CC BY
31
УДК 621.9
А.А. Кошелева, Л.А. Васин (Тула, ТулГУ)
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТА С ПЕРЕМЕННЫМИ ДИНАМИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
Обоснована целесообразность использования инструмента с переменными динамическими характеристиками для снижения вероятности возникновения регенеративных колебаний при резании «по следу». Представлены конструкции резцов в переменными упругими и инерционными параметрами.
В процессе токарной обработки заготовок с переменным или эксцентричным припуском, в частности, при обработке овальных или сложных фасонных поверхностей, происходит непрерывное изменение силы резания. Кроме того, при точении заготовок, содержащих различные включения, следовательно, имеющих переменную твердость, сила резания меняется по случайному закону.
Колебания силы резания приводят к возникновению вибраций в технологической системе токарного станка. В результате на поверхности резания образуются вибрационные волны определенной дины £ :
где V - скорость резания, м/с; / - частота колебаний системы, Гц.
Частота колебаний / определяется собственной частотой инструмента или заготовки как самых слабых звеньев технологической системы!:
где к - коэффициент, зависящий от схемы1 установки; с - жесткость, Н/м; т - колеблющаяся масса, кг.
При резани по вибрационному следу от предыдущего прохода («по следу») происходит вторичное возбуждение вибраций. В технологической системе могут установиться регенеративные автоколебания определенной частоты:, близкой к частоте собственных колебаний слабого звена системы:, которые приводят к ухудшению качества обработки, повышению износа инструмента, а порой - и к его поломке.
Как следует из формулы: (2), с целью отстройки технологической системы: от условий, при которых возникают автоколебания, целесообразно использовать инструмент с переменными динамическими характеристиками.
Модель резани при использовании инструмента с переменными характеристиками базируется на теоретически положениях, выдвинутых и доказанных К.В. Фроловым, согласно которым задача устранения резонансных явлений при малых колебания объекта сводится к
£=v/f ,
(1)
(2)
изменению его собственной частоты и увеличению диссипации механической энергии.
Известна конструкция режущего инструмента с переменной жесткостью с [1]. Данный резец содержит державку, выполненную составной. На верхней части державки установлена режущая пластина. Нижня часть державки выполняет роль прокладки. Ее верхняя поверхность по дине, равной вылету инструмента, выполнена криволинейной.
При данной конструкции переменное усилие резания вызывает постоянно изменяющийся по величие прогиб верхней части, тем самым обеспечивается ее контакт с различными участками криволинейной поверхности нжней части. Поэтому вылет верхней части, следовательно, и жесткость державки резца, будут постоянно изменяться.
Учитывая, что срезаемый с заготовки припуск - величина случайна, изменение усилия резаня, следовательно, и жесткость инструмена, носят случайный характер. Тогда жесткость всей технологической системы и связанна с ней частота собственых колебанй будут изменться подобно однойменнім характеристикам иструмента, т. е. по случайному закону. Все это в конечном счете приоди к ликвидаци условий для вознкновеня регенеративных автоколебаний при обработке заготовок с эксцентриеским приуском.
Для подтверждения данной гиотезы были проведені экспери-менальные исследованя характера колебанй при точени заготовки исследуемым составным резцом и следующих режимах резани: подача 5 =0,3 мм/об; глубина резани ґ = 2 мм; число оборотов шннделя п =400 об/мин.
На рис. 1 представлені осциллограммы виброускоренй прямого проходного (а) и исследуемого составного (б) резцов с одиаковыми гео-метриескими параметрами режущей части (переднй угол у =5°, главный
угол в пане ф=45°, вспомогательный угол в пане фі=45°, ширша сечения державки В =16 мм, высота державки Н =20 мм, вылет Ь£ =30 мм) при точени заготовки диаметром 30 мм, консольно установленной в трехкулачковом патроне токарного стана.
Для исследовани частотной структуры колебанй был поведен спектральній анаиз записанных виброграмм. На рис. 2, а и б представлены спектраьные потности мощности виброускорений походного и составного резцов соответственно. Спектраьный анаиз покаш, что колебаня опеделяются не внешними воздействими на систему, а самой системой: во время вибрации отсутствовал источник внешней периодие-ски изменяющейся силы той частоты, с которой колеблется система. Это укаывает на автоколебательный характер.
