CC BY
108
УДК 621.9
ДИНАМИКА ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ПРИ ВАРИАЦИИ ПЕРЕДНЕГО УГЛА РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
Г.В. Шадский, В.С. Сальников, О. А. Ерзин
Рассмотрены вопросы влияния переднего угла режущего инструмента на силы резания. Для повышения эффективности процесса резания предложено использовать самонастраивающеюся систему позволяющую, стабилизировать условия резания путем управления кинематическим передним углом в соответствии с направлением равнодействующей силы резания.
Ключевые слова: интенсификация процесса резания, процесс разрушения, упру-гопластическое деформирование, управление процессом, пространственно-временное согласование.
Уменьшение переднего угла увеличивает коэффициент усадки стружки и работу стружкообразования. Это приводит к увеличению всех составляющих силы резания. Однако влияние переднего угла резца на силы Р2, Ру и Рх неодинаково [2,4,5,11,12]. Уменьшение положительного и
увеличение отрицательного угла у наиболее сильно сказывается на росте осевой силы. Радиальная и окружная силы возрастают в меньшей степени (рис. 1).
FZ.Fy.FX, кгс_
Рх/ /
/ > К
к
У"
Рис. 1 Силовые характеристики процесса резания при точении детали из стали 40 (/=60°; 1=4 мм; 8=0,285 мм/об; у=40 м/мин)
Экспериментальные данные о влиянии угла действия на угол сдвига получены при свободном резании стали 20Х со скоростью 0,7 м/мин при постоянном переднем угле 20° (рис. 2) [4,5,7]. Изменение угла действия
574
обеспечивалось применением различных смазывающих жидкостей и изменением шероховатости передней поверхности инструмента. При этом изменялся коэффициент трения ^ стружки с передней поверхностью инструмента и угол трения р, которые связаны зависимостью т = tgp. Поскольку в данном случае передний угол оставался постоянным, то зависимость 0(ю) характеризует «чистое» влияние угла действия.
Физический смысл влияния угла действия на процесс стружкообра-зования заключается в том, что его изменение характеризует изменение напряженного, а, следовательно, и деформированного состояния зоны стружкообразования.
0°
с.
®(7)у
©(со)
о ^ с о 5
У°
1-1-1-1-1 т°
-10 0 10 20 ^
Рис. 2. Положение плоскости сдвига (ю=0°) и влияние угла действия на угол сдвига (у=20°) при свободном резании стали 20Х
Если угол действия увеличивается, то это означает, что вектор силы стружкообразования повертывается против часовой стрелки. В том же направлении поворачиваются оси главных напряжений и вся картина напряженного и деформированного состояния. Соответственно повертывается условная плоскость сдвига и уменьшается угол сдвига 0. В результате увеличиваются деформация обрабатываемого материала, усадка стружки, сила резания и т. д.
Изменение угла действия можно было осуществить также путем варьирования переднего угла. Но в этом случае на угол сдвига сразу влияло бы два фактора - угол действия и передний угол. Иначе говоря, передний угол влиял бы на процесс стружкообразования двумя путями: косвенно (через угол действия) и непосредственно.
575
0
Чтобы экспериментально выявить непосредственное влияние переднего угла на процесс стружкообразования, необходимо при изменении переднего угла обеспечивать постоянство угла действия подбором соответствующего коэффициента трения на передней поверхности инструмента.
Результаты таких экспериментов при постоянном угле действия ю=0 свидетельствуют о том, что непосредственное влияние переднего угла на угол сдвига велико, хотя и не столь значительно, как влияние угла действия.
С увеличением переднего угла возрастает угол сдвига и соответственно уменьшается деформация обрабатываемого материала в зоне струж-кообразования.
Физический смысл непосредственного влияния переднего угла на процесс стружкообразования заключается в следующем: передний угол определяет направление схода стружки. Чем больше передний угол, тем меньше угол между векторами скорости резания и скорости стружки, т.е. тем меньше изменяется направление движения обрабатываемого материала при его превращении в стружку. Так как направление движения обрабатываемого материала изменяется в результате сдвигов в зоне стружкообра-зования, то при увеличении переднего угла деформация в зоне стружкообразования уменьшается.
