CC BY
52
УДК 621.941
Г.В. Шадский, В.С. Сальников, Д.И. Долматов (Тула, ТулГУ)
ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬЮ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ
Проведён анализ способов токарной обработки и режущих инструментов, использующих возможности технологической системы к самоорганизации. Предложены способ токарной обуаботкк и конструкции режущего инструмента, реализующие двунаправленную связь с зной резания, основанную на оперативном контроле состояния зоны резання
Работа выполнена при финансовоо поддержке РФФИ поект № 07-08-97631.
В современном машиностроении в условия автоматизации, создания новых материалов и технологий одно из ведущих мест отводится проблемам повышения эффективности и качества, а также снижения энергоёмкости обработки резанием.
Одним из пееспективных направлений решения этих проблем является использование свойств самоорганизации технологической системы обработки резанием, в частности, согласование в пространстве и во времени этапов упругопластического деформирования обрабатываемого материла в зоне резания и вызывающих ею относительных движений режущего клина и поверхности сдвигов [1].
Данный подход требует решения следующих задач, возникающих на пути решения проблемы оптимизации лезвийной обработки:
• анализа динамики упругопластического деформирования в зоне резания и влияния скорости приложения нагрузки на действующие в обрабатываемом материале напряжения;
• формализации процедры согласования в прocтрaнcтве и во времени этапов yпрyгoллacтичеcкoгр деформирования обрабатываемого материала в зоне резания и вызывающих его относительных движений режущего клина и поверхности сдвиов;
• разработки моделей оптимального управления лезвийной обработкой конструкционных материалов на основе принципов самонастройки;
• нахождения оптимальных воздействий управления динамикой упругопластического деформирования в зоне резания;
• разработки способа и режущего инструмента для реализации оптимальной обработки.
Необходимыми условиями корректного применения данного подхода являются:
• идентификация резани металлов как процесса, имеющего дискретный и волновой характер, который проовляется в возникновении автоколебаний в технологической системе обработки;
• рассмотрение уравнений колебаний технологической системы обработки резанием с учётом волнового аспекта;
• идентификация высоких частот возмущений процесса резания как звуковой волны упругого напряжения, образующего поле, а идентификация низких частот возмущений как волны деформации;
• дискретный характер разрушения обрабатываемого материала в зоне резани, основанный на том, что минимальный объём обрабатываемого материма в зоне резания при волновом процессе характеризуется минимальной энергией, являющейся в условиях релаксации минимальной энергией упругой деформации, которую надо затратить для того, чтобы получить предельное упругое напряжение в слоях метала, близких к поверхности сдвигов и готовых к пеееход в состояние разрушения.
• рассмотрение и исследование частотных и энергетически характеристик процесса резания как взаимосвязанных.
Целью настоящего подхода являетст разработка способа токартой обработки, использующего возможности технологической системы к са-моооганизации путём адаптации в пространстве и времени положения режущи кромок инструмента, а также режущего инструмента, реализующего указанный способ, направленных на снижение энергоёмкости процесса резания, повышение стойкости режущей части инструмента и качества обработанной поверхности [1].
Рассмотрим уже известные решения, наиболее близкие к предлагаемым способу обработки и режущему инструменту по технической сущности и достигаемому реззльтату на примере токарной обработки.
В способе и устройстве [2] в резец с режущей кромкой вставляют редкоземельное вещество и посседством подачи на него возбуждающего напряжения вызывают упругие колебания, которые согласуют с собственными колебаниями материала детали. В процессе и после обработки материла детали осуществляют неразрушающий контоль материала детали и режущего инструмента.
Целью способа являетст снижение энеегоемкости. Поставленная цель достигается тем, что выполняют внути резца выемку, размещают в ней редкоземельное вещество, вставляют в него электоды, подают на них напряжение, возбуждающее упругие колебания, которые согласуют с собственными колебаниями материала изделия. Паламетрами упругих воон управляют, изменяя частоту и величину возбуждающего напряжения, подаваемого посредством электродов на рдкоземельное вещество, обладающее относительно большой магнитострикцией. Перд обработкой детали резанием в материале детали возбуждают тпругие колебания, регастируют их, опрделяют собственные частоты материала детали и рзца и и спектры.
Для более эффективной обработки заготовки производят контроль собственных частот материала заготовки и основного элемента - резца - в процессе точения.