а б
Рис. 1. Осциллограммы виброускорений при точении: а - проходного резца; б - составного резца
а
б
Рис. 2. Спектральная плотность мощности виброускорения: а - проходного резца; б - составного резца
В результате спектрального анализа было выявлено, что колебания цельного проходного резца происходя на частоте, близкой к собственной частоте резца (/0 =5762 Гц). При точении составным резцом мощность автоколебаний резко снижается, а доминирующие частоты колебаний лежат в широком диапазоне (см. рис. 2, б). В данных условиях уменьшается вероятность развития автоколебаний в технологической системе.
Полученные положительные результаты привели к созданию резцов с переменными динамическими характеристиками.
Так, было предложено новое техническое решение, а именно: еще одна конструкция резца с переменной жесткостью. На рис. 3 представлен резец с державкой 1, на которой установлена режуща пластина 2. В державке данного резца выполнено отверстие 3 с помещенным в него пружинным амортизатором, воздействующим на пружинящую головку резца
через шток 4, при этом в качестве пружинного амортизатора используется коническая пружина 5. Со стороны заднего торца отверстие закрыто пробкой 6.
3 4 5 6
2
Рис. 3. Конструкция резца с переменной жесткостью
Предлагаема конструкция инструмента работает следующим образом. При изменении силы резания в системе возникают колебания. Пружинная головка державки 1 смещается на некоторую величину, вызывая смещение штока 4. Тот, в свою очередь, воздействует на коническую пружину 5. Коническая пружина 5 имеет нелинейную жесткостную характеристику, т.е. зависимость величины приложенной силы Р от осевого перемещения X [2]. Наибольшие деформации имеют место у витков наибольшего радиуса. Поэтому с увеличением нагрузки происходит замыкание витков большего диаметра как самых мягких, тем самым они выключаются из работы, а жесткость пружины в целом увеличивается. Это приводит к увеличению динамической жесткости инструмента в целом и изменению его частоты колебаний.
При использовании конических пружин с постоянным шагом (например, пружин, у которых проекция оси витков на опорную плоскость имеет вид архимедовой спирали) все ветки, начина с большего, монотонно садятся на опорную плоскость при - Л > id или один на другой при г2 - Л < id (г2 и Л - соответственно наибольший и наименьший радиусы рабочей части витков пружины, i - число рабочих витков, d- диаметр проволок пружины).
Минимальное значение силы Р^ :
р СН о
- при посадке на опорную плоскость Р^щ =---------•
- при посадке один виток на другой Р^
с (Н0 -Щ )
где С - жесткость сечения витка при кручении; дл круглого сечения А
С
G; G - модул сдвига; Но и Н^ - соответственно дина нена^
груженной и нагруженной пружины.
Используя данные зависимости, можно рассчитать геометрические характеристики пружины.
Для отстройки частоты конструкции резца от резонансной можно использовать и другой подход, а именно: изменение инерционных характеристик подсистемы инструмента.
Была разработана конструкция резца с переменной массой т [4].
На рис. 4 представлен резец с державкой 1, на которой расположена режущая пластина. В державке 1 выполнено глубокое отверстие, в котором последовательно размещены стальной шарик 6 и сердечник 4, связанный с катушкой электромагнита 3. Для надежности крепления узла установлена гайка 2.
Рис. 4. Конструкция резца с переменной инерционной характеристикой
Сущность данного технического решения заключается в том, что в державке выполнено наклонное к консольной части резца отверстие, в верхней части которого расположен сердечник электромагнита, в нижней части рамещен стальной шарж. Шарик совершает возвратнопоступательные движения по отверстию под действием си тяжести и электромагнитных си при случайном характере включения электромагнита, изменяя тем самым массу консольной части резца. Изменение массы консольной части резца приводит к изменению собственной частоты колебаний / инструмента, что исключает вероятность возникновения резонанса в системе.
Угол наклона отверстия в державке а (см. рис. 4) обеспечивает преодоление шариком силы тения и его движение под действием силы тяжести в консольную часть державки резца (поз. I).
Чтобы рассчитать минимальное значение угла а, при котором стальной шарик под действием силы тяжести преодолевает силы тени и начинает катиться, воспользуемся известными из курса физики формулами:
Рм =Д (3)
где - сила трения качения, Н; д - коэффициент тения качения, м;
К - радиус шарика, м; N - нормальна составляющая реакции опоры, Н.
Норм ль на составляющая N реакции опоры компенсирует силу тяжести. Тангенцгльна составляюща Ртр реакции опоры направлена
против движения шарика.
Тогда величина угла а находится из выражения
^а>Д . (4)
К
Коэффициент тения качения д по стальной поверхности для шарика из закленной стаи равен 5 • 10-6...1 • 10-5 м, из мягкой стаи равен 5-10-5 м [3].
Резец с переменной инерционной характеристикой работает следующим образом.
При включении электромагнита 3 под действием электромагнитных сил шарик 6 перемещается в поз. II, расположенную над опорной поверхностью суппорта 5, уменьшая тем самым массу консольной части державки 1. При отключении электомагнита шарик 6 под действием силы тяжести вновь занимает поз. I. В результате масса консольной части резца увеличивается на величину, равную массе шарика.
Изменение массы консольной части резца приводит к изменению собственной частоты колебаний инстумента. В результате на поверхности резания обрлуются вибрационные волны раной дины. В этих условия в системе не могут установиться колебания определенной частоты, близкой к частоте ее собственных колебаний.
Случайный характер времени включения электромагнита приводит к обрлованию непериодических вибраций в системе.
Таким обрлом, использование инстументов с переменными динамическими характеристиками позволяет уменьшить вероятность возникновения наиболее опасных регенеративных автоколебаний при токарной обработке.
Библиографический список
1. А.с. 1192907 СССР, МПИ В23 В27/16. Резец / С.А. Васин, Л.А. Васин, О.Д. Дмитриева (СССР). - № 3753451; заявл. 15.06.84; опубл. 23.11.85. Бюл. № 43. - 1 с.
2. Детали машин. Расчет и конструирование: справочник. Т. 2 / у од ред. Н.С. Ачеркана. - М.: Машиностроение, 1968. - 408 с.
3. Енохович А.С. Справочник по физике / А.С. Енохович. - М.: Просвещение, 1978. - 415 с.
4. Пат. 66706 Российской Федерации. МПК В23В 17/00. Резец / Васин С.А., Васин Л.А., Бородкин Н.Н., Кошелева А.А.; заявитель и патентообладатель Тульский государственный университет. - № 2007118256; завл. 17.05.07; опубл. 27.09.07, Бюл. № 27. -3 с.: ил.
Получено 24.10.08.
УДК 621.9
А.А. кошелева (Тула, ТулГУ)
УМЕНЬШЕНИЕ ВИБРАЦИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СТАНКА ПРИ ПРЕРЫВИСТОМ РЕЗАНИИ
Приведены результаты исследования динамическою поведения системы при прерывистом резании. Теоретически обоснована величина скорости резания, при которой вибрации технологической системы минимальны.
Точение прерывистых поверхностей, а также поверхностей с неравномерным припуском сопровождается возникновением интенсивных колебаний. Между тем, такие поверхности достаточно распространены, и выбор скорости резания, обеспечивающей минимаьный уровень вибраций, является актуаьной задачей.
При исследовании подсистемы «инструмент - заготовка» воспользуемся математическим аппаратом для описания поведения системы с одной степенью свободы.
Дифференциаьное уравнение, описывающее движение подсистемы при действии внешней силы P(t), имеет вид [3]
my(t) +hy(t) + cy(t) = P(t), (1)
где m, h, c - приведенные масса, коэффициент демпфирования и жесткость подсистемы, P(t) - внешнее воздействие.
Используя представление в виде интеграа Дюамеля, запишем выражение для описания перемещения подсистемы под действием внешней силы произвольного характера [3]:
