Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований 8
1.1. Особенности обработки высокомарганцовистых сталей 8
1.2. Направления исследования процесса резания с вибрациями 21
1.2.1. Отрицательное влияние вибраций 21
1.2.2. Положительное влияние вибраций 28
1.3. Задачи исследований 34
Глава 2. Разработка установки для вибрационного резания с использованием вынужденных гармонических колебаний маятникового типа 35
2.1. Состояние вопроса 35
2.1.1. Предварительное определение оптимальных амплитудно-частотных параметров колебаний 35
2.1.2. Обзор основных способов вибрационного резания 42
2.2. Описание экспериментальной установки для вибрационного резания с вынужденными гармоническими колебаниями маятникового типа 46
Глава 3. Устойчивость вынужденных гармонических колебаний при вибрационном резании 63
3.1. Обзор работ по исследованию устойчивости при наличии колебаний 63
3.2. Исследование устойчивости вынужденных гармонических колебаний при вибрационном резании 71
Глава 4. Исследование влияния режимов резания и параметров колебаний инструмента на его период стойкости и качество обработанной поверхности 94
4.1. Методика проведения экспериментов 94
4.2. Черновое точение по литейной корке 98
4.3. Черновое точение по чистому металлу 110
4.4. Чистовое точение 142
Глава 5. Практическое применение результатов исследований 170
5.1. Анализ результатов исследований и разработка рекомендаций по выбору конструктивных и технологических параметров вибрационного резания 170
5.2. Разработка опытно-промышленной установки к токарно-карусельному станку модели КУ-514 для обработки крупногабаритных деталей типа тел вращения 173
Основные результаты и выводы 176
Список литературы 178
Приложения 190
- Направления исследования процесса резания с вибрациями
- Предварительное определение оптимальных амплитудно-частотных параметров колебаний
- Исследование устойчивости вынужденных гармонических колебаний при вибрационном резании
- Черновое точение по литейной корке
Введение к работе
Актуальность работы. Обработка резанием является одним из важнейших технологических процессов, в значительной степени определяющим технический и экономический уровень машиностроительного производства. В настоящее время технология машиностроения решает одну из наиболее интересных проблем - поиск эффективных способов обработки различных труднообрабатываемых материалов. Одной из таких марок является высокомарганцовистая сталь аустенитного класса 110Г13Л; иногда в технической литературе она известна под названием сталь Гадфильда, Г12 или Г13Л. Эта сталь обладает высокими износоустойчивыми и антикавитационными свойствами, а также имеет высокое сопротивление износу при одновременном воздействии больших давлений, температур и динамических ударных нагрузок. Особенность свойств данной стали предопределили область ее промышленного применения. Из нее изготовляют детали горнорудного, дробильно-размольного, металлургического и транспортного оборудования: корпуса и футеровки вихревых и шаровых мельниц, щеки и конуса дробилок, гусеничные траки, зубья и передние стенки ковшей экскаваторов, железнодорожные крестовины и другие тяжелонагру-женные детали.
Хотя высокомарганцовистая сталь известна с 1873 г. [1] и давно освоена в литейном производстве, технический уровень проведенных исследований по механической обработке недостаточно высок, часто встречаются противоречивые утверждения. В настоящее время в промышленности для улучшения обрабатываемости этой стали широко применяется плазменно-механическая обработка (ПМО). Однако ПМО обладает многочисленными недостатками: разупрочнение, охрупчивание и образование микротрещин на поверхности детали; ухудшение условий труда; дополнительное оснащение станка аппаратурой и большой расход энергоресурсов. Поэтому дальнейшее применение ПМО становится неперспективным. В качестве альтернативного способа улучшения обрабатываемости высокомарганцовистых сталей является
применение вибрационного резания.
В соответствии с вышеизложенным, улучшение обрабатываемости высокомарганцовистых сталей за счет применения вибрационного резания определяет актуальность диссертационной работы.
Диссертационная работа выполнена в Старооскольском технологическом институте (филиале) Московского государственного института стали и сплавов Технологического университета на кафедре «Технология и оборудование в металлургии и машиностроении».
Цель работы. Повышение периода стойкости инструмента при вибрационном точении заготовок из высокомарганцовистых сталей, путем рационального подбора амплитудно-частотных параметров колебаний инструмента и соотношений скорости резания с вибрационной скоростью.
Научная новизна работы:
установлено, что максимальный период стойкости инструмента достигается, если вибрационная скорость находится в диапазоне 3,3 - 5,6% от скорости резания;
выведен безразмерный параметр возмущающей силы, обеспечивающий устойчивость вынужденных колебаний в зарезонансной зоне и исключающий возможность появления комбинационных колебаний.
Методы исследования. При выполнении работы использовались основы теории резания, нелинейных колебаний, механики, динамики станков, технологии машиностроения и многофакторного планирования экспериментов. Экспериментальные исследования проводились на действующем технологическом оборудовании с обработкой полученных данных на персональном компьютере.
Автор защищает следующие основные положения:
Результаты теоретических и экспериментальных исследований вибрационного резания с использованием вынужденных гармонических низкочастотных колебаний маятникового типа.
Конструкцию установки для вибрационного резания с использованием вынужденных гармонических колебаний маятникового типа.
6 3. Методику назначения амплитудно-частотных параметров колебаний инструмента при вибрационном резании.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
Разработано и изготовлено устройство для вибрационного резания с использованием вынужденных гармонических колебаний маятникового типа, конструкция которого защищена патентом РФ на изобретение № 2212309.
Использование результатов работы позволяет повысить период стойкости инструмента при черновом вибрационном точении до 65%, а при чистовом вибрационном точении до 105% по сравнению с традиционным точением.
Разработаны рекомендации по назначению рациональных амплитудно-частотных параметров колебаний инструмента при вибрационном резании.
Разработана документация на опытно-промышленную установку к токарно-карусельному станку КУ-514 для механической обработки крупногабаритных деталей, которая принята к внедрению на ОАО «ОЗММ».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международной научно-технической конференции «Вопросы проектирования, эксплуатации технических систем в металлургии, машиностроении, строительстве» (Старый Оскол, сентябрь 1999), международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения» «Технология — 2000» (Орел, сентябрь 2000), V международной научно-технической конференции «Вибрация - 2001 (Вибрационные машины и технологии)» (Курск, декабрь 2001), международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения» «Технология - 2002» (Орел, сентябрь 2002), ежегодных студенческих научных конференциях секции технологии машиностроения СТИ МГИСиС (ТУ) (Старый Оскол, 1999 - 2002), VI научно-практической конференции студентов, аспирантов и соискателей по естественным, техническим и гуманитарным наукам (Старый Оскол, апрель 2003), международном конгрессе «Современные технологии в промышленности строительных материалов и строииндустрии» (Белгород, сентябрь 2003), международной научно-технической конференции
«Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения» «Технология - 2003» (Орел, сентябрь 2003).
Публикации; по теме диссертации опубликовано 8 работ, включая 1 патент Российской Федерации на изобретение.
Направления исследования процесса резания с вибрациями
На современном этапе технология машиностроения исследует два противоположных направления, которые связанны с изучением влияния вибраций на процесс резания.
Первое направление изучает возникновение вредных вибраций, отрицательное влияние которых заключается в ухудшении качества обработанной поверхности, снижении точности обработки, повышенном износе инструмента и уменьшении долговечности станка и приспособления. Эти факторы в целом существенно снижают производительность обработки и создают дополнительные динамические нагрузки.
Возникновение вибраций при обработке резанием характеризуется возмущающими силами и свойствами упругой системы. Возмущающие силы, в зависимости от механизма возбуждения вибраций, создают вынужденные колебания и автоколебания. Помимо этого, при отдельных видах механической обработки существенное значение приобретает параметрическое возбуждение колебаний, которое обусловлено изменением одного из параметров системы СПЗИ, например, жесткости во времени, а также собственные затухающие колебания, возникающие при мгновенном приложении или снятии силы. Это происходит при врезании или выходе режущей кромки инструмента из обрабатываемого материала. Поэтому, например, при окончании обработки рекомендуют выключать или значительно снижать механическую подачу. Приоритет в разработке практических средств гашения вредных вибраций принадлежит научным школам, созданным советскими учеными - проф. А. И. Кашириным (ИМАШ АН СССР) [39], проф. А. П. Соколовским (ЛПИ им. Калинина) [40], проф. Д. Н. Решетовым (ЭНИМС, МВТУ им. Баумана) [41]. Первые значительные исследования средств обеспечения устойчивости движения резания также провели советские ученые - В. А. Кудинов (ЭНИМС) [42], М. Е. Эльясберг (ОКБС в Ленинграде) [43] , И. И. Ильницкий (УПИ им. Калинина) [44], Л. К. Кучма (ЦНИИТМАШ) [45,46].
Колебания в станках носят как стационарный, так и нестационарный характер, и для их описания используются практически все методы современной теории колебаний. Более подробно остановимся на анализе вынужденных колебаний и автоколебаний.
Вынужденные колебания возникают при наличии в системе СПЗИ внешней периодической силы, вызывающей колебательный процесс с частотой, равной частоте действия возмущающей силы. Амплитуда вынужденных колебаний зависит от динамической жесткости технологической системы. Эти силы могут быть разделены на две группы:
1. Переменные силы, обусловленные процессом резания, например силы, возникающие при снятии неравномерного припуска, прерывистом характере резания. Основным средством гашения таких колебаний является правильный выбор режимов резания и параметров системы СПЗИ. Однако С. В. Егорову и С. И. Волкову [47] при исследовании фрезерования жаропрочных материалов не удалось полностью избавиться от влияния вынужденных колебаний. Поэтому для снижения их величины были использованы наполнители или очистители. Последние представляли чугунные или стальные листы, установленные по торцам заготовки и обрабатываемые одновременно с ней. Это дало возможность смягчить удары при прерывистом резании; кроме того, стружка от наполнителя очищала переднюю поверхность инструмента от налипшей стружки жаропрочного материала. Исследования показали, что период стойкости инструмента повысился в 10 - 15 раз, однако этот метод имеет ограниченное практическое применение.
2. Переменные силы, возникающие в системе СПЗИ вне зоны резания. Например, силы возникающие из-за дефектов передач станка, дисбаланса его. отдельных вращающихся частей - заготовок, приспособлений, инструментов, а также колебаний, передаваемых на станок извне от других работающих машин. Общим признаком колебаний этого вида является отсутствие зависимости интенсивности действия возмущающей силы от процесса резания. Поэтому для гашения таких колебаний возможно использование наиболее простого и эффективного средства - ликвидации вызывающих причин, например, выполняют контроль вибраций отдельных элементов передач на специальных стендах, а в технические условия этих деталей вводят нормы на неуравновешенность или на уровень вибраций. Также получили большое распространение активные и пассивные виброизоляторы.
Для повышения производительности обработки резанием при сохранении точности обработки и периода стойкости инструмента необходимо улучшать динамические условия нагружения системы СПЗИ, в частности, переходить на зарезонансные условия нагружения. При гашении вынужденных колебаний в дорезонансной области решающее значение имеет увеличение жесткости системы. В отдельных случаях это повышение достигается изменением схемы обработки.
Наибольшие затруднения при обработке резанием вызывают самовозбуждающиеся колебания - автоколебания. Отличительной особенностью вибраций этого вида является отсутствие внешней периодической силы, возмущающей колебательный процесс. Причем в отличие от свободных колебаний эти вибрации могут быть незатухающими и при наличии диссипативных сил. Частота вибраций при этом не зависит от режимов резания, геометрии инструмента и равна собственной частоте системы. Для систем с несколькими степенями свободы возможны автоколебания на разных частотах: низкочастотные, соответствующие основной частоте собственных колебаний, и высокочастотные, когда устойчивость теряет элемент с высокой частотой собственных колебаний. Амплитуда автоколебаний зависит от многих факторов. Например, эксперименты [48] показали, что увеличение жесткости привода и вязкости смазочного материала уменьшает амплитуду автоколебаний. При токарной обработке увеличение глубины резания ведет к резкому увеличению амплитуды. Установлено, что существует скорость резания (35-59 м/мин), при которой амплитуда автоколебаний достигает максимума. Кроме того, согласно этим исследованиям, уменьшение главного угла в плане, увеличение радиуса скруглення вершины резца и уменьшение жесткости технологической системы увеличивает амплитуду автоколебаний. Уменьшение заднего угла от 16 до 3 не оказывает влияния на интенсивность, а уменьшение от 3 до 2 вызывает увеличение амплитуды автоколебаний. При затуплении резца амплитуда низкочастотных колебаний снижается, а высокочастотных - увеличивается.
