Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих подходов к увеличению производительности точения 18
1.1. Повышение виброустойчивости процесса точения 18
1.2. Пути достижения эффективности процесса точения 34
1.3. Показатели динамического качества токарного станка 48
2. Методологические основы проектирования виброустойчивого процесса точения 50
2.1. Основные положения и модели динамической системы станка 50
2.2. Математические модели виброперемещений подсистемы «инструмент-заготовка» 70
2.3. Устойчивость динамической системы токарного станка при переменных динамических параметрах 85
Выводы по главе 2 100
3. Идентификация динамических параметров заготовок при различных схемах их базирования на токарном станке 101
3.1. Исследование собственных частот колебаний заготовок типа тел вращения при различных схемах закрепления 101
3.1.1. Описание экспериментальной установки для исследования динамических параметров заготовки 101
3.1.2. Консольная установка заготовки 104
3.1.3. Установка заготовки в патроне с поджимом задним центром 125
3.1.4. Установка заготовки в центрах 135
3.1.5. Моделирование колебаний заготовки 143
3.2. Исследование жесткости подсистемы заготовки 149
3.2.1. Методика исследования жесткости технологической системы 149
3.2.2. Анализ передаточной функции подсистемы заготовки 160
3.2.3. Исследование динамической жесткости деталей типа тел вращения 174
3.2.3.1. Изучение воздействия кратковременной импульсной нагрузки на подсистему заготовки 174
3.2.3.2. Изучение воздействия прямоугольной импульсной нагрузки на подсистему заготовки 182
3.2.3.3. Расчет динамической жесткости деталей типа тел вращения 189
3.3. Демпфирование колебаний в подсистеме заготовки 203
3.3.1. Исследование демпфирования в материале заготовки 203
3.3.2. Демпфирование колебаний в подсистеме «заготовка - шпиндельный узел» 211
3.3.3. Демпфирование колебаний в подсистеме «шпиндельный
узел — заготовка — задний центр» 226
Выводы по главе 3 242
4. Исследование устойчивости подсистемы заготовки при переменных динамических параметрах и режимах резания на токарных станках 243
4.1. Математическая модель процесса виброперемещения заготовки 243
4.1.1. Изменение динамических параметров заготовок при резании 243
4.1.2. Способ продольного точения с переменными режимами резания 259
4.2. Прогнозирование уровня вибраций заготовки при прерывистом резании 282
4.3. Возможность уменьшения вибраций технологической системы станка при прерывистом резании 294
Выводы по главе 4 303
5. Повышение устойчивости процесса точения на основе использования резцов с переменными динамическими характеристиками 304
5.1. Конструкция резца с переменной жесткостью 304
5.2. Математическая модель динамики точения резцами с переменной жесткостью 314
5.3. Виброустойчивость динамической системы при точении 322
5.3.1. Динамическая модель подсистемы токарного инструмента 322
5.3.2. Устойчивость системы при изменении ее параметров по случайному закону 332
5.3.3. Использование вероятностного подхода для исследования процесса резания при точении 3 5.4. Разработка регрессионной модели зависимости амплитуды колебаний инструмента от режимов резания 344
5.5. Определение погрешности размера детали при переменной жесткости технологической системы при точении 353
5.6. Экспериментальные исследования динамики и виброустойчивости процесса точения резцами с переменной жесткостью
5.6.1. Постановка эксперимента 363
5.6.2. Исследование условий возникновения и протекания вибраций 366
5.6.3. Спектральный анализ виброграмм 376
5.6.4. Влияние неточности изготовления составной державки на точность обработки деталей 381 5.7. Разработка конструкций резцов с переменными динамическими параметрами 383
Выводы по главе 5 388
6. Технико-экономическое обоснование возможности повышения производительности точения на основе учета факторов, присущих подсистеме инструмент-заготовка 390
6.1. Комплексная оценка затрат при точении с учетом возможности повышения производительности 390
6.2. Экономическое обоснование выбора варианта технологического процесса при точении с учетом повышения производительности 397
6.3. Экономическое обоснование выбора варианта конструкции токарного инструмента с учетом снижения его себестоимости 405
6.4. Алгоритм проектирования токарной операции 414
Выводы по главе 6 423
Заключение 424
Библиографический список
- Пути достижения эффективности процесса точения
- Устойчивость динамической системы токарного станка при переменных динамических параметрах
- Установка заготовки в патроне с поджимом задним центром
- Изменение динамических параметров заготовок при резании
Введение к работе
Актуальность темы. Требования мирового потребительского рынка определяют перспективы развития машиностроения и металлообработки как базовой отрасли, создающей материально-техническую основу для перехода современной экономики на инновационный вектор развития.