Преимущества способа состоят в том, что размещение в истумен-те вспомогательного элемента позволяет во время обработки возбуждать упругие колебания в материале заготовки и инструменте в выбранном диапазоне частот и тем самым позволяет повысить производительность обработки, а использование резонансных явлений - снизить энергоёмкость обработки. При осуществлении обработки заготовок в резонансном режиме происходит снижение силы резани на 20 - 40 %. Тем самым снижается расход электроэнергии от 30 до 60 %, а поизводительность повышается
в несколько десятков раз в зависимости от материала детали, её конфигурации и требуемой точности обработки.
Основным недостатком известного решения является отсутствие адаптивной оббатной связи между инструментом и зоной резания, что не всегда позволяет вести обработку в резонансном режиме. К недостаткам следует отнести и малую амплитуду возбуждаемых при помощи магнито-стриктoла колебаний, что позволяет вести обработку лишь в достаточно ограниченном диапазоне режимов резания.
Известен способ кинематического дробления стружки при токарной обработке [3], предусматривающий создание в системе «резец - изделие» условий, благоприятных для возникновения устойчивых с амовоз буж дающихся автоколебательных движений резца в направлении подачи. Для обеспечения устойчивых автоколебаний резца резцедержатель выполнен пoвoлотным и подпружиненным в направлении действия усилия подачи. Для регулирования частоты колебаний резцедержатель снабжён дополнительной массой. Частота колебаний определяется дополнительной массой и жёсткостью пружины; амплитуда колебаний - жёсткостью пружины и вылетом вершины резца относительно оси поворота.
Недостатком известного решения является то, что оно не обеспечивает необходимую точность обработки. Под воздействием значительных усилий, направленных против движения подачи инструмента, происходит отжттие резца относительно оси обрабатываемой детали. Кроме того, устройство, реализованное по указанному способу, требует достаточно сложной настройки на необходимые амплитуду и частоту колебаний, а соответственно и под заданные режимы обработки.
Известны способ вибрационного резани и вибрационный резец [4], предусматривающие вращение обрабатываемой детали, поступательное перемещение резца и колебательное синусоидальное регулируемое перемещение режущей части резца под действием сил сопротивления резанию, воздействующих на колебательный контур, в который входят подвижная режущая часть резца, упругие элeмeнты и неподвижная часть резца. Резец, реализованный по данному способу, содержит подвижную режущую часть, выполненную поворотной относительно оси, закреплённой между неподвижным корпусом и крышкой и связанную с неподвижным корпусом упругодемпфирующими колебательными контурами: основным и допол-
нительным. Плоскости действия упруго демпфирующих колебательных контууов взаимно перпендикулярны: при продольном точении колебательные контуры обеспечивают создание угловых колебаний, при отрезке и прорезке - тангенциальных, при расточке отверстий - крутильных колебаний. При этом частота колебаний подвижной режущей части резца определяется характеристиками и расположением упругих элементов, оббазую-щих упругодемпфирующие колебательные контуры. Амплитуда колебаний подвижной режущей части резца определяется характелистиками и расположением упругих элементов, образзющих упругодемпфирующие колебательные контуры.
Недостатком этого технического решения является то, что в процессе работы происходит циклическое изменение относительного положения режущих кромок инструмента и обрабатываемой заготовки, что приводит к образованию погрешности обработки. Циклическое изменение угла резца в плане непосредственно сказываетст на качестве поверхностного слоя обрабатываемого изделия: поверхностный слой имеет переменную высоту и нерегулярный профиль микуонеровностей по длине обработки, а также переменный знак и глубину остаточных напряжений. Недостатком этого известного решения является и то, что направление автоколебаний подвижной режущей части резца не соответствует направлению изменения припуска и, следовательно, процесс обработки сопровождается повышенными затратами энелгии. Кроме того, параметры колебаний подвижной режущей части требуют достаточно сложной регулировки на конкретные режимы обработки, так как регулируются непосредственно жёсткостью упругих элементов основного колебательного контура.
Известно устойство для кре пения резца [5], в котором резец подпружинен относительно корпуса в осевом направлении, а с целью получения на резце геометрии, изменяющейся в процессе резания в соответствии с припуском под oбрaбoтку, тело резца сопряжено с корпусом посредством винтового соединения, например, шлицевого. При этом усилие пружины выбирается равным радиальной составляющей усилия резания, возникающей в процессе обработки. Повооот резца осуществляется воккуг продольной оси и в процессе поворота изменяются передний и задний углы, ширина срезал направление отвода стружки.