Схема сил, действующих на элемент стружки и резец, показана на
рис. 3.
у
Рис. 3. Схема сил, действующих на элемент стружки и резец
Проецируя все силы на направления Р2 и Ру, из условия равнове-
сия получим [1, 11]
Pz = Nn - (sin8 + m-cos8) + Ns; (1)
Py = Nn - (m - sin 8 - cos 8) + m - ^, (2)
откуда
Nn = pz-m■ Nз , (3)
sin 8 + m- cos 8
где Pz - сила, перемещающая резец; Nn и N¿ - нормальные силы на передней и задней гранях резца; Fn и - силы трения на передней и задней гранях резца.
Известно, что сила Nn частью отворачивает стружку, сила же Fn = m - Nn ее осаживает, и обе силы в совокупности производят сдвиг вдоль плоскости скалывания AM под углом скалывания 0 к направлению движения резца.
Принято считать [1,4,5], что сдвигу элемента стружки препятствует также нормальная к плоскости скалывания сила N , вызывающая силу трения Fg = ml - N, где ml - коэффициент внутреннего трения обрабатываемого металла.
Очевидно, скалывание произойдет там, где сопротивление сдвигу будет наименьшим, а значит, и при наименьшем значении Pz. Это возможно при угле скалывания 0 , соответствующем наибольшему значению знаменателя. Приравнивая производную знаменателя по 0 нулю, находим
0=90°- (Р±а±8), (4)
где 8 - угол резания (8 = 90° -g); р - угол трения стружки по резцу; р1 -угол внутреннего трения.
Резание металлов представляет собой процесс деформации сжатием и сдвигом снимаемого слоя металла при наличии элементов течения в стружке [1,4,5]. Из уравнения (4) следуют выводы: угол сдвига 0 уменьшается и, следовательно, усадка стружки, сопротивление резанию увеличиваются с возрастанием угла резания 8 (или с уменьшением переднего угла g), возрастанием углов трения р и р1 .
На рис. 4 представлен план сил. Равнодействующая сила
r = рсдв = sсдв •a - b (5)
cos(Q + р - g) cos(Q + р - g) - sin 0'
где Рсдв - сила сдвига; осдв - напряжение сдвига; a и b - толщина и ширина среза.
Значительно сложнее определяется угол трения и коэффициент трения m. Обычный метод экспериментального определения величины m с помощью графика зависимости Pz и Py от толщины среза a и экстрапо-
лирования значений Р2 и Ру на нулевую величину а сложен и не всегда
дает надежные результаты. Поэтому его приближенное значение иногда рассчитывают по формуле (4), если принять р\ = 0. Тогда получим
р = 90°-(2-0-7), т = ^р = с^(2-0-7). (6)
Ру
Рис. 4. План составляющих сил резания
Для представления полной динамической картины процесса резания необходима устойчивая периодическая последовательность поэлементного разрушения удаляемого с заготовки слоя металла, это достигается снятием результатов скоростной съемки [6,7,8,7,10] и подтверждено данными осциллографирования [3,7] при разных условиях резания металлов. Вышесказанное представлено на схеме элементообразования стружки (рис. 5). Эти данные позволяют предложить иное описание динамики стружкообразования, а именно последовательное разделение элементов стружки на три фазы [2].
1 2 3
А!' ОУ}
1 2 3
а
Рис. 5. Динамическая картина процесса резания с удалением с заготовки слоя металла (начало, см. также с. 579)
в
Рис. 5. Динамическая картина процесса резания с удалением с заготовки слоя металла (окончание)
Первая фаза (рис. 5, (1-1)) соответствует упругому предельному деформированию элемента стружки, внешний контур фазы ограничивается дугой А1А. Главная составляющая Р2 силы резания Я достигает максимального значения за время ^ упругого нагружения, которая в свою очередь зависит от скорости V резания. В этой фазе достигнуты минимальные значения таких характеристик, как угол с действия силы резания и радиальная составляющая Ру силы резания, что касается скоростных характеристик, то скорость стружки Ус по отношению к передней грани режущего клина приближенно равна нулю.