В условиях автоматизации, создания новых материалов и технологий проблема повышения эффективности производства и обеспечения высокого качества продукции занимает особое место и привлекает внимание ученых и производственников. Возможность повышения производительности технологических процессов во многом определяется обеспечением их стабильности. Разработка высокоскоростного оборудования неизбежно приводит к увеличению интенсивности и расширению спектра вибраций. При резании металлов вибрации вызывают такие явления, как увеличение шероховатости и волнистости поверхности, шум, снижение стойкости инструмента, расстройка станка и приспособлений, увеличение динамических нагрузок в стыках.
Фундаментальные исследования в области динамики станков выполнены А.П. Соколовским, В.А. Кудиновым, А.В. Кудиновым, А.И. Кашириным, J. Tlusty, М.Э. Эльясбергом, В.Н. Подураевым, Л.С. Мурашкиным, С.Л. Мурашкиным, А.С. Ямниковым, О.А. Ямниковой, С.А. Васиным, Л.А. Васиным, В.П. Кузнецовым, Н.Б. Дорохиным, М.Б. Флеком и другими российскими и зарубежными учеными.
Основные показатели динамического качества токарного станка: наибольшие допускаемые режимы устойчивого резания, определяющие производительность обработки, запас и степень устойчивости системы; силы резания и соответствующие им отклонения формообразующих перемещений звеньев системы от требуемых; интенсивность колебаний резца и детали при резании и на холостом ходу; динамическая жесткость; быстродействие; уровень шума.
Динамические процессы, происходящие в станке, оказывают решающее воздействие на точность и устойчивость обработки, определяя возможность применения рациональных режимов резания, условия обслуживания станка, уровень шума, общую культуру производства в целом.
В настоящее время важным представляется разработка теоретических основ повышения эффективности функционирования технологических систем с переменными параметрами, проектирование виброустойчивых систем, трансформирующихся при нестабильных условиях резания, при обработке сложных фасонных поверхностей, а также материалов со значительно меняющейся твердостью. При этом вопросы устойчивости заготовки как звена технологической системы токарного станка, расчета динамических параметров заготовки являются недостаточно изученными.
Целью работы является повышение эффективности процесса токарной обработки деталей общего машиностроения на основе разработки методик и алгоритмов проектирования виброустойчивых технологических операций с
учетом динамических параметров элементов технологической системы. Исследование динамики процесса резания, учет динамических параметров подсистемы «заготовка - инструмент» позволит прогнозировать точность обработки на этапе проектирования операций, осуществлять выбор рациональных режимов резания, значительно уменьшая уровень вибраций и повышая производительность токарной обработки.
Поставленная цель определяет решение следующих задач:
-
Оценка степени влияния различных факторов на устойчивость и эффективность процесса точения.
-
Разработка теоретических основ виброустойчивости динамической системы с переменными инерционными, жесткостными и демпфирующими параметрами.
-
Прогнозирование виброперемещений системы на этапе проектирования технологической операции на основе разработанных моделей, описывающих динамическое состояние технологической системы с переменными параметрами.
-
Идентификация динамических параметров элементов технологической системы.
-
Разработка комплекса моделей виброперемещений элементов технологической системы для схем обработки прерывистых поверхностей.
-
Обоснование модели проектирования процесса продольного точения с переменными режимами резания; теоретическое и экспериментальное исследование устойчивости технологической системы при переменных режимах обработки.
-
Разработка модели точения заготовок резцами с переменными динамическими характеристиками; разработка конструкций и определение области применения резцов с переменными параметрами.
-
Экспериментальное исследование процесса обработки заготовок резцом с переменной жесткостью; условий возникновения и протекания вибраций при резании исследуемым резцом, определение зоны виброустойчивости.
-
Технико-экономическое обоснование применения разработанных технических решений: конструкций инструмента, схем точения.
Методы исследования. Задачи, поставленные в работе, решались теоретически и экспериментально. Теоретические исследования базировались на основных положениях теории резания металлов, динамики резания, проектирования режущих инструментов, теории управления, теории колебаний, методов математического и компьютерного моделирования, дифференциального и интегрального исчисления. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием промышленного оборудования и современных измерительных средств, в том числе измерительной аппаратуры фирмы Briiel & Kjasr (Дания). Обработка результатов экспериментов осуществлялась методами математической статистики с применением ЭВМ. Оценка процесса точения и стружкообразования производилась с использованием фотосъемки камерой SONY DSC-P92.
Автор защищает:
-
Комплексный подход к проектированию виброустойчивого процесса точения на основе учета динамических характеристик подсистемы «заготовка - инструмент», методологические основы повышения эффективности операции точения.
-
Новый подход к исследованию виброустойчивости технологической системы, основанный на ее представлении как системы с переменными инерционными, жесткостными и демпфирующими параметрами; разработанную модель динамической системы, позволяющую оценивать ее устойчивость при нестабильных параметрах и режимах резания; расширять интервалы варьирования режимов резания для решения задачи повышения эффективности процесса точения.
-
Аналитическое описание динамического состояния технологической системы с переменными параметрами, в том числе математические модели виброперемещений системы «заготовка - инструмент» при различных схемах установки заготовки и разном характере изменения силы резания, позволяющие проводить визуализацию и анализ колебаний, исследовать динамическую устойчивость системы, прогнозировать интенсивность колебаний системы на этапе проектирования технологических операций.
-
Обобщенные модели идентификации динамических параметров заготовок при точении для различных схем их закрепления на токарных станках, базирующиеся на установленных регрессионных зависимостях собственных частот, жесткости и демпфирующих характеристик заготовок от их геометрических параметров и схемы закрепления на станке.
-
Комплекс моделей виброперемещений элементов технологической системы станка для схем обработки прерывистых поверхностей, учитывающий влияние параметров системы и режимов резания на интенсивность колебаний.
-
Обоснование схемы продольного точения с режимами резания (подачей и скоростью резания), изменяющимися в зависимости от комплексного параметра, учитывающего жесткость заготовки, положение резца относительно мест закрепления заготовки и схемы ее закрепления; установленные графические и аналитические зависимости характера изменения режимов резания при продольном точении, обеспечивающие максимальную производительность обработки.
-
Модель обработки заготовок резцами с переменными динамическими параметрами; конструкции режущих инструментов, реализующие малое изменение динамических параметров державок при нестабильных режимах резания, обеспечивающие генерирование отрицательной обратной связи в виде следов вибрационных волн на поверхности резания со случайным характером изменения шагов и уменьшение вероятности возникновения резонанса в системе.
8. Результаты экспериментальных исследований работоспособности
резцов с переменной жесткостью, экспериментальное подтверждение адек-
ватности разработанной модели процесса обработки заготовок резцом с переменной жесткостью; возможности создания широкополосной частотной зоны, обеспечивающей устойчивую работу предложенного инструмента при регенеративных колебаниях с отсутствием ярко выраженного резонансного пика.
9. Технико-экономическое обоснование эффективности применения разработанных технических решений.
Научная новизна заключается:
в реализации комплексного подхода к совершенствованию проектирования виброустойчивого процесса точения заготовок для различных схем их закрепления на токарных станках, базирующегося на результатах расчетов виброперемещений заготовки, выполненных с использованием динамических параметров подсистемы заготовки, превентивно установленных с учетом как геометрических размеров заготовки, так и схемы ее закрепления, и определения характера изменения величины подачи (скорости резания) в процессе обработки конкретной заготовки в соответствии с изменением ее прогиба в зависимости от положения резца относительно мест закрепления заготовки;
в совершенствовании проектирования виброустойчивого процесса точения при случайно изменяющемся припуске и твердости материала заготовки на основе использования резцов с малыми изменениями параметров (жесткости или массы их консольной части) под действием случайно изменяющейся силы резания в процессе точения, вызывающими генерирование отрицательной обратной связи в виде следов вибрационных волн на поверхности резания со случайным характером изменения шагов (частот образования волн), обеспечивающей формирование направленного процесса предотвращения образования вибрационных волн с постоянной частотой, равной собственной частоте колебаний резца, а соответственно, и развития автоколебаний в технологической системе.