Недостатком известного решения является то, что оно не обеспечивает необходимой точности обработки. Под воздействием значительных величин радиальной составляющей силы резания происходит отжатие резца относительно оси обрабатываемой детали, приводящее к снижению размерной точности и возникновению погрешности формы обработанной поверхности.
Также известен резец [6], содержащий поворотный (вращающийст) сектор с жёстко закреплённой на нём режущей пластиной, установленный в гнезде державки и взаимодействующий с пружиной кручения. При пово-
роте вращающегося сектора изменяютст главный и вспомогательный ушы в плане. Ось поворота вращающегося сектора совмещена с вершиной режущей пластины и пeрпeндикyлятнa плоскости, в которой лежит режущая пластина. Жёсткость пружины выбирается таким образом, чтобы увеличение или уменьшение радиальной составляющей силы резания вызвало поворот пластины на угол, компенсирующий это изменение. Для обеспечения поворота сектора относительно делжавки между ними в радиальных канавках помещены стальные шарики.
Недостатком данного решения является то, что в процессе работы происходит циклическое изменение угла резца в плане, что, в свою очередь, нeпocлeдcтвeннo сказываетст на качестве поверхностного слоя обрабатываемого изделия: микропрофиль повелхностного слоя имеет переменную высоту и носит нeрeгуляяный характер по длине обработки, а также переменный знак и глубину остаточных напряжений. Недостатком этого технического решения является также и то, что направление автоколебаний поворотного сектора резца не соответствует направлению изменения припуска и, следовательно, процесс обработки сопровождается повышенными затратами энергии.
Общим недостатком всех вышеперечисленных технических решений является отсутствие чётко определённого элемента, параметы которого согласуются с параметрами процесса резания, что в значительной мере сужает частотный диапазон системы «резец - изделие» и, как следствие, ослабляет двунаправленную связь инструмента с зоной резания, что, в свою очередь, снижает эффективность обработки.
Предлагается выделить элемент режущего инструмента с последующим приданием ему свойств, котооые позволят оптимизировать процесс обработки. Выделение отдельного элемента дает возможность увеличить частотный диапазон по сравнению, напримел, с тем, что был реализован путём возбуждения колебаний во всём инстументе.
Процесс самонастройки целесообразно реализовать путём создания колебаний элемента вокруг главной режущей кромки илл оси, параллельной главной режущей кромке, таким образом, чтобы увеличение силы резания приводило к изменению пространственного расположения данного элемента в заданном направлении. Такое изменение, в свою очередь, приведёт к снижению силы резания. Этот циклический процесс будет способствовать улучшению условий обработки и, как следствие, повышению качества обработанной поверхности [1].
Предлагаемые технические решения могт быть использованы в металлорежущих станках токарной группы на чистовых и получистовых режимах обработки.
Задачами изoбрeтeния «Способ токааной oбрaбoтки и токааный резец» являются повышение качества и снижение энергоёмкости токааной обработки на основе использования возможностей технологической сис-
темы обработки резанием к самоорганизации путём пространственновременной адаптации положения режущих кромок инструмента в процессе повооотных автоколебаний головки вокруг оси, паааллельной главной режущей кумке и выдвинутой за главную режущую кромку в направлении подачи.
Способ пяeдycмaтривaeт вращение обрабатываемой заготовки, поступательное перемещение резца и регулируемое автоколебательное поворотное перемещение головки резца под действием переменной составляющей силы резания, воздействующей на колебательный контур, входящий в состав резца и образованный головкой резца, упругим элементом и державкой резца. При этом поворот головки резца осуществляется в пос-кости действия радиальной и тангенциальной составляющих силы резания вокруг оси, параллельной ггавной режущей кромке и выдвинутой за главную режущую кромку в направлении подачи.
Токарный резец содержит головку, соединённую с державкой посредством оси, и упругий элемент в виде цилиндрической пружины сжатия. В свою очередь, головка резца подпружинена в направлении действия тангенциальной составляющей силы резания, а её поволот осуществляется в плоскости действия радиальной и тангенциальной составляющих силы резания вокруг оси, параллельной главной режущей кромке и выдвинутой за ггавную режущую кумку в направлении подачи. Частота поворотных автоколебаний головки определяется массой головки и жёсткостью пружины; амплитуда поворотных автоколебаний головки определяется вылетом оси поворота головки относительно главной режущей кромки.
Задачей изобретения «Токарный резец» является повышение энергоэффективности, качества, а также размерной точности и точности формы обработанной поверхности при токааной обработке на основе использования возможностей технологической системы обработки резанием к самоорганизации путём пространственно-временной адаптации положения режущих кромок инструмента в процессе поворотных автоколебаний головки вокруг оси, совмещённой с главной режущей кромкой.
Токарный резец содержит головку в виде поворотного сектора, установленную в гнезде державки, взаимодействующей своим упором с упругим элементом в виде пружины сжатия, расположенной в тангенциальном пае головки. При этом поворот головки происходит в плоскости действия радиальной и тангенциальной составляющих силы резания, а ось поворота головки совмещена с главной режущей кромкой. Для обеспечения повочота головки относительно державки между ними в тангенциальных птах помещены тела качения. Жёсткость пружины выбирается таким образом, чтобы изменение тангенциальной составляющей силы резания вызвало поворот головки на угол, компенсирующий это изменение. Частота повооотных автоколебаний головки определяется массой головки и жёсткостью пружины. В свою очередь, амплитуда поворотных автоколебаний
головки определяется радиусом окружности, центр которой расположен в точке вершины резца, проходящей чееез центры тел качения, помещённых в тангенциальных пазах дeржaвкд.
Основным результатом проведенных исследований являетст решение аеттальной проблемы повышения эффективности и качества, снижения энeргoёмкocти лезвийной обработки констгукционных материалов на основе согласования в пространстве и во времени этапов упругопластического деформирования обрабатываемого материла в зоне резания и вызывающих его относительных движений режущего клина и поверхности сдвигов. Предложены способ и режущий инструмент для оптимизации обработки. Реализация предлагаемого способа позволяет снизить энергоёмкость процесса токарной обработки на 25 - 50 % при неизменном периоде стойкости инструмента в зависимости от условий обработки.
Библиографический список
1. Сальников В.С. Возможности управления прерывистым резанием / В.С. Сальников, Д.И. Долматов // Изв. ТулГУ. Сер. Технологическа системотехника.- 2006. - Вып. 12. - 202 с. - С. 92 - 99.
2. Пат. 2030255 Российска Федерация, МПК6 В23 В 1 / 00. Способ обработки металлов резанием и устройство для его осуществления / Бакулин В.Н., Бакууин А.В.; заявитель и патентообладатель Бакууин В.Н. - № 5047317/08; заявл. 17.04.1992; опубл. 03.10.1995, Бюл. № 17. -3 с.: ил.
3. А.с. 134098 СССР, МПК В23В 25/02. Способ кинематического дробления стружки при токааной обработке / А.М. Безбородов, В.Н. Поду-раев (СССР). № 663155/25; заявл. 18.04.1960; опубл. Бюл. № 23 за 1960 г. -3 с.: ил.
4. Пат. 2281187 Российска Федерация, МПК7 В23В 1/00, В23В 27/00, В23В 27/04, В23В 29/00, В23В 35/00. Способ вибрационного резания и вибрационный резец / Гоц Э.М., Тихонов С.Н.; заявитель и патентообладатель Тихонов С.Н. - № 2005101144/02; заявл. 20.01.2005; опубл. 10.08.2006, Бюл. № 22. - 11 с.: ил.
5. А.с. 523762 СССР, МПК2 В23В 29/14. Устройство для крепления резца / Ю.М. Ермаков, И.М. Рыбкин, В.П. Шляпин (СССР). № 2089656/08; завл. 30.12.1974; опубл. 05.08.1976, Бюл. № 29. - 2 с.: и.
6. А.с. 1780931 СССР, МПК5 В23В 27/00. Резец / ЕЮ. Татарки, Ю.В. Головнев, А.М. Марков, А.А. Ситников, В.М. Вооонец, А.П. Карпов (СССР). № 4884502/08; заявл. 21.11.1990; опубл. 15.12.1992, Бюл. № 46. -3 с.: и.
Получено 17.01.08.