Вторая фаза (рис. 5, (2-2)) обусловлена сдвигом образовавшегося элемента стружки на линии А1'А1 , а так же перемещением его по передней грани режущего клина. Во второй фазе наблюдается превышение скорости стружки по отношению к скорости резания на величину скорости упругого разгружения металла образовавшегося элемента стружки. За время 1р разгружения в этой фазе начинается формирование нового элемента стружки из металла клина, который находится под линией сдвига А1'А1. Соотношение сил показано на рис. 2.
Третья фаза (рис. 5, (3-3)) представлен частью периода 1 э , образования элемента, в этой фазе протекает упругопластическое формирование элемента стружки от состояния второй фазы к элементам стружки фазы 1-1.
За время образования стружки, силы, существующие в зоне резания подвержены циклическим изменениям, характеристика которых заключается в следующем. Составляющие силы резания (рис. 5, а) имеют постоянное направление своего действия. Фазы роста и падения составляющих взаимопротивоположны. Колебания главной составляющей не превышают половины ее максимального значения [3,7]. Циклические изменения угла ю (рис. 5, б) возможны в том случае, когда постоянны передние углы у режущих клиньев [3,7], что находит свое отражение в изменении условий трения при образовании элементов стружки. Последнее поясняется алгебраической формулой [4]
ю = у (Я, ю) + ф, (7)
где р - угол трения на передней поверхности режущего клина, град.
Анализируя исследования [3,4,5,7,12] сил резания, можно сказать, что количественно силы определяются основными параметрами, при процессе резания: Ь - ширина срезаемого слоя металла, которая оказывает линейные влияния; о в - предел прочности; а - толщина срезаемого слоя металла; ю - угол действия силы резания; V - скорость влияющая на величину сил резания, а также и на место положения и характер зависимостей сил.
Рассмотрим механическую систему, состоящую из рычага, имеющего точку опоры и возможность поворота под воздействием сил Р и су (рис. 6).
Рис. 6. Идеалистическая модель инструмента с поворотным
элементом
Под воздействием силы P рычаг стремится повернуться по часовой стрелке. Это возможно только в том случае, если выполняется условие: a • sin g - b • cos g > 0. Сила P гармонически изменяется во времени по закону P = A(1 + sin wt), принимая значения от 0 до 2А (рис. 7).
580
Р=А(1+з1п\^)
Рис. 7. График изменения силы Р во времени
Противодействие силе Р оказывает сила cg, которая линейно зависит от угла у. На значение угла у наложено ограничение 150 <у<300, причем при достижении значения у = 30° происходит обнуление значения силы Р с последующим возрастанием ее по вышеприведенному закону. Данная схема моделирует идеальное изменение силы резания по закону синуса, ее воздействие на вершину резца, в результате чего происходит поворот элемента резца, приводящий к увеличению значения переднего угла. Условие обнуления силы Р при достижении значения у = 30° реализует отделение элемента стружки с уменьшением силы резания и возвратом элемента резца в исходное положение.
Многие параметры процесса механической обработки, такие как, например, механические свойства обрабатываемого материала, температура в зоне обработки, геометрические характеристики режущей части инструмента и т. д. не являются постоянными, а меняются на протяжении всего процесса резания. В результате этого становится актуальной задача отслеживания этих изменений и их компенсаций для получения оптимальных результатов при наименьших затратах энергии и материальных ресурсов. Одним из таких решений может служить следующая самонастраивающаяся система (рис. 8).
Данная система реализует зависимости (\-6). В структуре схемы можно выделить две аналогичные по своему составу и назначению ветви, содержащие преобразование параметров в проекциях на оси X и Ъ соответственно.
Обозначение и назначение основных звеньев сведем в таблицу.