Практическая значимость работы заключается в разработанных:
методике расчета динамических параметров заготовок для различных схем их установки, позволяющих рассчитывать значения критических режимов обработки, при которых колебания системы становятся неустойчивыми;
алгоритмах, позволяющих путем моделирования рассчитать колебания заготовки и инструмента при точении прерывистых поверхностей;
технологических приемах, позволяющих расширить области режимов резания, обеспечивающих повышение эффективности процесса точения и увеличение загрузки станка;
на уровне технических решений (пат. 66706 РФ, пат. 66707 РФ, пат. 68389 РФ, пат. 70471 РФ, пат. 72427 РФ) конструкциях резцов, позволяющих повысить эффективность токарной обработки и обеспечивающих виброустойчивость технологической системы станка в более широких диапазонах режимов резания; в разработанных устройствах для токарной обработки (пат. 78713 РФ), обеспечивающих повышение производительности обработки;
методологических рекомендациях по выбору и оценке эффективности конструкций резцов с переменными динамическими параметрами на этапе технологической подготовки производства;
технологических рекомендациях по выбору режимов резания, конструкции инструмента, кинематических и динамических параметров процесса, позволяющих прогнозировать виброустойчивость системы на основании разработанных моделей и методик.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на 18 конференциях, в том числе на Международной технической конференции «Проблемы формообразования деталей при обработке резанием», посвященной 90-летию со дня рождения СИ. Лашнева (г. Тула, 2007 г.), на 7-й Международной научно-практической конференции «Эффективность реализации научного, ресурсного, промышленного потенциала в современных условиях» (Украина, п. Славское, 2007 г.), на 6-ой Международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» (г. Брянск, 2008 г.), на Международной научно-технической конференции «Инструментальные системы машиностроительных производств» (г. Тула, 2008 г.), на 7-ой Международной электронной научно-технической конференции «Технологическая системотехника» (г. Тула, 2008 г.), Всероссийской ежегодной научно-технической конференции «Наука - производство - технология - экология» (г. Киров, 2008).
Реализация результатов работы. Результаты данной работы внедрены в КБ приборостроения (г. Тула), ФГУП «ГНПП Сплав» (г.Тула), ОАО ТНИТИ (г. Тула), а также в учебный процесс в ТулГУ.
Публикации. Основное содержание диссертации, полученные результаты, выводы и рекомендации опубликованы в 56 научных работах, в том числе в 2 монографиях, 6 патентах, 10 статьях в сборниках научных трудов, 20 материалах научных конференций, 18 статьях в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка использованных источников из 135 наименований и 7 приложений. Работа содержит 290 страниц машинописного текста, а также 222 рисунка и 51 таблицу.
Пути достижения эффективности процесса точения
Введение в материал инструмента алюминия, ванадия, хрома, тантала, циркония, ниобия и молибдена уменьшает диффузию между трущимися поверхностями инструмента и детали, в результате чего интенсивность вибраций значительно снижается [9].
Для изготовления технологической оснастки и высоконагруженных деталей упругой системы рекомендуется использовать материалы, обладающие повышенной демпфирующей способностью, а также большим модулем упругости.
Сплавы высокого демпфирования, имеющие сравнительно низкий модуль упругости, а также серый чугун, имеющий высокий коэффициент внутреннего трения, но низкий модуль упругости, следует применять для изготовления виб-рогасящих и виброизолирующих деталей и элементов, например, опор станков, станин, передающих муфт, прокладок.
Устанавливая простейшие прокладки под резец и на кулачки патрона из высокодемпфирующих материалов (сплавы высокого демпфирования, металлическая резина MP, залитая свинцом, чугун, медь), можно снизить колебания [9];
2) конструктивное демпфирование, например, путем введения дополнительных стыков, увеличения сопротивления в стыках; применение упругих и упруго демпфирующих элементов в узлах крепления инструмента [78];
3) активное демпфирование, т.е. введение в конструкцию специальных демпфирующих устройств, например, гидравлических, электрогидравлических демпферов. В этом случае рассеяние энергии колебаний происходит вследствие сухого, вязкого трения, электромагнитного демпфирования.
3. Увеличение жесткости доминирующей колебательной системы приводит к уменьшению амплитуды автоколебаний, поэтому является одним из распространенных способов устранения вибраций.
Основные пути повышения жесткости без увеличения масс: устранение изгиба деталей и замена его сжатием-растяжением, выполнение замкнутых рамных конструкций, рациональные сечения и рациональные схемы располо 24 жения опор деталей, работающих на изгиб, оребрение деталей, уменьшение вылета консолей, улучшение-заделки; замыкание действующих нагрузок по меньшему контуру и уменьшение количества звеньев, передающих основные нагрузки [78].
