендательный и в большей степени рекламный характер. Неполное знание основных закономерностей формообразования стружки и ее дробления сдерживает создание научно-обоснованных алгоритма расчета оптимальных размеров «стружкозавиваюших» элементов [3 - 6, 14], расположенных на передней
8 поверхности режущей пластины, и режимов резания. Существующие методы расчета геометрических параметров передней поверхности инструмента построены без учета взаимосвязи формы стружки, образующейся при резании, с параметрами процесса резания. Отсутствие на этапе проектирования технологической операции научно обоснованных рекомендаций, направленных на превентивное решение задачи о дроблении стружки, снижает эффективность использования дорогостоящего инструмента и оборудования [11, 12]. Поэтому теоретическое и экспериментальное исследования процесса дробления стружки и обоснование практических рекомендаций по проектированию СМП, для оснащения токарных резцов при чистовом точении пластичных материалов и сплавов, является актуальной задачей.
В первом разделе рассмотрены основные этапы развития и современное состояние проблемы дробления сливной стружки. Установлено, что проблема обоснована взаимосвязью параметров процесса резания и ее влиянием на выходные характеристики: качество обработанной поверхности, максимальная производительность и минимальная себестоимость в условиях автоматизированного производства с применением станков с ЧПУ и систем автоматизированного проектирования технологических процессов.
Во второй разделе приводятся результаты экспериментального исследования процесса стружкодробления при чистовом точении с использованием скоростной фото- и киносъемки. Описаны методики экспериментальных исследований. Установлено, что протекающие одновременно процессы стружкообразования и стружкодробления имеют разную физическую природу, но при этом взаимосвязаны. Стружкодробление - процесс разрушения уже сформированной стружки. Разрушение витка стружки является следствием дополнительного воздействия со стороны препятствий. При первом же обороте заготовки стружка, перемещаясь по естественной траектории, сталкивается с каким-либо препятствием, а именно: поверхностью резания, обрабатываемой и
9 обработанной поверхностями и задней поверхностью резца. Доказано, что взаимодействие стружки с препятствиями является необходимым условием ее дробления. Экспериментально установлено, что, в момент врезания режущей части резца в материал заготовки, процессу устойчивого дробления стружки всегда предшествует формирование непрерывной стружки и переходный процесс, сопровождаемый неустойчивым дроблением.
В третьем разделе рассмотрены вопросы прогнозирования рациональной формы стружки. Показано, что схема с единственной плоскостью сдвига позволяет установить два кинематически допускаемых соотношения между скоростями стружки и детали. Первое из них выражает условие непрерывности несжимаемой деформируемой среды при образовании сливной стружки. При плоской деформации это выражается в постоянстве скорости в направлении, перпендикулярном условной плоскости сдвига. Второе выражает условие контакта стружки с передней поверхностью инструмента и требует равенства скоростей в направлении, перпендикулярном скорости схода стружки v\. Установлены математические зависимости, позволяющие обеспечить управление формой стружки.
В четвертом разделе на основе проведенных расчетов определены количественные критерии дробления сливной стружки в условиях несвободного резания, которые позволили установить систему основных факторов влияющих на разрушение ее витка. Она является отражением следующих характеристик процесса стружкообразования: механических свойств материала стружки; жесткости ее витка и условий контакта с препятствиями. Определены критерии дробления сливной стружки и на их основе сформулированы три необходимых условия разрушения ее витка. Обосновано достаточное условие дробления стружки. Установлено, что в современных условиях конструктор осуществляет проектирование передней поверхности СМП, имея широкий выбор средств и путей достижения оптимального результата. Используя разные формы отдельных участков, варьируя их размерами и местом расположения, конструктор добивается
10 оптимального результата решения комплексной задачи проектирования передней поверхности СМП, а именно: безусловное обеспечение требуемого качества обработанной поверхности, достижения минимальной себестоимости и максимальной производительности при «устойчивом» дроблении стружки. Разработаны экспериментальные зависимости определения места положения и высоты выступа, сформированного у вершины СМП и обеспечивающего требуемые параметры витка стружки.
В заключении приведены основные результаты и сформулированы выводы по работе.
Целью работы является повышение производительности и снижение себестоимости при одновременном обеспечении требуемого качества обработанной поверхности чистовой токарной обработки путем обоснованного выбора рациональной конструкции СМП и назначения режимов резания на основе прогнозирования формы стружки и процесса ее дробления.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Описать физические процессы и схемы разрушения сливной стружки при точении на многовитковые или отдельные элементы в условиях чистового точения при обработке материалов групп Р и М (по классификации ISO).
Разработать алгоритм управления и прогнозирования формы сходящей стружки в условиях чистовой токарной обработки.
Теоретически и экспериментально установить и описать критерии дробления стружки в условиях чистовой токарной обработки.
Разработать модель процесса получения дробленой стружки, учитывающей систему необходимых и достаточных условий, для использования на этапе проектирования технологической операции.
5. Разработать практические рекомендации по проектированию передней
поверхности СМП с выступом у вершины для оснащения токарных
резцов, предназначенных для чистового точения пластичных материалов и
сплавов и обеспечивающих дробление стружки.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории резания металлов и проектирования режущих инструментов, теории пластичности и упругости, методов математического и компьютерного моделирования, дифференциального и интегрального исчисления, теоретической механики. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием промышленного оборудования и современных измерительных средств. Обработка результатов экспериментов осуществлялась методами математической статистики с применением ЭВМ. Оценка формы стружки и процесса стружкообразования производилась с использованием скоростной кино- и фотосъемки камерой Nikon coolpix 5700. Автор защищает:
Схемы разрушения сливной стружки на многовитковые или отдельные элементы при точении пластичных материалов инструментами, оснащенными СМП стандартного и специального исполнения.
Модель процесса получения дробленой стружки, используемую на этапе проектирования технологической операции и построенную на основе математических зависимостей для расчета количественных критериев процесса ее разрушения в условиях чистового точения.
Алгоритм прогнозирования и управления формой сходящей стружки при чистовом точении.
Практические рекомендации по проектированию передней поверхности СМП с выступом у вершины, которой обеспечивается устойчивое дробление стружки при обработке пластичных материалов в условиях чистового точения, разработанные на основе анализа результатов прогнозирования процесса дробления стружки и экспериментально полученных зависимостей.
12 Научная новизна заключается в установлении механизма разрушения витка многовитковой стружки на основе предложенных необходимых условий обеспечения ее дробления, используемых при прогнозировании процесса дробления и выборе рациональной конструкции СМП на этапе проектирования технологической операции, которые состоят:
в установлении предельного радиуса ее витка, величина которого определяет момент потери его устойчивости, а стружка изменяет свою форму и остается связанной с зоной резания;
в определении критического значения относительной величины жесткости ее витка, характеризующейся его геометрическими параметрами;
в обосновании критической величины радиуса витка стружки, при достижении которой, как результата торможения и образования новых слоев, интенсивность напряжений превышает предел прочности ее материала;
в наличии как минимум двух точек ее контакта с препятствиями и одной точки контакта с выступом у вершины на передней поверхности, а также внешнего воздействия на виток, достаточного для возрастания силы реакции со стороны препятствия до величины, обеспечивающей торможение стружки.
Практическая ценность. На основе проведенных исследований разработаны рекомендации по проектированию СМП для токарных резцов, при использовании которых обеспечивается дробление стружки в условиях чистовой обработки при достижении необходимого качества обработанной поверхности деталей из материалов, дающих при точении сливную стружку.
Реализация работы. Результаты данной работы приняты к внедрению на ООО «Щекинский завод РТО». Материалы диссертации используются в учебном процессе при изложении курсов лекций: «Металлорежущие инструменты», «Резание металлов».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на Международной юбилейной научно-технической конференции «Наука о резании металлов в современных условиях», посвященной 90-летию со дня рождения СИ. Лашнева (г. Тула, 2007 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета.
Публикации. Основное содержание работы изложено в 8 публикациях объемом 14,7 п.л., из них авторских 3,2 п.л.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 133 наименований и приложения. Работа содержит 183 страницы машинописного текста, включая 104 рисунка и 4 таблицы.
Типы и формы стружки, образующейся при точении. Понятие благоприятной формы стружки
Следует отметить, что управление стружкообразованием основано на решении трех характерных задач: - определение условий образования различных типов стружек; - определение причин и условий образования различных форм стружек; - оптимизация условий дробления сливной стружки на части. К настоящему времени найдено решение лишь для некоторых из перечисленных задач. Известно [12], что форма и размеры стружки при токарной обработке определяют такие производственные показатели, как травматизм, производительность, эффективность автоматизации, рациональное использование транспортных емкостей. В связи с этим к форме и размерам стружки предъявляются требования, которые зависят от типа производства и уровня его автоматизации. Понятие о благоприятной форме стружки не является одинаковым для различных типов производств [55]. Для индивидуального и мелкосерийного производств форма образующейся стружки во многом определяется квалификацией токаря, которая за годы экономической нестабильности значительно снизилась. Поэтому на инженерные службы предприятия возлагается задача обеспечения производства инструментами, подготовка к работе которых не зависит от индивидуальных особенностей рабочего. В большей степени эта задача стоит перед технологическими службами предприятий с серийным и массовым характером производств, основой которых являются станки с ЧПУ и всевозможные автоматические и поточные линии.
По классификации И.А. Тиме все многообразие стружек, образующееся при резании металлов, можно свести к четырем известным типам - сливной, суставчатой, элементной, надлома [40]. При резании пластичных материалов образуются в основном первые два типа стружек; обработка резанием хрупких материалов сопровождается формированием элементной стружки или стружки надлома. По мере изменения условий резания один тип стружки может переходить в другой. При увеличении твердости и прочности, т. е. снижении пластичности обрабатываемого материала, сливная стружка переходит в суставчатую и элементную. Увеличение подачи при обработке пластичных материалов приводит к изменению типа стружки от сливной к элементной. Глубина резания на формирование типа стружки влияния не оказывает. Для большинства углеродистых и легированных конструкционных сталей с увеличением скорости резания стружка последовательно изменяется от элементной или суставчатой к сливной. При обработке жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов, напротив, с увеличением скорости резания сливная стружка переходит в элементную [34, 40]. Из геометрических параметров наиболее сильное влияние оказывает передний угол режущего инструмента. С увеличением переднего угла элементная стружка при резании пластичных материалов превращается в суставчатую, а затем в сливную.
С точки зрения удаления стружки от станка и ее переработки наиболее благоприятным типом является элементная стружка. Однако точение при образовании такой стружки протекает с циклическим изменением силы резания и контактных нагрузок на инструменте, что приводит к возникновению вибраций в зоне обработки и снижению работоспособности инструмента [44, 56, 57].
Наиболее проблематично управление стружкообразованием, когда обрабатываемый материал и возможные диапазоны варьирования параметров режима резания и геометрии инструмента обеспечивают только сливной тип стружки. Рассмотрим поверхности сливной стружки и параметры, определяющие форму и размеры ее витка. поверхности хорошо видны следы контакта стружки с выступающими участками (выступами, уступами) передней поверхности. Ее противоположную поверхность 2 называют свободной стороной (поверхностью) стружки. Она покрыта мелкими зазубринками-насечкой.
Край стружки 3, контактирующий с обработанной поверхностью, получил название внутреннего, а край 4, контактирующий с обрабатываемой поверхностью, наружного [40].
Классификация сливной стружки по ее форме [55] для условий работы инструмента с плоской передней поверхностью и нулевым углом наклона главной режущей кромки справедлива и при резании инструментами оснащенными СМП. Основной формой стружки следует считать винтовую спираль (рис. 1.3). шаг спирали; \\ - угол наклона контактной стороны стружки (угол между касательной к контактной стороне стружки и перпендикуляром к оси винтовой спирали); d] — диаметр внутреннего края стружки; d2 - диаметр наружного края стружки. Для стружки, имеющей форму винтовой спирали, dj d2.
Если условия стружкообразования приводят к уменьшению угла \j/, то стружка получает форму «плоской винтовой» спирали (рис. 1.4). При \/ — 0: ширина стружки.
В том случае, когда стружка принимает форму «цилиндрической» винтовой спирали, значение угла \/ стремиться к 90 (рис. 1. 5), при этом: dx = d2
При значении шага спирали Р и среднего диаметра, стремящихся к бесконечности, стружка имеет форму, получившую название прямая (рис. 1.7). Такая форма наиболее часто является причиной появления «путанной» стружки, что приводит к непроизводительным простоям оборудования, входящего в состав автоматизированного производства, связанным с удалением стружки, опутавшей деталь, инструмент, базовые поверхности зажимных приспособлений и т. п. Кроме того, при передаче детали, опутанной стружкой, с операции на операцию возможно ложное срабатывание всевозможных путевых выключателей и датчиков цикловой автоматики на транспортно-загрузочных системах, что может привести к аварийной ситуации.
Путаная стружка осложняет работу брикетирующих устройств, предназначенных для эффективного использования транспортных емкостей (кузов автомобиля, железнодорожный вагон) при перевозке стружки на вторичную переработку.
А.Н. Вульфом предложено оценивать степень дробления стружки при помощи объемного коэффициента, представляющего собой отношение объема стружки к объему снятого металла [13]. Его величина уменьшается с измельчением элементов стружки, однако он никогда не будет равен 1. Аналогичную классификацию стружки по степени дробления дали Henriksen [58]иКбпіе[27, 59].
Рассматривая существующие формы стружки с позиции удобства ее отвода из зоны резания и от станка, предпочтение, как правило, отдают прерывистой, раздробленной на мелкие части стружке. Однако, с точки зрения самого процесса резания, образование длинной сливной стружки способствует большей устойчивости процесса резания, благоприятно сказывается на работоспособности инструмента [11]. Выбор рациональных условий обработки требует компромиссного решения и ориентирован на образование относительно длинных отрезков стружки компактной формы, удовлетворяющей требованиям конкретного вида производства, конструкции станка, степени его автоматизации и т. п. [60]. Например, при работе на универсальном оборудовании в качестве минимального требования, определяющего удовлетворительный отвод стружки, принимают стабильное завивание ее в спираль малого диаметра без ограничения ее длины (рис. 1.8) [61].
Процесс разрушения стружки в форме винтовой спирали
Для каждой формы стружки характерна своя схема дробления. Ранее было установлено, что основной формой стружки является винтовая спираль [55]. Однако, схемы дробления для стружки этой формы в литературе отсутствуют. Рассмотрим процесс образования стружки в форме винтовой спирали с момента врезания резца в материал заготовки. При врезании резца в материал заготовки постепенно увеличивается толщина и ширина срезаемого слоя. Изменение толщины и ширины срезаемого слоя сопровождается изменением условий стружкообразования, что выражается в поэтапном преобразовании формы стружки. При точении стали 45Х резцом, оснащенным СМП 120408-GM (Korloy - Южная Корея), в момент врезания толщина аст стружки изменяется от нулевого (рис. 2.1, кадрі) до максимального значения (рис. 2.1, кадр 9). В этом случае, формирование стружки включает следующие этапы: - формирование прямой стружки (рис. 2.1, кадр 2); - формирование стружки в форме плоской спирали (рис. 2.1, кадр 5); - формирование стружки в форме «цилиндрической» спирали (рис. 2.1, кадр 4 - кадр 6); формирование стружки в форме винтовой спирали (рис. 2.1, кадр 7 -кадр 9). Переход от одной формы стружки к другой сопровождается изменением среднего радиуса ее витка. При переходе от прямой стружки к стружке в форме плоской спирали средний радиус витка изменяется от бесконечности до определенного значения.
Трансформация формы стружки от плоской спирали к «цилиндрической» спирали вызывает некоторое увеличение радиуса. Переходу от «цилиндрической» спирали к винтовой предшествует соскальзывание стружки с передней поверхности (рис. 2.1, кадр 6), что в свою очередь увеличивает радиус витка. При дальнейшем увеличении толщины стружки, имеющей форму винтовой спирали (рис. 2.1, кадр 7 - кадр 9), наблюдается уменьшение среднего радиуса. Если в процессе врезания при отрыве от передней поверхности в точке А стружка приняла форму винтовой спирали, то ее внутренний край контактирует с обрабатываемой и задней поверхностями соответственно в точках В и С (рис. 2.2). Реакцией обрабатываемой поверхности на контакт со стружкой является сила Р0, которую можно разложить на две составляющие: силу PoN, направленную перпендикулярно обрабатываемой поверхности; силу Рот, направленной по касательной к обрабатываемой поверхности в сторону вращения заготовки. Сила JPON стремится оттолкнуть, а сила Рот - подхватить стружку. Первая сила стремиться изменить направление схода и увеличить радиус витка стружки, а вторая - уменьшить радиуса ее витка. Необходимо отметить, что контакт внутреннего края стружки с обрабатываемой поверхностью точечный. Внутренний край стружки имеет минимальную толщину и является наиболее гибкой частью сечения стружки. При этом обрабатываемая поверхность имеет большую скорость движения, чем стружка. Все это приводит к тому, что условия контакта между ними не устойчивые и постоянно изменяются. Реакцией задней поверхности на контакт со стружкой является сила Р3, которую также можно разложить на две составляющие: силу P3N направленную перпендикулярно задней поверхности; силу Рзх, направленную параллельно задней поверхности в сторону к обрабатываемой поверхности заготовки. Сила P3N стремится оттолкнуть стружку, а сила Рзх - препятствует ее движению. Стружка контактирует с задней поверхностью своим внутренним краем. При этом, задняя поверхность имеет скорость перемещения значительно меньшую, чем скорость стружки. Поэтому, взаимодействие стружки с задней поверхностью имеет более стабильный характер, чем с обрабатываемой поверхностью. Если точка В располагается выше линии центров заготовки, то под воздействием силы Р0 происходит подхват стружки. В результате точка В перемещается в положение ниже линии центров (рис 2.3). Момент перемещения точки В из одного положения в другое сопровождается упругой деформацией, что вызывает вначале увеличение, а затем уменьшение радиуса витка на участке от точки А до точки В. При адаптации зоны стружкообразования на такое воздействие на виток стружки может привести к изменению направления ее схода. Если точка С располагается относительно точки В на расстоянии, меньшем среднего радиуса витка стружки, то под воздействием силы Р3 точка С переместится вниз от режущей кромки, а точка В - наоборот ближе к ней. Такие перемещения вызывают упругую деформацию витка стружки в точке В и изменяют положение оси ее траектории винтового движения. При дальнейшем формировании стружки под действием силы тяжести и центробежной силы происходит раскачивание свободного конца стружки (рис. 2.4), которое в дальнейшем переходит в сложные колебательные движения относительно базовой плоскости, образованной тремя опорными точками А, В и С контакта стружки с передней, обрабатываемой и задней поверхностями (см. рис. 2.2). В зависимости от условий схода многовитковой стружки могут иметь место два различных явления - гашение или усиление колебательных движений стружки [11, 12]. В первом случае, формируется винтовая спираль большой длины, а при встрече с конструктивными элементами станка или другими препятствиями она либо разрушается на отрезки различной длины, либо формирует «путаный» клубок.
Определение скорости движения точки поперечного сечения стружки
В процессе стружкообразования срезаемый припуск преобразуется в стружку. Соотношения между скоростями движения припуска и стружки с определенными допущениями описываются по схеме в виде единственной плоскости сдвига, предложенной И. А. Тиме [34] (рис. 3.6, а). Схема с единственной плоскостью сдвига позволяет установить два кинематически допускаемых соотношения между скоростями стружки и детали. Первое выражает условие непрерывности несжимаемой деформируемой среды при образовании сливной стружки. При плоской деформации это выражается в постоянстве скорости в направлении 1—1 (рис. 3.6, б), перпендикулярном условной плоскости сдвига. Второе выражает условие контакта стружки с передней поверхностью режущего лезвия и требует равенства скоростей в направлении 2—2, перпендикулярном скорости схода стружки Vi.
При плоской деформации, для выполнения условий непрерывности несжимаемой среды, проекции скорости резания v (а при косоугольном резании - ее составляющей, нормальной к режущей кромке в плоскости резания) и скорости стружки V! на нормаль к условной плоскости сдвига должны быть равны друг другу: Выражение (3.6) тождественно выражению (3.1), т.е. определяет усадку стружки. Через усадку стружки с помощью формулы (3.6) определяют угол р наклона условной плоскости сдвига Усадка стружки является вполне корректным параметром процесса стружкообразования, характеризующим соотношение между скоростями детали и стружки в условиях непрерывности несжимаемой деформируемой среды при резании. Корректность использования этого параметра нарушается, если условия непрерывности не выполняются, например, при образовании элементной или псевдосливной стружки [34]. Второе из выше сформулированных условий - условие контакта инструмента со стружкой - определяет величину скорости v2 , с которой стружка перемещается вдоль условной плоскости сдвига. Условие контакта стружки с инструментом требует, чтобы проекции скоростей стружки и резца на нормаль к передней поверхности режущего лезвия были равны друг другу, т.е. Скорость v2 характеризует перемещение частиц стружки, находящихся на верхней границе зоны стружкообразования относительно нижней в направлении условной плоскости сдвига. Отношение скорости V2, полученной из условия контакта стружки с резцом, к составляющей скорости резания, нормальной относительно условной плоскости сдвига, v„ = v- sinP, называют относительным сдвигом Б где v - скорость резания; v2 - скорость, с которой стружка перемещается вдоль условной плоскости сдвига; у - действительный передний угол; Р - угол наклона условной плоскости сдвига; Выражение для относительного сдвига в виде (3.11) использовалось еще И.А. Тиме [34].
В литературе используются и другие выражения для относительного сдвига є, тождественные (3.11): Приравнивая правые части уравнений (3.11) и (3.12), получаем выражение Подставим значение усадки из зависимости (3.1) в тождество (3.13) и, после преобразований, получим следующее уравнение где к = cos(p - y)sin р; Р - угол наклона условной плоскости сдвига; у -действительный передний угол, v и V; -скорости точки поперечного сечения припуска и соответствующей ей точки поперечного сечения стружки. Уравнение (3.14) связывает скорости точки припуска и соответствующей ей точки стружки через значения действительного переднего угла и угла наклона условной плоскости сдвига. Когда процесс стружкообразования устойчив к внешним воздействиям, образуется стружка с постоянными параметрами витка: ? Р — шаг спирали; ? ц/ - угол наклона контактной стороны стружки (угол между касательной к контактной стороне стружки и перпендикуляром к оси винтовой спирали); ? dj — диаметр внутреннего края стружки; ? d2- диаметр наружного края стружки. Для случая, когда стружка имеет форму винтовой спирали, ее можно рассматривать как тело, сформированное движением ее поперечного сечения по винтовой линии, при этом скорость движения точки, принадлежащей ее поперечному сечению, будет постоянной (рис. 3.7). Для стружки, имеющей форму винтовой спирали, скорости движения точек, лежащих на ее контактной стороне, находятся в следующей зависимости
Критерии дробления стружки и обоснование необходимых и достаточных условий ее дробления
Необходимость в прогнозировании процесса дробления стружки на этапе проектирования технологической операции отмечается во многих работах, а в современных условиях актуальность этой проблемы возрастает. Однако, сложность задачи прогнозирования, связанная с неустойчивым характером реального поведения стружки при взаимодействии с препятствиями в процессе резания, не позволяет разработать достоверной и надежной методики ее реализации. В работе [11] предложено использовать систему необходимых и достаточных условий стружкодробления, которая может быть положена в основу алгоритма прогнозирования.
Такая система базируется на результатах теоретического и экспериментального изучения физической природы стружкообразования. На основе результатов анализа теоретических и экспериментальных исследований [11, 12, 119] установлено, что достаточное условие дробления определяется из решения задачи на прочность стружки, когда за критерий разрушения витка принимается предельная деформация растяжения ее слоев на открытой стороне. В общем случае при взаимодействии стружки с препятствиями возможны следующие варианты: - силы реакции со стороны препятствия не достаточно для торможения витка и стружка, упруго деформируясь, проскальзывает мимо препятствия; - сила реакции со стороны препятствия достаточна для изменения скорости движения отдельных участков стружки и под воздействием вновь образованных ее слоев виток деформируется. Таким образом, необходимым условием дробления стружки является дополнительное воздействие на нее со стороны препятствий, достаточное для торможения стружки в месте контакта. Возможные случаи варьирования силой реакции со стороны препятствия рассмотрены в разделе 2. В случае торможения о препятствие в зависимости от гибкости витка наступает его разрушение или он теряет свою устойчивость и формируется непрерывная стружка. Под гибкостью, с позиции деформации стружки, как гибкого стержня, понимается величина [128] где \i-i - приведенная длина стержня; i = J— - наименьший радиус инерции поперечного сечения стержня. Коэффициент д. зависит от схемы нагружения.
Поскольку стружка может быть квалифицирована как стержень с одним заделанным концом, тогда \± = 2. Предельное напряжение продольного изгиба стружки в пределах пропорциональности определяется по формуле Эйлера Из уравнения (4.3) предельная величина гибкости стружки равна В работе [11] для стружки в форме цилиндрической или плоской спирали гибкость ее витка, расположенного между точкой отрыва от передней поверхности и точкой контакта с препятствием, рассчитывается по зависимости: а для стружки в форме винтовой или плосковинтовой спирали, соответственно: где ах - толщина стружки, Ъх - ширина стружки. В работах Михайлова СВ. [11] оценка гибкости витка стружки выполняется по величине предельного гпр радиуса витка для стружки в форме плоской или винтовой с ц/«90 спирали а для стружки в форме спирали с VJ/ 45 где GT - предел текучести материала стружки; Ес - модуль упругости материала стружки; aj и bj — соответственно, толщина и ширина поперечного сечения стружки. Ьсли в результате торможения радиус г,= — витка стружки возрастает до его предельной величины гпр, а разрушение витка не произошло, то при дальнейшем увеличении радиуса г,- происходит потеря устойчивости, а стружка остается связанной с зоной резания. Таким образом, выражение является «первым» необходимых условий дробления стружки. Из выражения (4.9) следует, что вероятность разрушения стружки определяется ее материалом, формой, длиной и жесткостью витка, который в результате торможения о препятствие испытывает дополнительные деформации [11, 116]. В работе [116] жесткость Z витка стружки рассчитывалась по зависимости: где Z — жесткость витка стружки; К— коэффициент, зависящий от материала стружки; ах - толщина стружки; г І - радиус витка стружки; Ьх - ширина стружки. Если допустить, что коэффициент К в узком диапазоне скоростей не изменяется, т.е. физико-механические свойства материала стружки остаются постоянными, тогда жесткость витка стружки определяется только его геометрическими параметрами. В работе, для оценки жесткости витка стружки, предложено использовать ее относительную величину Wc,\ Исследуя экспериментально работоспособность СМП с разными формами передней поверхности, было установлено, что при определенных сочетаниях значений параметров ах, Ьх, г, в узком диапазоне изменения скоростей резания (постоянной температуре) всегда наблюдается дробление стружки. Анализируя геометрические параметры витка стружки, установлена величина относительной жесткости Wc, при превышении которой имело место разрушение витка (рис. 4.3).
Это значение относительной жесткости было принято за ее критическую величину Wn. Например, при чистовой обработке стали 08Х18Н10Т резцом, оснащенным СМП CNMG 120408, дробление стружки имело стабильный характер, когда относительная жесткость витка стружки больше критической величины относительной жесткости Wn 0,4x104 мм. При точении стали 45Х критическая величина относительной жесткости имела несколько большее значение = 0,8x10" мм. При обработке стали ЭИ 654 (15Х18Н12С4ТЮР) дроблению стружки соответствовало значение Wn равное 1,0 х 10" мм. Таким образом, можно предположить, что при точении заготовки из определенного материала вторым необходимым условием для дробления стружки является соотношение относительной величины жесткости витка стружки и критического значения относительной величины жесткости стружки: Wc Wn. (4.12) В процессе стружкообразования материал стружки воспринимает значительные пластические деформации, т.е. упрочняется. Принимая во внимание зависимость 4.2, и считая, что для пластичных материалов применима единая кривая упрочнения (рис. 4.4), установим критерий дробления стружки на основании следующих допущений [116]: - стружка имеет вид отрезка прямой до входа в контакт с выступами и уступами; - материал стружки представляет собой идеальный упруго-пластический материал, при этом различием между свободной и контактной поверхностями стружки пренебрегаем.
