WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 1 05;12 Выбор на основе волновой теории резания оптимальных режимов высокоскоростной обработки материалов точением © О.В. Вишенкова Московский государственный технологический университет „Станкин“, 103055 Москва, Россия e-mail: vis-olv@yandex.ru (Поступило в Редакцию 22 сентября 2004 г. В окончательной редакции 31 мая 2005 г.) В работе [1] предложена волновая теория высокоскоростных режимов обработки материалов резанием.

В рамках этой теории срезаемый слой и лезвие инструмента рассматриваются как акустические резонаторы, возбуждаемые изгибной волной. Резонаторы связаны нелинейной контактной жесткостью. Данная статья является развитием и экспериментальным обоснованием работы [1]. В ней показано, как выбирается на основе волновой теории оптимальный по качеству обработанной поверхности и производительности обработки высокоскоростной режим точения.

PACS: 04.30.Nk, 81.05.-t Введение физически ясное понимание того, что является мерой высокой скорости резания.

Технология высокоскоростной обработки материалов Хорошо известно (см., например, [4]), что при обрарезанием предполагает не просто повышение скорости ботке материала зубилом энергия передается обрабатырезания, а пересмотр всей концепции обработки. Основ- ваемому материалу посредством упругой (акустической) ной целью высокоскоростной обработки является су- волны. Зубило может рассматриваться при этом, как щественное повышение производительности обработки упругий стержень, в котором распространяется волна за счет увеличения режимов резания. Главные отличия дилатации (сжатия и растяжения). Понятие потока энервысокоскоростной обработки от обычной заключаются гии в упругой среде было введено в науку Н.А. Умовым.

в увеличении скорости резания, увеличении подачи, Оно легло в основу его докторской диссертации „Уравуменьшении сечения стружки, сокращении до минимума нения движения энергии в телах“, в которой впервые температуры на режущей кромке, уменьшении усилий доказана общая теорема о потоке энергии в любой среде.

резания, уменьшении износа инструмента.

При обработке цилиндрической заготовки точением Потенциальные возможности высокоскоростной об- энергия передается заготовке также посредством акуработки обусловлены следующими ее особенностями: стической волны. Возникает, однако, вопрос, по какому большой удельный съем материала в единицу времени;

каналу и какой тип волны передает эту энергию.

высокое качество обработки материала; уменьшение Можно видеть, что в зоне резания благодаря месилы резания, за счет этого возможность обработки ханическим напряжениям порядка несколько GPa и тонкостенных деталей; уменьшение образования заусен- пластическим деформациям формируются акустические цев; уменьшение нарушения целостности верхних слоев волноводы. В результате в силу конечности размеров материала.

заготовки и режущей пластины в срезаемом и режущем Применение технологии высокоскоростной обработки слоях образуются акустические резонаторы. Резонаторы предьявляет дополнительные требования к инструменту, связаны нелинейной контактной жесткостью. Частота станку и процессу подготовки производства. В част- f вращения шпинделя и частота f, возбуждаемая в 0 ности, станки для высокоскоростной обработки долж- срезаемом слое, смешиваются на нелинейной контактны обладать шпиндельными подшипниками с высокой ной жесткости: появляются комбинационные частоты скоростью вращения, высокой мощностью шпинделя; |kf + l f |, где k и l — целые положительные и отри0 узлы подачи и их управление должны обеспечивать цательные числа. Режущий слой пластины как акустичемаксимальную динамику линейных перемещений; са- ский резонатор выделяет свою собственную частоту.

ма структура станка должна быть как можно более Рассматривая эти резонаторы как тонкие пластинки, жесткой; станок должен обеспечивать подачу смазочно- можно убедиться в том, что основным типом волн, охлаждающей жидкости (СОЖ) через шпиндель под передающим энергию, является так называемая низшая высоким давлением или быть оснащенным системой антисимметричная мода Лэмба (изгибная волна). Ее хаминимальной подачи СОЖ. рактерное свойство — отсутствие критической частоты.

В современной металлообрабатывающей промышлен- Изгибная волна вызывает вибрации режущей кромки, ности широко используются высокоскоростные режимы что определяет механизм возникновения тонкой струкобработки материалов резанием [2,3]. Однако до появле- туры шероховатости обработанной поверхности. Таким ния работы [1] в литературе фактически отсутствовало образом, частота f и f оказываются связанными 0 4 50 О.В. Вишенкова с параметрами шероховатости поверхности. Возникает возможность оптимизации высокоскоростного режима по качеству обработанной поверхности и производительности обработки.

Трансформация частот в зоне резания определяет также механизм нагрева режущей кромки лезвия. Энергия комбинационных частот |kf + l f |, не прошедших в 0 режущий слой лезвия, рассеивается на режущей кромке.

Для низкоскоростного точения это приводит к интенсивному нагреву режущей кромки. Для высокоскоростных режимов резания комбинационные частоты являются достаточно высокими, чтобы пройти практически целиком в режущий слой лезвия. Это существенно уменьшает нагрев режущей кромки. Энергия рассеивается при этом в основном в стружке.

В рамках теории, изложенной в [1], дан, по-видимому, Рис. 1. Элементы режима резания при точении. Dr —главное корректный ответ на вопрос о том, что является мерой движение (вращательное движение заготовки), Ds —движение большой скорости резания. Режим резания характеризуподачи (прямолинейное поступательное движение режущего ется безразмерным числом инструмента), 1 — обработанная поверхность заготовки, 2 — обрабатываемая поверхность заготовки, 3 — режущий инструf, мент, — главный угол в плане, 1 — вспомогательный угол в плане, t — глубина резания.

где f — частота вращения шпинделя, 1 — основная собственная частота срезаемого слоя как акустического резонатора. Можно показать, что Основная собственная частота резонатора, следовательно, равна ct1act2a 1 =.

2 =.

DLЕсли, например, ct2 = 6 · 103 m/s, L = 30 mm, a2 = 5 µm, Здесь ct1 — скорость сдвиговых волн в материале то 2 100 Hz.

обрабатываемой заготовки, D — диаметр заготовки, Поскольку изгибная волна, распространяющаяся в реa1 — толщина срезаемого слоя (a1 = s · sin, где s — жущей пластине, вызывает вибрации в режущей кромке, подача на оборот, — главный угол в плане) (рис. 1).

представляется естественным предположение о том, что Для высокоскоростных режимов 1.

величина a2 по порядку величины совпадает с парамет„Работающий“ слой режущей пластины также предром шероховатости Ra, который определяется как ставляет собой акустический резонатор (рис. 2). Стрелки lна прямоугольнике (ABCD) указывают направление распространения изгибной волны. Фазовая скорость волны Ra = |y|dx, lравна [1] v = ct2a2 f.

где y — расстояние точек измеренного профиля до его Здесь индексом 2 отмечены величины, относящиеся к средней линии, l0 — базовая длина измерения. Экспережущей пластине (индексом 1 мы отмечаем величины, риментальное подтверждение этого обстоятельства явотносящиеся к заготовке); ct2 — скорость сдвиговых ляется существенным доказательством справедливости волн в материале пластины, a2 — толщина слоя ретеории, изложенной в [1].

жущей пластины, в которой распространяется изгибная волна. В установившемся режиме имеем p2 = qL, (1) где 2 — длина волны, L — периметр прямоугольника (ABCD), p и q — целые числа. Отсюда находим v ct2a2 = = f f 2 или p2 ct2af = ·.

Рис. 2. Режущий слой пластины.

q2 LЖурнал технической физики, 2006, том 76, вып. Выбор на основе волновой теории резания оптимальных режимов высокоскоростной обработки... Таблица 1. Экспериментально исследуемые режимы точения проходным резцом f m № f, Hz s, mm D, mm ct1, m/s 1, Hz = Ra, µm 1 n 1 5.25 0.05 70 3 · 103 6.8 3/4 1.2 6.67 0.05 70 3 · 103 6.8 1 1.3 8.33 0.05 70 3 · 103 6.8 5/4 1.4 10.50 0.05 70 3 · 103 6.8 3/2 1.5 13.33 0.05 70 3 · 103 6.8 2/1 1.6 5.25 0.075 70 3 · 103 10.2 1/2 2.7 8.33 0.075 70 3 · 103 10.2 5/6 2.8 10.50 0.075 70 3 · 103 10.2 1 1.9 16.66 0.075 70 3 · 103 10.2 5/3 1.10 20.83 0.075 70 3 · 103 10.2 2/1 1.Данная статья посвящена экспериментальным иссле- С точки зрения волновой теории резания можно дованиям простейшего способа обработки материалов утверждать, что основным фактором, определяющим резанием–точения проходным резцом (рис. 1). На осно- тонкую структуру обработанной поверхности, являются вании экспериментально устанавливаемого соотношения вибрации режущей кромки, обусловленные распростраa2 Ra решается задача выбора оптимального режи- нением изгибной волны.

ма высокоскоростной обработки. Параметрами оптиВ наших экспериментах использовался резец, для мизации являются качество обработанной поверхности которого r = 0.5 mm. Если подача на один оборот и производительность обработки (толщина срезаемого s = 0.05 mm, то из (3) находим h = 0.6 µm. Для слоя).

s = 0.075 mm соотношение (3) дает h = 1.4 µm.

Механизм возникновения шероховатости поверхности Образование микронеровностей поверхности в первом приближении можно представить как след рабочего движения режущей кромки инструмента в поверхностном слое металла. Для обработки резцом с радиусом при вершине, равным нулю (рис. 3), высота микронеровностей при этом равна [5] s sin 1 · sin h =, (2) sin(1 + ) Рис. 3. Схема образования шероховатости поверхности при r = 0 (расчетный профиль). s — подача на один оборот, где s — подача на оборот, — главный угол в плане, — главный угол в плане, 1 — вспомогательный угол в 1 — вспомогательный угол в плане. Если радиус r при плане.

вершине резца отличен от нуля (рис. 4), то 4r2 - sh = r -. (3) Из анализа формул (2) и (3) следует, что h уменьшается с уменьшением подачи s и углов и 1, а также с увеличением радиуса r при вершине резца.

Реальные микронеровности, однако, по форме и высоте существено отличаются от рассчитаных по формулам (2) и (3). Это обусловлено, как принято считать, пластическим течением металла; колебаниями детали и инструмента во время обработки; трением задних поверхностей инструмента о поверхность резания; неровностями лезвий инструмента, которые возрастают по Рис. 4. Схема образования шероховатости поверхности при мере его изнашивания.

r > 0.

4 Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 52 О.В. Вишенкова Как видно из данных табл. 1, экспериментально изме- ботки; при этом ренные значения параметра Ra больше h для обеих по2 f 2 f дач, что свидетельствует о наличии вибраций режушей K = =, vs s fкромки.

где K — пространственная частота, f — временная частота, vs — скорость подачи, s — подача на один Результаты экспериментальных оборот, f — частота вращения шпинделя.

исследований Исследовались 10 режимов точения проходным резВыбор оптимальных режимов цом из твердого сплава марки T15K6 цилиндрической заготовки из стали 45. Глубина t резания равна 1 mm, На основании изложенного выше можно предполодиаметр заготовки D = 70 mm. Упругие константы твержить определенную схему выбора оптимальных режидого сплава: E = 530 GPa, = 11.3 · 103 kg/m3, = 0.мов точения. Понятие высокопроизводительной обра(ct2 = 4.25 km/s). Линейный размер режущего слоя работки в отличие от высокоскоростной подразумевает вен 26.5 mm (рис. 2). Результаты исследования представне только увеличение скорости резания и подачи, но лены в табл. 1.

и оптимизацию всего процесса обработки с целью поОценка толщины a2 режущего слоя проводилась по лучения максимально возможной производительности.

формуле Необходимо установить компромисс между качеством обработанной поверхности и удельным съемом материаLa2 = |kf + l f |, ла в единицу времени.

ct2 0 Задача выбора оптимальных режимов точения форf = 1, f = 1. мулируется поэтому следующим образом. Задаются:

0 упругие константы материалов заготовки и лезвия инВычисления дают: L2/ct2 = 52.62 · 10-9 m · s. Резульструмента (ct1, ct2); диаметр D заготовки; линейный таты оценки приведены в табл. 2. Сравнивая табл. 1 и размер L режущей пластины; главный угол в плане;

табл. 2, можно видеть, что действительно a2 Ra.

ширина b1 срезаемого слоя; параметр Ra обработанной Отметим, что целые числа k и l являются здесь поверхности. Требуется найти скорость v резания, поподгоночными параметрами. Их значения свидетель- дачу s на один оборот, глубину t резания, при которых ствуют о том, что при низких скоростях в режущий величина отношения s/Ra имеет максимальное значение слой проникают комбинационные частоты лишь с боль- для = 1.

шими значениями k и l. (Это обусловлено высокой Поскольку собственной частотой 2 режущего слоя). Остальные |kf + l f | = 2, 0 частоты, интенсивность которых значительно больше, где рассеиваются на режущей кромке.

Собственная частота режущего слоя, а следователь- f = 1; f = 1, 0 но и его толщина a2, могут быть определены более имеем корректно на основании Фурье-анализа профилограммы обработанной поверхности, поскольку спектр простран- D 1 ctственных частот, характеризующих шероховатость обра- a1 = s · sin = a2.

L |k + l | ctботанной поверхности обусловлен спектром временных частот, возникающих в технологической системе обраПолагая a2 = Ra, находим s D 1 ctТаблица 2. Оценка толщины a2 режущего слоя = · ·. (4) Ra L |k + l | sin ct№ f, Hz 1, Hz f, Hz ct2, km/s L, mm k l a2, µm 0 Для рассмотренных выше десяти режимов резания 1 5.25 6.8 3/4 3.82 4.25 26.5 3 3 1.соотношение (4) дает 2 6.67 6.8 1 6.8 4.25 26.5 2 2 1.3 8.33 6.8 5/4 10.62 4.25 26.5 2 1 1.s 4 10.50 6.8 3/2 15.3 4.25 26.5 1 1 1.=. (5) Ra |k + l | 5 13.33 6.8 2/1 27.2 4.25 26.5 0 1 1.6 5.25 10.2 1/2 2.55 4.25 26.5 6 6 2.В табл. 3 представлены значения отношения s/Ra, 7 8.33 10.2 5/6 7.08 4.25 26.5 3 3 2.рассчитанные по формуле (5).

8 10.5 10.2 1 10.2 4.25 26.5 2 2 2.9 16.66 10.2 5/3 28.3 4.25 26.5 1 1 2.36 Максимально возможное значение отношения s/Ra 10 20.83 10.2 2/1 40.8 4.25 26.5 0 1 2.достигается при минимальном значении величины Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Выбор на основе волновой теории резания оптимальных режимов высокоскоростной обработки... Таблица 3. Значения отношения s/Ra для различных режи- Заключение мов точения Несколько слов об упрощающих допущениях. Строго 2 № k l |k + l | |k + l |-1 s/Ra говоря, изгибные волны в заготовке и лезвии — это не моды Лэмба: срезаемый и режущий слои не являются 1 3/4 3 3 3.94 0.254 35.плоскими, а одна из ограничивающих их поверхностей 2 1 2 2 4.00 0.250 35.не является свободной. Мода Лэмба — это тип коле3 5/4 2 1 4.06 0.246 34.4 3/2 1 1 3.75 0.266 37.2 бания в упругом слое, ограниченном двумя свободными 5 2/1 0 1 4.00 0.50 35.плоскостями. Для рассматриваемой теории существен6 1/2 6 6 4.50 0.222 31.но, что эта мода не имеет критической частоты.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.