Предварительное определение оптимальных амплитудно-частотных параметров колебаний
Анализ публикаций по обработке высокомарганцовистых сталей аусте-нитного класса показал, что исследованию вибрационного резания этих сталей уделено незначительное внимание. Поэтому для проведения дальнейших исследований и создания экспериментальной установки, необходимо определить оптимальные величины амплитудно-частотных характеристик колебаний и степень их влияния на период стойкости инструмента из источников, занимавшихся решением однотипной проблемы.
В настоящее время известно две принципиально отличающиеся друг от друга рекомендации по назначению параметров колебаний при вибрационном резании. Одна из них изложена В. Н. Подураевым в монографии [60]. В этой работе приводится три графика зависимости периода стойкости инструмента от продольной подачи при скоростях резания 40, 80 и 120 м/мин. Во всех трех экспериментах глубина резания 1 мм, продольная подача изменялась в интервале от 0,25 до 0,58 мм/об; параметры вибраций: тангенциальные колебания резца амплитудой 0,2 мм и частотой 175 Гц. Эксперименты проводили на образцах из стали Х18Н9Т диаметром 100 мм и длиной 700 мм. В. Н. Подураев утверждает, что скорость резания 80 м/мин при вибрационном точении является некоторой критической величиной, определяющей переход из области отри 36
цательного влияния вибраций в положительную. Правомерно предположить, что эти рекомендации имеют ограниченную область применения вследствие того, что, например, при черновом точении заготовок, имеющих на поверхности окалину или литейную корку, скорости резания свыше 80 м/мин являются явно завышенными. Д. Кумабэ в монографии [85] излагает другие рекомендации по выбору режимов резания. Им экспериментально установлено, что принципиальное изменение процесса резания и значительное увеличение периода стойкости инструмента происходит, если вибрационная скорость инструмента, согласно формуле (1.2), больше скорости резания. Другие исследователи величину вибрационной скорости при оптимальном уровне колебаний не сопоставляли со скоростью резания.
После изучения результатов экспериментов, полученных другими авторами, было выдвинуто предположение, что в области низкочастотных вибраций период стойкости инструмента и производительность обработки возрастают также и в том случае, если вибрационная скорость примерно составляет 3 — 6% от скорости резания. Причем, это соотношение не зависит от марки инструментального материала и имеет общий характер при черновой и чистовой обработке.
В подтверждении предложенной гипотезы проанализируем исследования, проведенные под руководством И. Г. Жаркова. Например, на рис. 2.1 представлены зависимости периода стойкости инструмента от амплитуды автоколебаний при точении [38, стр. 20]. Кривая 1 относится к вибрационному резанию стали 08Х15Н5Д2Т проходным резцом, оснащенным твердым сплавом ВК8. Геометрия режущей части резца: у = 10, а = 10, 7 = 45, (р\ = 15, г = 0,5 мм. Обработка велась при режимах резания: t = 1,5 мм, 5" = 0,2 мм/об, v = 27 м/мин. Эксперименты показали, что максимальный период стойкости наблюдается при амплитуде 15 мкм и частоте 200 Гц. В этом случае вибрационная скорость равна 1,13 м/мин, что составляет 4,2% от скорости резания. Кривая 2 относится к вибрационному резанию стали 12Х18Н9Т таким же резцом. Обработка велась при режимах резания: t = 3 мм, S = 0,2 мм/об, v = 30 м/мин. Эксперименты показали, что максимальный период стойкости наблюдается при таком же уровне колебаний инструмента. Для этого случая вибрационная скорость составит 3,8% от скорости резания.
На рис. 1.1 представлены зависимости периода стойкости инструмента от амплитуды автоколебаний при торцовом фрезеровании стали 1 ЮГ 13Л. Максимальный период стойкости наблюдается при амплитуде 20 - 25 мкм и частоте 260 Гц. В этом случае вибрационная скорость равна 1,96 - 2,45 м/мин, что составляет 3 - 3,8% от скорости резания. Вернемся к рассмотрению вышеописанных экспериментов В. Н. Поду-раева. Для приведенных им режимов колебаний вибрационная скорость равна 13,2 м/мин. При скорости резания 40 м/мин вибрационная скорость составляет от нее 33%, при 80 м/мин - 16,5%, а при 120 м/мин - 11%. Таким образом, оказывается, что чем меньший процент составляет вибрационная скорость, тем больше период стойкости резца. В данном случае можно сделать прогноз, что период стойкости резца увеличится, если попробовать уменьшить амплитуду колебаний хотя бы до 100 мкм. Одновременно с этим должна уменьшиться высота микронеровностей обработанной поверхности. Поэтому критерий подбора параметров колебаний инструмента по соотношению вибрационной скорости к скорости резания является более универсальным.
Остановимся на анализе степени влияния амплитуды и частоты колебаний на период стойкости инструмента. И. Г. Жарков в монографии [38] привел данные экспериментальных зависимостей периодов стойкости инструмента от интенсивности автоколебаний при одновременном изменении амплитуды и частоты. В качестве инструмента использовалась концевая фреза диаметром 40 мм, высотой 13,5 мм; числом зубьев z = 5 и геометрией у= 5, а — 15, со = 20, оснащенная твердым сплавом ВК8. Режимы резания: / = 1 мм, Sz = 0,056 мм/зуб, v = 120 м/мин, обрабатываемый материал - титановый сплав ВТ20. Результаты исследований показывают, что решающее значение на период стойкости инструмента оказывает амплитуда автоколебаний, а частота колебаний в диапазоне 400 — 800 Гц влияет на период стойкости инструмента в 21 раз слабее, чем амплитуда. Проведенные эксперименты при точении сталей ау-стенитного класса 12X18Н9Т и 08Х15Н5Д2Т также показали, что на волнистость и шероховатость обработанной поверхности влияние частоты колебаний в 5 - 10 раз слабее, чем амплитуды. В данном случае обработка велась резцами, оснащенными твердым сплавом ВК8, с геометрией /= 10, а = 12, при режимах резания: / = 4 мм, 5 = 0,15 мм/об, v = 30 м/мин.
Исследование устойчивости вынужденных гармонических колебаний при вибрационном резании
Под устойчивостью понимают следующее свойство движения колебательной системы [142]. Если параметры данной системы получили небольшие возмущения, которые при этом вызвали малые отклонения системы от невозмущенного движения, т. е. возмущенное движение достаточно быстро возвращается в невозмущенное состояние, то данное движение называют устойчивым. В противоположном случае, если малые воздействия вызывают возрастающие отклонения системы от невозмущенного движения, то движение называют неустойчивым. Таким образом, устойчивость есть свойство системы мало отклоняться от невозмущенного движения при малых возмущающих воздействиях.
При разработке установки для вибрационного резания необходимо определить границы области устойчивости, если в колебательной системе возбуждаются только вынужденные колебания или если происходит сочетание вынужденных и самовозбуждающихся колебаний. Резание в области неустойчивых колебаний нежелательно, так как, какая бы ни была совершенная вибрационная установка, теряется возможность управления возбуждаемыми колебаниями. Это приводит к ухудшению качества и точности обработанной поверхности, снижению стойкости инструмента и увеличению вероятности случайной поломки оборудования, что уменьшает его долговечность и ресурс работы. В конечном итоге резание в области неустойчивых колебаний не обеспечивает стабильность технологического процесса. Способность системы регулировать поступление энергии для поддержания автоколебаний зависит от ее индивидуальных динамических особенностей: собственной частоты, формы колебаний и диссипации. Для определения диапазона изменения амплитудно-частотных характеристик вынужденных колебаний и ограничения режимов резания в зоне устойчивости колебательной системы учитывают особенности базового станка, обрабатываемой детали и приспособлений. Между тем отсутствует простая инженерная методика расчета колебательных систем на виброустойчивость. Поэтому в большинстве случаев на практике приходится сильно уменьшать режимы резания, тем самым, снижая производительность обработки.
Перед изучением условий устойчивости колебаний инструмента при работе данной установки, прежде всего, необходимо оценить собственную частоту колебаний обрабатываемой заготовки и сравнить с вынужденной частотой колебаний инструмента. Для этого рассмотрим расчетную схему обрабатываемой заготовки, изображенную на рис. 3.2. Будем считать обрабатываемую заготовку упругой балкой, имеющую одну степень свободы: вертикальные колебания в плоскости чертежа.
Подобным образом определяем, что в случае обработки заготовки диаметром 40 мм и такой же длины, собственная частота составляет 8767 (с"1), а если диаметр 45 мм, то собственная частота равна 9847 (с 1). При обработке заготовок большего диаметра, но аналогичной длины, частота собственных колебаний будет выше. Таким образом, в любом случае частота собственных колебаний значительно больше частоты вынужденных колебаний резца. Следовательно, в проводимых экспериментах резонанса собственной частоты обрабатываемой заготовки с частотой колебаний резца быть не могло.
Поэтому в дальнейшем будем рассматривать колебательную систему, включающую в себя станок, установку для вибрационного резания, резец и заготовку.
Анализ работ [143 ... 145], посвященных исследованию колебаний различных систем, показал, что влияние демпфирования на динамическое поведение колеблющихся систем незначительно и некоторые исследователи им часто пренебрегают. Кроме того, демпфирование играет незначительную роль при установившемся динамическом поведении системы и при действии на нее возмущающей силы в виде периодической функции, когда ее частота не близка к частоте резонанса. Однако при периодическом возмущении с частотой собственных колебаний или близкой к ней демпфирование приобретает первостепенное значение и должно учитываться.
Примем допущение о том, что связь между элементами колебательной системы такова, что для однозначного определения геометрического расположения частей этой системы в пространстве достаточно только одной пространственной координаты, т. е. исследуемая колебательная система имеет одну степень свободы. Для дальнейшего анализа этой колебательной системы с одной степенью свободы введем обобщенную координату q, под которой будем подразумевать размах колебаний вершины резца, равный двойной амплитуде колебаний. В этой системе распределенные параметры заменим эквивалентными коэффициентами жесткости (Q, демпфирования (К) и суммарной массой (М), включающей распределенную массу всей колебательной системы: станка, установки для вибрационного резания, резца и заготовки.
Принципиальная расчетная модель колебательной системы представлена на рис. 3.3. На рассматриваемую замкнутую колебательную систему действуют реакционные силы: инерции Рин, демпфирования Рдемт упругости Рупр и возмущающая - равнодействующая сила резания PR.
Вследствие того, что при вибрационном резании изменяется толщина среза, равнодействующая сила резания Рц также изменяет величину. Причем, В. Н. Подураев в монографии [60] указывает, что сила резания изменяется не прямо пропорционально изменению толщины среза, а значительно медленнее. Поэтому, в общем случае, если вершина резца совершает гармонические колебания, то сила резания описывается не гармонической функцией, а периодической функцией общего вида.
Периодическое решение уравнения (3.8) было впервые получено Ван дер Полем [146]. Способ, примененный Ван дер Полем, может также быть использован для изучения колебаний, которые являются не периодическими функциями времени, а функциями, которые носят характер почти периодических.
Рассмотрим полученное уравнение Ван дер Поля (3.8) в предположении, что коэффициенты при членах, обуславливающих затухание, являются малыми величинами. Амплитуду возмущения и расстройку частоты А = 2-{со-ао0} также примем малыми величинами, т. е. рассмотрим систему вблизи резонанса. Данные допущения правомерны, поскольку они предполагают, что система совершает колебания с частотой возмущающей силы и медленно изменяющимися амплитудой и фазой колебаний, что соответствует реальному поведению системы.
Черновое точение по литейной корке
При резании по литейной корке глубина резания назначалась больше величины неравномерного припуска на заготовке, приводящего к радиальному биению. Вследствие этого во время обработки режущие поверхности резца не режут непосредственно по литейной корке. Поэтому в данной серии проводимых экспериментов глубина резания t изменялась от 0 до 5 мм. Продольная подача принята равной 5 = 0,38 мм/об, а скорость резания v = 25 м/мин.