Обозначение и назначение основных звеньев системы
Обозначение Назначение звена
1 интегрирующее звено
фн\ оператор преобразования перемещения резца в касательные напряжения
фн2 оператор преобразования перемещения резца в нормальные напряжения
фн3 оператор преобразования касательных напряжений в скорость деформации
фн4 оператор преобразования нормальных напряжений в скорость деформации
фн5 оператор преобразования касательных напряжений, глубины резания и скорости подачи в составляющую силы резания, сонаправленную с плоскостью сдвига
фн6 оператор преобразования нормальных напряжений, глубины резания и скорости подачи в составляющую силы резания, перпендикулярную плоскости сдвига
фн7 оператор преобразования составляющих силы резания перпендикулярной и сонаправленной с плоскостью сдвига, коэффициентов трения по передней и задней поверхностям резца в нормаль к передней поверхности резца
фн8 оператор преобразования составляющих силы резания перпендикулярной и сонаправленной с плоскостью сдвига, коэффициентов трения по передней и задней поверхностям резца в нормаль к задней поверхности резца
фн9 оператор преобразования нормалей к передней и задней поверхностям резца и коэффициента трения по передней поверхности в составляющую силы резания по оси X
фн\0 оператор преобразования нормалей к передней и задней поверхностям резца и коэффициента трения по задней поверхности в составляющую силы резания по оси Ъ
Работа выполнена в рамках проекта РФФИ 16-48-710339 р_центр_а «Развитие теории высокоэффективных процессов направленного разрушения материалов, основанных на принципах пространственно временной адаптации вектора воздействия по состоянию упругопластического деформирования зоны предразрушения» и регионального конкурса проектов фундаментальных научных исследований Тульской области Ц6916ГРФ.
Список литературы
1. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. М.: Металлургия, 1984. 280 с.
2. Евсеев Л. Л. Исходные положения и зависимости для расчета характеристик динамики процесса резания металлов // Вестник машиностроения. 1995. №12. С. 1,3,7.
3. Жарков И. Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. Л.: Машиностроение. 1986. 184 с.
4. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов. М.: Машгиз, 1956. 368 с.
5. Зорев Н.Н., Фетисова З.М. Обработка резанием тугоплавких сплавов на основе молибдена. М.: Изд-во Машиностроение, 1966. 228 с.
6. Кондратов А.С. Повышение производительности станков токарной группы. М.: Машиностроение, 1987. 48 с.
7. Обработка резанием жаропрочных и титановых сплавов / под ред. Н.И. Резникова. М.: Машиностроение. 1972. 200 с.
8. Сальников В.С., Шадский В.Г., Ерзин О.А. Идентификация параметров состояния зоны резания // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2009. Вып. 4. С. 244-253.
9. Сальников В.С., Шадский В.Г., Долматов Д.И. Оперативный контроль состояния зоны резания при точении // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2007. Вып. 3. С. 125-131.
10. Сальников В.С. Анализ сигналов обратной связи в системах интенсификации процесса резания / В. С. Сальников, В.Г. Шадский // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2008. Вып. 4. С. 13-20.
11. Старков В.К. Дислокационные представления о резании металлов. М.: Машиностроение, 1979. 159 с.
12 Трент Е.М. Резание металлов. М.: Машиностроение, 1980.
263 с.
Шадский Геннадий Викторович, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сальников Владимир Сергеевич, д-р техн. наук, проф., vsalnikov.prof@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ерзин Олег Александрович, кан. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
DYNAMICS OF PROCESS OF CUTTING AT THE VARIATION OF THE FORWARD
CORNER OF THE CUTTING TOOL
G.V. Shadsky, V.S. Salnikov, O.A. Erzin
Questions of influence of a forward corner of the cutting tool on cutting forces are considered. For increase in efficiency of process of cutting it is offered to use the adaptive system allowing, to stabilize cutting conditions by management of a kinematic forward corner according to the direction of net force of cutting.
Key words: cutting process intensification, destruction process, elasto-plastic deformation, management of process, existential coordination.
Shadsky Gennady Victorovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Salnikov Vladimir Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, vsalni-kov.prof@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Erzin Oleg Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
