Содержание к диссертации
Введение
1. Современные методы обеспечения высоко эффективного резания труднообрабатываемых материалов 15
1.1. Классификация способов высокоскоростного резания сталей с применением дополнительных потоков энергии 16
1.1.1. Обработка резанием с вибрациями 18
1.1.2. Обработка с дополнительным тепловым воздействием 20
1.1.3 .Плазменный нагрев 21
1.1 АЭлектроконтактный нагрев 24
1.1.5.Лазерный нагрев 25
1.1 .б.Индукционный нагрев 27
1.1.7.Термофрикционный нагрев 29
1.1.8. Высокоскоростная обработка 32
1.1.9. Высокоскоростная обработка с дополнительным тепловым воздействием 37
1.2. Концепция системного подхода к анализу методов высоко эффективной механообработки с дополнительными потоками энергии в зоне резания 39
1.3. Влияние физико-технических подсистем процесса ВСО с дополнительным тепловым воздействием на качество обработки 44
1.4. Сравнительный анализ методов механообработки с дополнительными потоками энергии в зоне резания. Постановка основных задач исследования 48
2. Феноменологическая модель процесса высокоскоростной обработки с дополнительными потоками энергии в зоне резания 52
2.1. Основные направления феноменологической модели системы высокоскоростной обработки с тепловым воздействием 53
2.2. Феноменологическая модель процесса высокоскоростной обработки с дополнительными потоками энергии в зоне резания 59
2.3. Выводы 70
3. Анализ энергосиловой подсистемы процесса высокоскоростного резания с дополнительным тепловым воздействием 72
3.1. Анализ влияния энергосиловых параметров процесса на эффективность обработки 73
3.1.1. Системный подход к анализу влияния энергосиловых араметров на производительность и качество обработки 73
3.1.2. Особенности энергосиловых параметров при обработке с различными видами теплового воздействия 75
3.2. Исследование силовых параметров при обработке с фрикционным нагревом зоны резания 86
3.3. Исследование силовых зависимостей при высокоскоростной обработке с дополнительным тепловым воздействием 94
3.4. Экспериментальные исследования энергосиловых параметров процесса высокоскоростной обработке с фрикционным воздействием 101
3.4.1. Методика исследования и аппаратура 101
3.4.2. Оценка точности полученных результатов 105
3.5. Выводы 107
4. Теплофизический анализ высокоскоростной обработки с дополнительными потоками энергии 110
4.1. Анализ влияния тепловых процессов на эффективность обработки с позиций системного подхода 111
4.1.1 Системный подход к анализу влияния тепловых процессов на производительность и качество комбинированной обработки 111
4.1.2. Теплофизические исследования методов обработки с дополнительным тепловым воздействием 114
4.2. Теплофизическая модель процесса обработки с дополнительным фрикционным воздействием 124
4.2.1.Упрощенная теплофизическая модель обработки с тепловым воздействием 133
4.2.2. Температурное поле в детали и фрикционном диске при обработке с дополнительным тепловым воздействием 136
4.2.3. Оценка влияния конвективного теплообмена на тепловую обстановку инструмента (диска) 142
4.3. Тепловые процессы в условиях высокоскоростной обработки 149
4.3.1. Анализ методов высокоскоростной обработки 149
4.4. Обобщенная теплофизическая модель процесса высокоскоростной обработки с дополнительным фрикционным воздействием 154
4.4.1. Упрощенная теплофизическая модель высокоскоростной обработки с тепловым воздействием 166
4.4.2. Температурные поля в детали и инструменте при высокоскоростной обработке 168
4.5. Экспериментальные исследования тепловых процессов элементов технологической системы при высокоскоростной обработке с фрикционным подогревом 174
4.5.1. Оценка точности результатов экспериментов 182
4.6. Выводы 185
5. Анализ динамических характеристик элементов технологической системы при высокоскоростной обработке с дополнительными потоками энергии 189