Зависимость периода стойкости инструмента, оснащенного быстросменной пластиной из твердого сплава ВК8, от амплитуды колебаний при скорости резания 25 м/мин, частотах колебаний 25; 50; 62,5; 100 Гц и при традиционном точении представлена на рис. 4.1. Проведенные эксперименты показали, что наложение вибраций на резец определенной амплитуды и частоты увеличивает его период стойкости на 43 - 57% по сравнению с традиционным точением. Из графиков на рис. 4.1 видно, что зависимость периода стойкости от амплитуды колебаний имеет экстремальный характер. Причем, зона оптимальных амплитуд зависит от частоты колебания инструмента: для частоты 25 Гц период стойкости максимален при амплитуде 150 мкм; для 50 Гц - при 70 мкм; для 62,5 и 100 Гц - при 50 мкм. Таким образом, чем больше частота колебаний, тем меньше величина оптимальной амплитуды. Правомерно предположить, что для частоты 100 Гц амплитуда колебаний 50 мкм не является оптимальной. Однако отсутствует возможность задать колебаниям амплитуду менее 50 мкм в виду особенностей конструкции экспериментальной установки.
На рис. 4.2 представлена зависимость периода стойкости инструмента от вибрационной скорости ve, найденная по формуле (1.2), при скорости резания v = 25 м/мин, которая показала, что для частоты 25 Гц период стойкости максимален при вибрационной скорости 1,413 м/мин; для 50 Гц - при 1,3188 м/мин; для 62,5 Гц — при 1,1775 м/мин и для 100 Гц - при 1,884 м/мин. Таким образом, максимальный период стойкости резца наблюдается, если величина вибрационной скорости составляет 5,65% от скорости резания для частоты колебаний 25 Гц; 5,28% - для 50 Гц; 4,71% - для 62,5 Гц и 7,54% - для 100 Гц.
Зависимость периода стойкости инструмента от вибрационного ускорения (А со2) при скорости резания 25 м/мин представлена на рис. 4.3. Максимальный период стойкости инструмента наблюдается при вибрационном ускорении равном: 0,4g для частоты 25 Гц; 0,7g для 50 Гц; 0,8g для 62,5 Гц и 2g для 100 Гц, где g = 9,81 м/с2 — ускорение свободного падения.
Зависимость периода стойкости инструмента, оснащенного быстросменной пластиной из твердого сплава Т5К10, от амплитуды колебаний при скорости резания 25 м/мин, частотах колебаний 25; 50; 62,5; 100 Гц и при традиционном точении представлена на рис. 4.4. Проведенные эксперименты показали, что наложение вибраций на резец с определенной амплитудой и частотой увеличивает его период стойкости на 31 - 44% по сравнению с традиционным точением. На основании проведенных экспериментов установлено, что период стойкости резца, оснащенного быстросменной пластиной из твердого сплава Т5К10, уменьшился во всем диапазоне колебаний по сравнению с резцом, оснащенным быстросменной пластиной из твердого сплава ВК8.
Зависимость периода стойкости (Г) инструмента, оснащенного быстросменной пластиной из твердого сплава Т5К10, от амплитуды (А) колебаний при скорости резания 25 м/мин: - частота колебания 25 Гц; о — частота колебания 50 Гц; А - частота колебания 62,5 Гц; о - частота колебания 100 Гц; - традиционное точение. результатов характерно то, что максимальный период стойкости инструмента наблюдается при тех же значениях параметров колебаний, что и в предыдущем эксперименте. Вследствие того, что зависимости периода стойкости инструмента от вибрационной скорости и вибрационного ускорения имеют такой же характер, они для данной марки твердого сплава не приводятся.
Обобщая результаты исследований режущих свойств инструментальных материалов при черновом вибрационном точении по литейной корке, можно сделать вывод, что наилучшей работоспособностью обладает твердый сплав ВК8. При вибрационном резании износ инструмента из твердого сплава этой марки в основном протекает по главной задней поверхности. В начале резания на этой поверхности появляется фаска износа. Потом на передней поверхности инструмента начинают образовываться неглубокие риски вытянутой формы вдоль главной режущей кромки. Одновременно происходит износ вершины. Затем из рисок на передней поверхности начинает образовываться и стремительно расти лунка с неровными краями. Когда величина износа по главной задней поверхности достигла 1,0 - 1,2 мм, резание прекращали. Если продолжить резание, то лунка износа выходит на главную и вспомогательную режущие кромки и происходит скол вершины (рис. 4.5, а). В связи с этим качество обработанной поверхности резко ухудшается, стружка начинает краснеть.