Например, жесткость резца повышается при увеличении сечения резце-державки и расточной оправки, уменьшении вылета резца, при установке упоров под головку резца. Резцы могут иметь дополнительное крепление с резцедержателем или основанием суппорта (А.с. 90284, А.с. 1074660). Известна конструкция резца (А.с. 462662); в которой держатель» и режущий элемент сопрягаются посредством.рифлений, выполненных в.виде разнонаправленных трапециевидных зубцов. На наружной поверхности консольной, части держателя инструмента может быть выполнена-винтовая полоса повышенной твердости (А.с. 1696155). Применяется наборный режущий инструмент (А.с. 1704942).
Иногда используют противоположное решение — понижение жесткости, например: применение самоустанавливающихся ноже№при-расточке отверстий; некоторое снижение жесткости суппорта за счет распускания клиньев суппорта; ослабления затяжки планок. Принтом суппорт начинает работать как рессора, рассеивая энергию автоколебаний. Известен резец, разработанный К.В. Ла-куроми имеющий пружинную конструкцию державки.
Одним из методов-управления интенсивностью колебаний является использование инструмента с регулируемой динамической жесткостью.
Выявлены следующие основные способы регулирования динамических характеристик систем: - использование давления- сжатого воздуха или рабочей жидкости (пнев-мо- и гидравлические корректоры) (А.с. 1295078) [109]; - наложение некоторого физического поля: обработка в магнитном поле; наложение на жидкость (например, упруговязкую электрореалогическую суспензию) электрического поля; использование в конструкции электромагнитов и ферромагнитных порошков; - изменение геометрии поперечного сечения объектов; - включение. в( конструкцию элементов, разрушающихся под действием нагрузки (3: 2L655-109; Франция); — применение упругих элементов в конструкции резцов: плоских пру жин, отрезных пружинных колец (3. 0412674, 3. 4021158); - постепенное включение в работу резервных элементов конструкции, изменяющих ее динамические характеристики.
Достаточно часто используются датчики, сигналы с которых обрабатываются ЭВМ и передаются-на исполнительные устройства для изменения динамических характеристик конструкции (например, на электромагнит, осуществляющий натяжение державки в пружинном-резце, на гидропривод, и т.д.), а также для управляемого изменения режимов резания.
Следует определить оптимальную ориентацию главных осей жесткости УС относительно нормали к обрабатываемой поверхности, соотношение жест-костей; масс, частот.
Для обеспечения виброустойчивости УС станка1 жесткость должнаібьіть возможшгболыпешв направлении нормали к обрабатываемой поверхности или в направлении- силы резания, в» иных направлениях жесткость и» частота собственных колебаний должна быть меньшей, чтобы, не способствовать потере устойчивости системы вследствие координатной связи.
Устойчивость динамической системы токарного станка при переменных динамических параметрах
Увеличение амплитуд колебаний приводит к быстрому разрушению инструмента. Частота колебаний влияет на. стойкость-гораздо, слабее (рис. 1.19;.б)[39]. Стойкость резцов из сплава ТІ5К6 по мере повышения их жесткости (соответственно» и частоты вибраций) снижается, что объясняется высокой хрупкостью этого сплава: Износ резцов из твердого сплава не зависит от интенсивности низкочастотных вибраций [9].
Интенсивность, износа резцов, из быстрорежущей сталш Р18 по мере снижения жесткости детали- и увеличения» интенсивности низкочастотных колебаний повышается. По мере увеличения частоты высокочастотных вибраций системы инструмент-деталь стойкость резцов из Р18 повышается.
Применение виброгасящих устройств повышает стойкость, резцов в 1,5...2 раза: В. Влияние времени точения на эффективность.обработки. Производительность, и экономическая-! эффективность точения; определяется технологическим процессом, степенью автоматизации, конструкцией/ станка и оснастки, динамическими характеристиками технологической системы. Уменьшение нормы времени достигается уменьшением основного (резание) и вспомогательного (закрепление и открепление деталей, подвод и отвод инструмента) времени: Машинное время: ТМаш LHI І $М - LMi І пшп8, (1.4) где LH - требуемое перемещение инструмента с рабочей подачей, относительно обрабатываемой-детали (включает размер длины поверхности, по чертежу, перемещение для врезания и выхода инструмента), мм; і — число проходов; SM — минутная- подача, мм/мин; пшп — частота вращения детали
(шпинделя); S— рабочая подача инструмента на- один оборот шпинделя, мм/об [6, 7]. Сокращение основного времени операции связано- с совершенствованием конструкций инструмента, качеством инструментальных материалов, подбором СОЖ, уменьшением-припусков на.обработку, уменьшением числа проходов за счет повышения качества заготовки. Сокращение машинного времени может быть достигнуто сокращением пути относительного движения инструмента и детали с рабочей подачей, путем обработка детали с оптимальными режимами, одновременным выполнением нескольких технологических переходов; совмещением технологических и вспомогательных переходов. Используется многорезцовая1 обработка. Производительный способ сокращения машинного времени является обработка способом врезания [6].
Коэффициент увеличения производительности по машинному времени можно увеличить в, два раза, за счет повышения скорости, резания. Если позволяют технологические условия, то вместо повышения скорости резания возможно увеличение подачи и глубины резания.
За. счет увеличения толщины среза, при точении можнопочти вЛО раз. уменьшить удельные энергозатраты. При этом:увеличивается стойкость, инструмента, создаютсяусловия для повышеншвскорости резания.
Увеличение режимов , обработки- тесно связано с точностью. Упругие перемещения-системы лимитируют допускаемую «силу резания; а тем самым и подачу. Скорость резания лимитируется размерной стойкостью инструмента и количеством образующегося тепла, порождающего температурные деформации технологической системы.
При анализе процесса резания особое внимание уделяется исследованию силы резания. Именно сила определяет работу формообразования, следовательно, и количество выделившейся теплоты, температуру деформируемых слоев, термоЭДС, характеризует механические свойства, материала и заготовки,, степень их взаимодействия в зоне резания. В свою очередь, любое изменение этих параметров влияет на силу резания. Сила резания является индикатором всего комплекса физико-механических факторов. Чем она меньше, тем благоприятнее условия-формообразования [38]. Ряд исследователей утверждает, что в настоящее время традиционные
способы механической обработки достигли совершенства и не имеют резервов повышения производительности. Необходимо внедрение комбинированных способов обработки [38], например, интенсификация резания термомеханическими способами, активацией технологических средств, что позволяет в 1,5...2 раза повысить загрузку и использование мощности станков, сократить производственные площади и оборудование. При комбинированных, методах обработки совмещают процесс резания с различными физико-химическими, термическими, механическими; электрическими, магнитными воздействиями при съеме материала. Г. Выбор варианта технологического процесса. Часто применяют графоаналитический метод.. Себестоимость С изготовления- х единиц продукции [6, 7]: С = Рн+Р3х, (1.5) где Рн - расходы, не зависящие от количества подлежащих обработке деталей: расходы на оборудование, приспособление, инструменты, настройку оборудования; Р3 — расходы, зависящие от количества деталей, подлежащих обработке: расходы на заработную плату рабочему и наладчику, материалы, содержание и амортизацию оборудования, электроэнергию. Строится график. С = f(x). При сравнении нескольких вариантов технологических процессов сравнивают несколько графиков С,. При различных значениях х обработку целесообразно вести по разным технологическим процессам [6, 7]. Ю.М. Ермаков обосновал целесообразность выбора схемы резания по следующему методу. На обобщенном графике зависимостей силы резания Р и стойкости Т{ от скорости резания-v (рис. 1.20) проводят поля характеристик в диапазоне подач.
Установка заготовки в патроне с поджимом задним центром
Экспериментальные исследования подтверждают, что при резании устойчивое движение УС станка нарушается автоколебаниями с периодическим изменением амплитуды и переходом к хаотическому движению. Так, исследования, проведенные А.Д. Лукьяновым, показали, что эволюционное развитие динамики ТС представляет собой последовательность переходов между устойчивыми состояниями и хаосом: при врезании инструмента в материал сначала возникают относительно регулярные колебания с выраженными не кратными друг другу частотами, что соответствует формированию аттрактора в виде п -мерного тора в фазовом пространстве. Затем колебания становятся хаотическими (ряд исследователей, например, Свинин, считают, что к хаосу ТС приводит увеличивающийся износ, Ю.Г. Кабалдин - потеря виброустойчивости УС возникает из-за накопления энтропии и износа инструмента), затем снова регулярными, но с другим набором частот. И опять все повторяется: при переходе через период хаотических колебаний набор частот регулярных колебаний снова меняется [71].
Переход от систем с устойчивой динамикой к системам с хаотической динамикой сопровождается появлением малых областей неустойчивости, внутри которых происходит интенсивный обмен энергией между соприкасающимися поверхностями. «Эти области обычно представляют собой отдельные слои, паутины и мозаики, формирование которых связано со свойством симметрии допустимых регулярных и почти регулярных структур конденсированных и гидродинамических сред». Сосуществование областей с устойчивой динамикой и областей хаоса в геометрическом, параметрическом и фазовом пространствах позволяет проанализировать возникновение локальных областей неустойчивости, оценить их размер [63].
Поверхности, возникающие на границах раздела различных физических сред и названные фрактальными поверхностями (фракталами) характеризуются дробной размерностью и свойством самоподобия. Одним из условий образования фракталов является наличие энергетических процессов, возникающих, в частности, при управляемом микро-и макроразрушении с высокой интенсивностью деформирования (10 —10 с- ), что является типичным для процессов трения, изнашивания и резания [62, 63] А.А. Колесников так объяснял механизм самоорганизации системы под действием приложенной извне нагрузки (энергии) [107]: 1) развитие структур дефектов, обеспечивающих самофокусировку; 2) развитие волновых пакетов в направлении многократного повышения частотных характеристик за счет изменения масштабного фактора структуры и проявления нелинейности в виде ударных волн, вызывающих резонанс в решетке; при резании самофокусировка волновой энергии осуществляется, в том числе, за счет эффекта волновода между плоскостями скольжения на стадии сдвига; 3) возникновение тепловых флуктуации и самоорганизация их структур на границах дефектов; 4) оптимизация соотношений статической и динамической нагрузок и повышение эффективности технологических процессов [107].
Так как динамическая нагрузка приводит к локальному изменению структуры и волн и самофокусировке волновой энергии на дефектах структуры, то правомерно объединение трех теоретических подходов: макроскопического, дислокационного и кинетического [107].
Кроме того, эксперименты, проведенные Ю.Г. Кабалдиным, выявили вихревой характер пластической деформации объемов обрабатываемого материала и участие жидкой фазы в структурных превращениях материала. Это свидетельствует о необходимости учета законов гидродинамики при анализе развития хаотических колебаний в УС при резании [45].
При математическом описании колебаний исследователи рассматривают класс неустойчивых по Ляпунову движений, занимающих ограниченную область фазового пространства. Такие движения считаются устойчивыми по Пуассону, причем глобальная устойчивость определяется ограниченностью области движения и уменьшением начального объема указанной области фазового пространства. Локальная неустойчивость движений приводит к запутыванию их траекторий и переходу к динамическому хаосу. Скорость удаления фазовых траекторий от состояний равновесия или приближения к ним определяется характеристическими показателями Ляпунова, которые в линейном приближении совпадают с действительными частями собственных значений матрицы устойчивости [63]. Для оценки степени развития движения динамических систем применяются следующие критерии: нормированная энтропия, автокорреляционная функция, фрактальная размерность, ляпуновские показатели. Они имеют физическую интерпретацию: «число независимых степеней свободы» и корреляционная связь с критерием Рейнольдса [45].
Основные свойства синергетических систем [104, 107]: 1) обмен энергией (приводы главного движения и подачи), веществом (срезаемая стружка), информацией с окружающей средой; открытость термодинамической ТС; 2) взаимодействие, т.е. когерентность поведения компонентов среды. В частности, Свининым показано, что регенеративные автоколебания представляют собой самоорганизующуюся пространственно—временную дис-сипативную структуру, соответствуют данным признакам и другим свойствам синергетических систем: - при автоколебаниях упругие подсистемы заготовки и инструмента дви жутся согласованно, замыкаясь .через подсистему резания; - отклонение от равновесия ТС, определяемое величиной силы резания, в момент зарождения регенеративных автоколебаний превышает критическое значение; - фазовый сдвиг между текущими регенеративными автоколебаниями и следом на поверхности резания от вибраций, происходивших при предыдущем проходе инструмента или обороте заготовки, устанавливается самопроизвольно независимо от начальных условий; - внутренняя динамика ТС нелинейна из-за действия запаздывающей обратной связи, обусловленной вибрационным следом на поверхности резания.[104]. Исследование резания «по следу» показали, что по окончании некоторого переходного процесса при любой величине фазы между колебаниями следа и ТС устанавливается одинаковая разность фаз: колебания ТС опережает колебания следа на четверть периода, т.е. (—Зи/2) или (п/2), и процесс приобретает автоколебательный характер. Данная величина фазового сдвига обеспечивает приток энергии для поддержания колебаний [104].
Изменение динамических параметров заготовок при резании
Устойчивость технологической системы станка и уровень интенсивности колебаний существенно зависят от жесткости доминирующей колебательной-системы. Иод жесткостью понимают способность системы сопротивляться деформации, то есть изменениюг формы и размера под действием приложенной нагрузки[78]. Жесткость определяет упругие свойства системы, зависит от материала, формы, размеров, способа установки» и не зависит от схемы приложения сил.
Для экспериментального определения жесткости существует несколько методов [117, 118]: — статический — проведение испытаний на неработающем станке; — производственный — испытания при обработке заготовки. Жесткость-определяют снятием с заготовки-заданного неравномерного припуска и непосредственным измерением возникающей при этом переменной, силы резания, а соответствующие взаимные перемещения инструмента и заготовки находят измерением отклонения размера обработанной детали; — динамический — испытания в процессе колебаний [117]. Жесткость заготовки неравномерна по длине детали. Переменная жесткость детали по координате приводит к переменным упругим перемещениям и искажению формы и влияет соответственно на: — чистоту обработки. Максимальная жесткость наблюдается вблизи места крепления заготовки в кулачках патрона. При отношении вылета I заготовки к диаметру d, равном 5, шероховатость обработанной поверхности увеличивается в два раза и более. При вылете заготовки на величину более 6 d, чистота ухудшается в связи с возникновением вибраций [50]; — выбор режимов резания, которые меняются в зависимости от положения резца относительно обрабатываемой детали, и т.д. Скорость резания при точении переднего конца детали больше, чем при точении заднего конца [98].
Увеличение диаметра детали способствует повышению ее жесткости и уменьшению деформации, следовательно, повышению скорости резания; — стойкость инструмента, При обработке различных участков детали ме няется стойкость резцов: при установке вала в самоцентрирующем патроне максимальный износ наблюдается на заднем.участке. По мере увеличения дли ны обтачиваемого вала стойкость снижается, при этом влияние длины на стой кость проявляется по-разному при различных материалах детали. Стойкость зависит от частоты собственных колебаний обрабатываемой детали. Чем выше частота, тем выше стойкость, следовательно, выше допускаемая скорость; - предельную стружку и т.д.
Жесткость заготовок находят расчетным путем, используя известные из курсов сопротивления материалов и теории механизмов и машин выражения. Если характеристики.металла следуют закону Гука, то жесткость детали является постоянной величиной, не следуют — различна для нагрузок разной интенсивности. Однако при расчетах обычно используют среднее значение жесткости [109].
Например, жесткость заготовки, консольно установленной в патроне, без учета жесткости шпиндельного узла: 3EJ Сзаг=- Г (3-27) где Е — модуль упругости первого рода, Н/м2; J - главный осевой момент инерции поперечного сечения, м , для круглого сечения J = ; а и — диа 64 метр и вылет заготовки, м. Полагая для сталей Е=2Л0п Н/м2, формула (3.27) принимает вид с «З-Ю10/ 3 заг v7j (3-28) Из формулы (3.28) следует, что жесткость заготовки зависит от отноше ния длины к диаметру, от диаметра. При одном и том же отношении — жестик кость толстого вала выше, чем тонкого. На рис. 3.30 представлен график, показывающий зависимость жесткости сзаг гладкого вала от отношения его длины I и диаметра d, построенный согласно формуле (3.28). При этом жесткость опоры не учитывалась.
Жесткость опоры в формулах (3.27), (3.28) не учитывалась. Однако в проведенных ранее исследованиях установлено большое влияние шпинделя и патрона на жесткость системы «шпиндельный узел — заготовка» в процессе резания. Деформации стыков между деталями, входящими в узлы, порой значительно превосходят деформации самих деталей [109]. В общем балансе упругих деформаций при отделочной обработке основными деформациями (до 90 %) обычно являются контактные. Собственные деформации деталей могут иметь значительную величину при чистовой обработке на универсальных и тяжелых станках [78].