5.1. Системный подход к анализу влияния колебательных процессов на эффективность ВСО с дополнительными потоками энергии 190
5.2. Динамические характеристики инструмента при высокоскоростной обработке с фрикционным нагревом зоны резания 194
5.3. Экспериментальные исследования динамических характеристик элементов технологической системы при обработке с тепловым воздействием 216
5.3.3. Экспериментальное определение декремента собственных колебаний системы «шпиндель-диск» 223
5.4. Выводы 227
6. Стойкость режущего инструмента при высокоскоростной обработке с дополнительными потоками энергии в зоне резания 229
6.1. Системный подход к вопросу обеспечения стойкости режущего инструмента при высокоскоростной обработке с дополнительным тепловым воздействием в зоне резания 230
6. 2. Основные факторы, влияющие на разрушение режущего инструмента 233
6.2.1. Влияние силового фактора на изнашивание режущего инструмента 233
6.2.2. Влияние теплового фактора на стойкость реж. инструмента 235
6.2.3. Влияние колебаний на стойкость инструмента 242
6.3. Современные подходы к процессу изнашивания режущего инструмента 246
6.3.1. Термофлуктуационный подход 246
6.3.2. Структурно-энергетический подход к процессу изнашивания режущего инструмента 247
6.4.Особенности изнашивания режущего инструмента в условиях обработки с дополнительными потоками энергии в зоне резания. 253
6.5.Особенности изнашивания инструмента при высокоскоростной обработке с фрикционным нагревом зоны резания 265
6.6 .Экспериментальные исследования стойкости режущего инструмента при высокоскоростной обработке с тепловым воздействием 269
6.7. Выводы 277
7. Качество поверхностного слоя при высокоскоростной обработке с дополнительными потоками энергии 278
7.1. Системный подход к обеспечению качества поверхности деталей 279
7.2. Особенности формирования качества поверхности после обработки с дополнительными потоками энергии 282
7.3. Качество поверхности при высокоскоростной обработке с тепловым воздействием 295
7.3.1. Формирование шероховатости поверхности при высокоскоростном лезвийном резании с тепловым воздействием 296
7.3.2. Исследование структуры и микротвердости поверхности после высокоскоростной обработки с тепловым воздействием 313
7.4. Выводы 317
8. Оптимизация процесса высокоскоростной обработки с тепловым воздействием 319
8.1. Критерии оптимизации 319
8.1.1. Особенности описания ограничений при высокоскоростной обработке с тепловым воздействием 321
8.2. Особенности обработки жаропрочных сплавов 323
8.2.1. Режимы резания при обработке жаропрочных сплавов 323
8.2.2. Оптимизация режимов резания при обработке жаропрочных сплавов 329
8.3. Особенности обработки коррозионностойких сталей и сплавов 334
8.3.1. Режимы резания при обработке коррозионностойких сталей и сплавов 334
8.3.2. Оптимальные режимы резания при обработке коррозионностойких сталей и сплавов 340
8.4. Практические рекомендации по применению метода высокоскоростной обработки с дополнительным тепловым воздействием на производстве 344
8.5. Выводы 346
Заключение 347
Список литературы 349
Приложения 370
- Концепция системного подхода к анализу методов высоко эффективной механообработки с дополнительными потоками энергии в зоне резания
- Исследование силовых параметров при обработке с фрикционным нагревом зоны резания
- Теплофизическая модель процесса обработки с дополнительным фрикционным воздействием
- Динамические характеристики инструмента при высокоскоростной обработке с фрикционным нагревом зоны резания
Введение к работе
Рост научно-технического прогресса неразрывно связан с развитием ведущих отраслей машиностроения - авиационной, ракетной, космической, электронной и атомной техники, энергетического и химического машиностроения, где интенсивно используются трудно обрабатываемые материалы со специальными физико-химическими свойствами. Обработка этих материалов имеет свои характерные особенности, качественно отличающие ее от механообработки конструкционных материалов. Согласно исследованиям Д.Г.Евсеева, А.С.Верещаки, Е.У.Зарубицкого,
Ю.Г.Кабалдина, Л.В.Окорокова, В.Н.Подураева, Н.И.Резникова, А.Н.Резникова, Н.Н.Рыкалина, С.С.Силина, Н.В.Талантова, М.В.Шатерина и др. основные проблемы при резании жаропрочных и нержавеющих сталей определяются следующими факторами:
-высоким упрочнением материала в процессе деформации резанием, ввиду специфических особенностей строения кристаллической решетки;
-низкой теплопроводностью обрабатываемого материала, приводящей к повышенной температуре в зоне контакта и к активизации адгезионных и диффузионных явлений;
-способностью сохранять исходную прочность и твердость при повышенных температурах, что приводит к высоким удельным нагрузкам на поверхностях контакта детали с режущим инструментом (РИ);
-большой истирающей способностью жаропрочных и нержавеющих сталей, обусловленной наличием второй фазы (кроме твердого раствора) образующей интерметаллидные включения;
-пониженной виброустойчивостью движения резания, вызванной повышенной упрочняемостью нержавеющих и жаропрочных материалов при неравномерности протекания процесса их пластического деформирования;
-невысоким качеством поверхности из-за повышенной пластичности труднообрабатываемых материалов;
-значительной разнозернистостью и неравномерностью плохо деформируемых зон, приводящей к резкому возрастанию сил резания, температур и к быстрому разрушению режущей части инструмента. Принимая во внимание основные проблемы, возникающие при резании жаропрочных и нержавеющих сталей наиболее важными факторами, определяющими возможность высокоэффективной обработки резанием высокопрочных, жаропрочных и других труднообрабатываемых материалов являются:
- обеспечение возможно большей прочности режущей кромки; минимизация энергосиловых параметров;
- создание высокой жесткости и виброустойчивости элементов технологической системы (ТС);
- управление тепловыми потоками в зоне резания для обеспечения заданного качества поверхности.
Развитие новых отраслей науки и техники, а также освоение новых конструкций машин и механизмов находятся в прямой зависимости от развития методов высокопроизводительной обработки высокопрочных сталей, жаропрочных, нержавеющих и других материалов с особыми физико-химическими свойствами. Многолетняя практика показывает, что в современном производстве не существует универсальных методов обработки, в равной мере эффективных для обработки материалов всех видов. Каждый метод (обычное резание, вибрационное, обработка с предварительным нагревом и др.) имеет свою конкретную область рационального применения. Выбор метода обработки обусловлен, с одной стороны требованиями, предъявляемыми к форме, точности и качеству поверхности, и с другой - достигаемой экономической эффективностью обработки и производительностью процесса.
Наибольшей эффективностью при резании труднообрабатываемых материалов, как показали работы Е.У.Зарубицкого, Ю.Г.Кабалдина, Л.В.Окорокова, В.Н.Подураева, Н.И.Резникова, А.Н.Резникова, Н.Н.Рыкалина, Н.В.Талантова, М.В.Шатерина и др. ученых, обладают методы, сочетающие механическое и тепловое воздействие, позволяющие облегчить процесс стружкообразования и повысить производительность обработки. Их применение, вместе со значительным ростом производительности, позволяет обеспечивать качество поверхности деталей, соответствующее, в основном, черновым и получистовым операциям, так как дополнительное тепловое воздействие вызывает образование деформированной структуры, растягивающих остаточных напряжений, их неравномерное распределение в поверхностном слое и т.д. Устранение указанных недостатков возможно с введением дополнительной операции по удалению дефектного слоя и улучшению макро- и микрогеометрических параметров качества поверхности детали.
Чистовую обработку труднообрабатываемых материалов обычно производят инструментом из сверхтвердых материалов (СТМ) на малых скоростях резания 10...25 м/мин из-за интенсивного износа РИ, вызванного активизацией тепловых процессов. Высокие температуры, сопровождающие обработку труднообрабатываемых материалов, вызваны низким коэффициентом теплопроводности. По этой же причине материалы данной группы не обрабатываются шлифованием. Исключение составляют алмазно-эльборовые круги, представляющие собой дорогостоящий инструмент, не обладающий высокой производительностью. В этой связи существует необходимость разработки более производительного способа, обеспечивающего приемлемую стойкость режущего инструмента при невысокой себестоимости и сложности его изготовления. К перспективным направлениям развития методов чистовой и отделочной обработки относят высокоскоростное резание (ВСР), обеспечивающее качество поверхности, сопоставимое с качеством, получаемым после шлифования, но значительно выигрывающее по производительности. Несмотря на указанные достоинства, высокоскоростная обработка предполагает использование специальных инструментальных материалов, высокоскоростного оборудования, реализующего скорости резания 104-105 м/мин и тщательную балансировку вращающихся элементов станочной системы. Для наилучшего понимания физической сущности процесса и управления формообразованием поверхности необходимо проведение комплексных исследований.
Наиболее полно отвечает требованиям новый метод обработки труднообрабатываемых материалов, сочетающий высокоскоростное резание с тепловым воздействием, позволяющий обрабатывать жаропрочные, высокопрочные, коррозионностойкие стали и сплавы на форсированных режимах резания. В основу исследований положена ВСО (аналогичная схеме торцевого фрезерования) с предварительным нагревом поверхности (силами трения), однако без потери общности указанный метод может быть реализован с использованием различных способов нагрева поверхности детали. Применение нового метода обеспечивает высокую производительность (в 2...5 раз выше, чем при обычном резании), качество поверхности деталей (Rz 5...7 мкм), обеспечивает длительную стойкость Ф режущего инструмента.
Концепция системного подхода к анализу методов высоко эффективной механообработки с дополнительными потоками энергии в зоне резания
Для определения условий высокой эффективности обработки резанием труднообрабатываемых материалов целесообразным является применение системного подхода как методологической основы, позволяющей рационально формулировать, структурировать и решать проблемы, возникающие при обработке. Используются фундаментальные понятия (система, модель, уровень, функциональная связь и др.) и специфические (иерархия, декомпозиция, синтез, анализ и др.). К арсеналу методов относятся формализованные (математические, оптимизации и др.), направленные на формализацию (экспериментальные исследования, построение моделей и др.), не формализуемые (формулировки целей, проблем, определение критериев оценки и т.д.).
Отличительными признаками системного подхода являются: формулировка цели, декомпозиция (многоуровневая), установление связей и зависимостей между декомпозированными фрагментами, анализ и последующий синтез фрагментов (агрегирование), направленные на достижение поставленных целей. В отношении к системе - процессу резания труднообрабатываемых материалов с дополнительными потоками энергии в зоне резания, системный подход к повышению эффективности вышеназванных методов обработки, означает выбор альтернативных решений между конструктивными разработками (отдельных узлов, инструментов, оснастки), технологическими возможностями и стоимостью установок, гибкостью и производительностью. В качестве целевой функции выступает производительность (при заданном качестве поверхности), которой подчинены все остальные характеристики и показатели процесса [171,174].
С позиций системного подхода процесс обработки с дополнительными потоками энергии, следует отнести к сложным системам, определяемым такими основными характеристиками как:- многосвязность (с разнообразными формами связи между собой элементов системы);- многокритериальность (наличие нескольких критериев оценки); ф - разнообразие природы элементов, составляющих систему;- сложность процессов, реализуемых подсистемами.
Процесс резания труднообрабатываемых материалов с дополнительными.. потоками энергии в зоне резания, может быть представлен иерархической( структурой из совокупности взаимодействующих подсистем различногоуровня, объединенных общей целью - повышения производительности
Н обработки деталей при заданном качестве поверхности (рис. 1.9). Каждая изподсистем процесса призвана выполнять собственную задачу, обеспечивая вконечном итоге решение поставленной цели.
По физико-техническому признаку на первом уровне выделяются три подсистемы:-теплофизическая, рассматривающая вопросы связанные с тепловыми процессами и явлениями, сопровождающими обработку;-энергосиловая, рассматривающая вопросы мощности процесса и количества теплоты, выделившегося при обработке, значения составляющих силы резания, нормальных сил, трения, угла наклона плоскости сдвига и других характеристик определяющих энергоемкость процесса;-динамическая, рассматривающая колебательные процессы системы, Ф влияющие на производительность и качество обработки.
Второй уровень декомпозиции является детализацией первого, в"У - частности, в составе теплофизической подсистемы выделяются элементы:диск, деталь, лезвийный инструмент, стружка на которые оказываетсятепловое воздействие. -- - Третий уровень подсистемы представляется дискретизацией процессав виде отдельных поверхностей элементов с конкретными граничными условиями. Далее следуют функциональные связи, описывающие взаимное влияние подсистем друг на друга и, соответственно, на показатели производительности и качества в целом.
На различных этапах исследования процессов обработки труднообрабатываемых материалов с дополнительными потоками энергии в зоне резания, возникают задачи, связанные с построением математических моделей, описывающих реальные процессы сложной технической системы (СТС) или ее составляющих (рис. 1.10).
При расчетах характеристик физико-технических подсистем исследуемого процесса и их оценке, используют детерминированные и стохастические, непрерывные и дискретные, статические и динамические, аналитические, имитационные, комбинированные и ряд других математических моделей [167]. Их содержание и форма определяются целями исследований и информационным обеспечением известных сторон процесса. При построении моделей, возникает необходимость описания процесса с достаточной точностью и простотой формы. Проверка на адекватность математических моделей способствует более глубокому изучению задач исследуемого процесса и повышению эффективности мероприятий, направленных на его совершенствование. Анализ экспериментальных исследований показал, что наиболее часто применяют точечные или полные, контактные или бесконтактные, статические или динамические методы измерений, подтверждающие истинность теоретических разработок.
Контактные методы используются более широко, но иногда возникают проблемы в связи с недоступностью зоны объекта, к которым можно отнести зону резания, колебания шпинделя в процессе резания и т.д. Поэтому более универсальными, точными и результативными являются бесконтактные способы измерений при наличии соответствующей аппаратуры.
Полные модели исследований также являются наиболее предпочтительными по отношению к точечным, так как последние позволяют выявить теплофизические, динамические и др. характеристики в характерных точках, что затрудняет анализ полученных результатов и снижает их достоверность.
Таким образом, системный подход к методам высокоскоростной обработки с дополнительными потоками энергии в зоне резания, позволяет не только более полно представить взаимосвязь различных направлений решения проблемы, но и выявить пути совместного решения ряда задач и определить условия достижения наибольшего эффекта при комбинировании различных энергий.
Исследование силовых параметров при обработке с фрикционным нагревом зоны резания
Теоретический метод определения энергосиловых параметров при обработке с ФН разработан с учетом изменения свойств обрабатываемого материала, коэффициентов трения, угла наклона плоскости сдвига и др. факторов с увеличением температуры в зоне резания и позволяет получать, с достаточной точностью, значения составляющих силы резания. Задаваясь условием обеспечения конкретной, например, оптимальной температуры можно за счет регулирования режимов обработки управлять энергосиловыми параметрами процесса (мощность, силы резания).
В основу созданной математической модели положен закон наименьшего сопротивления, открытый в 1865 ученым Треска [192], согласно которому, в случае возможного перемещения точек деформируемого тела в различных направлениях, каждая точка деформируемого тела перемещается в направлении наименьшего сопротивления. Этот закон в 1893 был адаптирован к условиям резания (по схеме простого сдвига) Зворыкиным. Его основной смысл сводился к следующему: при любых условиях обработки величина сдвига устанавливается такой, при которой расход энергии на процесс стружкообразование или сила R (что при постоянной скорости соответствует V=const) будут минимальными. Эти законы получили свое дальнейшее развитие в работах [52,64,68,69].
При создании теоретической модели разработана схема составляющих силы резания Р, действующих в зоне резания (рис.3.4.)рассматриваться как по отношению к детали, так и по отношению к инструменту в зависимости от чего направления составляющих силы резания Рх, Ру, Pz будут изменяться на противоположные.
Согласно разработанной схеме, тангенциальная составляющая силы резания Pz представляет собой сумму двух сил F2 и F3, действующих в процессе трения боковой поверхности диска о стружку и задней поверхности о деталь:
Составляющая Рх включает силу трения Fi, действующую на площадке Осевая составляющая представлена соотношением
Силы трения, действующие на передней и задней поверхностях инструмента, выразим через нормальные составляющие:где Ці - коэффициент трения на контактной площадке инструмента состружкой; Ц2 - коэффициент трения на контактной площадке инструмента сдеталью.
Установлены допущения, накладываемые на силовую модель: 1. Процесс стружкообразования в плоскости сдвига осуществляет сила Rp, которая определяется из выражения:где а - толщина среза, мм; b - ширина среза, мм; тр - сопротивление пластическому сдвигу, Н/мм; \/ - угол между направлением равнодействующей R и направлением силы Rp.
Сопротивление пластическому сдвигу тр зависит от температуры предварительного нагрева материалов в области плоскости сдвига. В результате математической обработки данных, приведенных в справочной литературе [22], получена обобщенная формула для расчета механических характеристик в зависимости от температуры нагрева:где То - максимальное значение сопротивления пластическому сдвигу,соответствующее температуре 20С; 0 - температура нагреваобрабатываемого материала, С; 0О - значение температуры, соответствующее максимальному значению сопротивления пластическому сдвигу т0 , С; к - коэффициент, учитывающий влияние температуры предварительного нагрева на прочностные свойства заготовки; р - показатель степени. Для конкретной марки стали значения рик определяются на основе зависимости a = f(0) [22]; А0 - среднеквадратичное отклонение температуры.
В результате моделирования зависимости (3.31) получены значения параметров k, р для некоторых марок сталей и сплавов, которые приведены в таблице 3.3.2. Касательные напряжения сдвига т равномерно распределены вдоль всей плоскости сдвига.3. Максимальные касательные напряжения ттах располагаются подуглом 45 к направлению действующей силы. Поэтому между направлениемравнодействующей сил Ру и Рх и плоскостью сдвига в первом приближениипринимаем значение угла vj/ = 45 [211].4. Коэффициенты трения фрикционного диска, в условиях контакта сзаготовкой по боковой и торцевой поверхностям, неодинаковы. Эт связанос температурным режимом в зонах контакта фрикционного диска со стружкой и деталью, где создаются различные тепловые условия. В зоне контакта со стружкой температура разогрева достигает значений 0 1ОООС, в то время как в зоне контакта с деталью температура значительно меньше [12-14,35,38,39]. Коэффициент трения зависит от температуры, поэтому принимаем fii JJ.2 5. Сила Pz производит нагрев снимаемого припуска, а его удаление в виде стружки по плоскости сдвига осуществляют силы резания Рх, Ру. В основном стружка удаляется в виде широкой тонкой ленты, равной по ширине обрабатываемой заготовке в направлении продольной подачи.
В основе метода определения составляющих силы резания, как показано во второй главе, лежит способность системы к саморегулированию процесса обработки с ФН в направлении минимизации энергетических затрат [68,69,192]. Алгоритм расчета сил представлен на рис. 3.5.
На первом этапе расчета производится перебор входных параметров (V, S, Р, п.], JU2, Ni, N2, N3) и отбор тех вариантов, которые при различных сочетаниях параметров процесса обеспечивают заданное значение
Теплофизическая модель процесса обработки с дополнительным фрикционным воздействием
Сущность способа обработки с ФН состоит:1) в подводе в зону резания дополнительной энергии, возникающей в результате увеличения мощности трения диска о заготовку;2) в облегчении резания и сохранении стойкости инструмента из-за форсирования условий максимального нагрева заготовки при минимальном нагреве диска.Достигается это выбором низкого коэффициента взаимного перекрытия детали и диска кь [35,36]:
При создании теплофизической модели фрикционной обработкипринята следующая схематизация: деталь представлена в видеполупространства, по которому движется в направлении подачи,бесконечный полосовой источник с равномерно распределеннойинтенсивностью тепловыделения (q=const), причем контакт поцилиндрической образующей заменим плоским. Инструмент (фрикционный диск) представлен полупространством, на торцевой поверхности которого действует неподвижный, неограниченный полосовой источник с равномерно распределенной интенсивностью Цгф.
Первая зона контакта представляет собой участок между стружкой и передней поверхностью инструмента с граничными условиями второго рода [201-205]: постоянный тепловой поток в зоне контакта и нулевой поток вне зоны контакта. При установившемся теплообмене температуры в инструменте определятся выражением для полосового источника, непрерывно действующего на поверхности полупространства (рис.4.6), т.е. на боковой стороне фрикционного диска:
Стружку представим в виде бесконечной пластины, по поверхности которой движется со скоростью подачи плоский тепловой источник с равномерно распределенной интенсивностью q]c:Км- коэффициент приведения формы [202,203]; qic - плотность тепловыделения источника, действующего на стружке, Вт/м ; Vi - скорость перемещения стружки, м/с, определяемая выражением Vi=V/kc; kc -коэффициент усадки стружки; К0 - модифицированная функция Бесселя второго рода нулевого порядка [246]; у, z - координаты исследуемой точки, м; со - коэффициент температуропроводности материала, м2/с; X -коэффициент теплопроводности материала, Вт/м С.
Выражение (4.32) можно упростить, если произвести замену переменных:может быть вычислено по таблицам [213]. Вторую зону контакта задней поверхности диска с деталью будем считать участком, через который в обрабатываемую деталь поступает тепловой поток с равномерно распределенной плотностью тепловыделения, поэтому на обрабатываемой поверхности заданы граничные условия второго рода [202]. В условиях установившегося теплообмена температура от действия источника шириной 2h (рис.4.7.), движущегося в полубесконечной теплопроводящей среде описывается выражением [213]: где q2c - плотность тепловыделения источника, действующего на поверхности детали Вт/м ; V - скорость перемещения источника, м/с; Ко модифицированная функция Бесселя второго рода нулевого порядка [246]; х, z - координаты исследуемой точки, м; со коэффициент температуропроводности материала детали, м2/с; X - коэффициент теплопроводности материала детали, Вт/м С. zH = 0; Ц2ф - плотность тепловыделения источника, действующего на торцевой поверхности диска Вт/м ; z - координата исследуемой точки, м; С0ф -коэффициент температуропроводности материала диска, м /с; А,ф -коэффициент теплопроводности материала диска, Вт/мС; т - время действия источника, с. Третья зона контакта включает источник, действующий в районе плоскости сдвига, который по отношению к стружке схематизирован как наклонный, движущийся внутри пластины со скоростью V] и равномерно распределенной интенсивностью Цд (рис.4.8). На основании формулы [213] с учетом корректировки граничных условий, получено выражение: По отношению к детали источник, действующий на плоскости сдвига, схематизирован как наклонный источник, движущийся по полупространству со скоростью V с равномерно распределенной интенсивностью Цд (рис.4.8). Температурное поле от действия источника описывается формулой: Определить значения интенсивностей потоков тепловыделения можно, решив задачу баланса теплоты. Для этого составим систему уравнений: (4.41) где Pz - тангенциальная составляющая силы резания; V - скорость резания; Wc, WH, W,j - соответственно мощность тепловыделения в стружке, детали, фрикционном диске; Wfl - мощность тепловыделения в результате деформации; W , W - тепловая мощность источников возникающих на передней и задней поверхности РИ, как результат трения; b - коэффициент,
Динамические характеристики инструмента при высокоскоростной обработке с фрикционным нагревом зоны резания
Основные разновидности колебаний возникающих при обработке с дополнительным фрикционным нагревом: крутильные колебания оправки с диском; тангенциальные колебания диска (крутильные); радиальные колебания диска; изгибные колебания диска [47-53,128,136,137,155,156,159, 163,173].
Для исследования динамики инструмента примем основные допущения: диск представляет собой тело вращения, плоскость симметрии которого, перпендикулярна оси вращения (срединная плоскость); наклон боковых поверхностей диска к срединной плоскости не учитывается; толщина диска мала по сравнению с его диаметром B/D (20:500)=0,04; инструмент с оправкой представляет собой крутильную одномассовую систему.
Исходя из вышеуказанных допущений, диск может совершать три типа колебаний:1) Плоские колебания в радиальном и тангенциальном направлениях. Они характеризуются тем, что любая точка срединной плоскости совершает плоские (радиальные и тангенциальные) колебания.2) Изгибные колебания диска, которые характеризуются пространственной картиной деформаций и перемещений точек срединной плоскости по перпендикуляру к последней.3) Крутильные колебания оправки, на которую установлен инструмент, возникающие в результате прерывистого лезвийного резания.
Важным конструктивным параметром фрикционного диска (рис.5.3) является отношение высоты к диаметру, выражаемое зависимостью [35]:
Анализ полученной зависимости показывает, что значительная высота диска обеспечивает высокую изгибную жесткость, а существенный вес диска делает колебательную систему «шпиндель-диск» высокоинерционной, слабо реагирующей на ударные нагрузки, обладающей устойчивостью при активизации крутильных колебаний. Масса диска составляет 50-70 кг, что вызывает трудности при смене инструмента на станке, требует значительного расхода материала при его изготовлении и модернизации шпиндельного узла. При разработке новой более легкой конструкции диска наблюдается изменение динамических характеристик инструмента, что вызывает необходимость проведения дополнительных динамических исследований.
Рассмотрим влияние различных колебаний на процесс ВСО с фрикционным нагревом поверхности заготовки.
Крутильные колебания возникают в процессе прерывистого резания с частотойгде f-частота вынужденных колебаний; п0 - число оборотов шпинделя; z -число режущих лезвий.
При воздействии на одномассовую систему периодического возмущающего момента M=Mosincot и силы трения дифференциальное уравнение движения с учетом сопротивления и вынужденных колебаний имеет вид [111]:где 2h =/J - коэффициент пропорциональности; J - момент инерции диска; р - собственная частота крутильных колебаний диска; \ - постоянная демпфирования.
Общее решение уравнения крутильных колебаний системы [111]где s - угол сдвига.Процесс прерывистого резания всегда сопровождается интенсивными крутильными колебаниями. При обработке с тепловым воздействием наружная поверхность фрикционного диска на глубине чернового резания по всей ширине заготовки находится в условиях упругопластического контакта. Величина составляющей резания Ру, обеспечивает прижим заготовки к поверхности фрикционного диска и имеет максимальную величину из всех составляющих силы резания. В результате силового нагружения уровень крутильных колебаний системы значительно снижается, обеспечивая резание с минимальным уровнем вибраций.
Проверка разработанной гипотезы проводилась экспериментально. В колебательной системе «шпиндель-диск» без резания импульсной нагрузкой (тестовое воздействие) возбуждались свободные затухающие колебания. Для их регистрации использовался измерительный комплекс, включающий прибор ВШВ-003, укомплектованный пъезодатчиком ДН-3, электронный осциллограф С1-70 и ПЭВМ. Крепление датчика на магнитной опорепроизводилось таким образом, чтобы он воспринимал только крутильные колебания. Обработка сигнала виброускорений производилась на компьютере для дальнейшего корреляционного и спектрального анализа. Численное значение декремента колебательной системы составило =0,64.
Для определения демпфирующих свойств системы «шпиндель-диск» производилась обработка резанием заготовок из различных материалов, установленных на столе горизонтально-фрезерного станка мод. 6Г81. Исследовался диапазон частот до 1.. .4000 Гц.
Принимая за основу синусоидальный характер колебательного процесса, величина амплитуды А колебаний на частоте со определялась по формуле:
