Файл: Лазарев, Г. С. Устойчивость процесса резания металлов.pdf

Рис. 52. а — зависимость Rz от скорости резания для двух образцов при устойчипом

График высоты неровностей получен для следующих условий ра­ боты: станок 1К.62, деталь — d = 92 мм, I = 190 мм. Крепление де тали в патроне и заднем центре. Подача 5 = 0,3 мм/об, глубина ре зания i = 3 мм. Углы резца: у = 12°; а = 6°; ср = 45°; К — б°; рад нупри вершине 1 мм.

Структура поля динамических сил, рассчитанная для этого случая, образует силовой узел (рис. 53, а), т. е. является устойчи­ вой. Поэтому даже периодический срыв нароста, в результате ко­ торого начальные динамические силы достигают F = ± 3 5 кГ, не вызывает автоколебаний системы станка. Для базового поля типа силового узла (рис. 53, а) характерно то, что все силовые линии без исключения проходят через положение равновесия, в резуль­ тате чего обеспечивается устойчивость процесса резания.

Проведенные опыты убедительно подтверждают, что для ука­

несмотря на интенсивное иаростообразование в диапазоне скоро­ стей 10—50 м/мин.

•150

ч

Рис. 53. Схемы: устойчивая структура поля динамических сил — силовой узел. Возмуще­

ций, так как направлены к положению равно­ весия (а); неустойчивая структура поля ди­ намических сил — силовой вихрь (б) . Возму­ щения за счет срыва нароста вызывают на­ чальные динамические силы (F = 35—40 кГ), которые вызывают дальнейшую раскачку систе­

мы станка

151

главного угла в плане, который принят равным 30°. В этом случае базовое поле образует неустойчивую структуру типа силового вихря. Процесс резания, как показали эксперименты, действитель­ но сопровождается интенсивными вибрациями.

Анализ силового поля показывает, что начальные динамиче­ ские силы, возникающие в связи с периодичностью наростообразования, хотя по модулю имеют такой же порядок, однако направ­ лены уже не к положению равновесия, а образуют определенный момент. Это значит, что начальные динамические силы создают новое отклонение системы в область еще больших динамических сил, в результате чего происходит постепенная раскачка упругой системы станка и процесс резания нарушается вибрациями.

На малых скоростях резания [V< 10 м/мин), когда силы внешнего трения на рабочих поверхностях резца чрезвычайно ве­ лики (ц > 0,6—0,8), несмотря на значительные начальные возму­ щения, автоколебания не появляются, хотя структура поля дина­ мических сил остается неустойчивой. Это значит, что диссипативные силы создают «фрикционный барьер», который предотвращает развитие структурной неустойчивости.

По данным опытов при обработке конструкционных сталей развитие структурной неустойчивости наступает лишь при опреде­ ленной скорости резания 1'=15—20 м/мин, когда коэффициент внешнего трения снижается до 0,4. При этом начальный уровень возмущающих сил за счет срыва нароста составляет F = ±15-— 25 кГ (рис. 52,6).

По мере дальнейшего увеличения скорости резания (V = 20— 50 м/мин) коэффициент внешнего трения падает, в то время как начальный уровень возмущений за счет наростообразования остает­ ся высоким и неустойчивая структура поля динамических сил про­ является особенно сильно. На этом диапазоне скоростей резания амплитуда колебаний достигает максимального значения.

При скоростях резания V > 50 м/мин интенсивность наросто­ образования снижается и соответственно начальные возмущения становятся меньше. Так, динамические силы за счет наростообра­

ласть начальных отклонений вершины резца значительно сужается

одоления фрикционного барьера, обусловленного большими диссипативными силами, развивающимися в области стружкообразования и на рабочих поверхностях резиа.

Таким образом, при работе на больших скоростях резания значение начальных возмущений, а значит, и начальных динами­ ческих сил настолько снижается, что в ряде случаев структурная неустойчивость не реализуется и процесс резания остается устой­ чивым.

1 5 2

и начальные динамические силы не могут преодолеть фрикционный барьер. Неустой­ чивая структура базового поля не реали­ зуется

Если фрикционный барьер на малых скоростях резания (V— 15—20 м/мин) составляет ± 15—20 кГ, то на больших скоростях он снижается до ± 5 кГ. Это значит, что фрикционный барьер за­ висит прежде всего от коэффициента внешнего трения при резании.

Однако не только коэффициент внешнего трения определяет начальный уровень возмущений, приводящий к активизации не­ устойчивой структуры поля динамических сил. Необходимый на­ чальный уровень возмущений зависит также от возбуждающего эффекта неустойчивой структуры, и этот эффект может быть вы­ ражен количественно как инкремент возбуждения / (86), (96). Чем выше инкремент возбуждения, тем меньше начальный уровень воз­ мущений оказывается достаточным для активизации структурной неустойчивости. Это значит, что при высоком инкременте возбуж­ дения достаточно незначительных начальных возмущений для ак­ тивизации структурной неустойчивости.

Существенное влияние иа активность неустойчивой структуры оказывает также тип базового поля. Если образуется неустойчивая структура типа седла, то в направлении дороги неустойчивости (подробно об этом направлении говорилось в гл. I I , § 3) возникает центральное поле расходящихся сил. При достаточно низком коэф­ фициенте внешнего трения на больших скоростях резания активи-

153

зация такого поля происходит при меньшем уровне начальных воз­

§ 3. У С Т О Й Ч И В О С Т Ь П Р О Ц Е С С А Р Е З А Н И Я

П Р И О Б Р А Б О Т К Е П О С Л Е Д У

Вибрации при резании металлов появляются и нарастают в те­ чение нескольких оборотов детали. С точки зрения структурной теории возбуждения вибраций постепенное нарастание амплитуды колебаний явление вполне закономерное. Начальные возмущения, например, за счет срыва нароста или следа па поверхность реза­ ния выводят вершину резца в область достаточно больших началь­ ных динамических сил, которые, в случае структурной неустойчи­ вости базового поля, приводят к колебательному режиму с нара­ стающей амплитудой.

Вместе с тем наблюдения за процессом постепенного разви­ тия автоколебаний дали основание выдвинуть гипотезу [10], [62], согласно которой причиной вибраций может явиться след на по­ верхности резания. Это значит, что случайные возмущения приво­ дят к образованию на поверхности резания начальных воли, кото­ рые являются уже источником переменной силы резания. В даль­ нейшем этот процесс усиливается от одного оборота детали к дру­ гому, колебания нарастают, и возникают интенсивные вибрации.

Эта гипотеза возбуждения вибраций оказывается не только наглядной, но и удобной для математической обработки. В правой части обыкновенного дифференциального уравнения второго по­ рядка, описывающего колебания резца как системы с одной сте­ пенью свободы, появляется периодическая возмущающая сила с частотой, равной или близкой к собственной частоте системы. Од­ нако, несмотря на «наглядность» такого механизма возбуждения автоколебаний, имеются простые опыты, которые вступают в про­ тиворечие с рассматриваемой гипотезой. Эти опыты однозначно по­ казывают, что в случае структурной устойчивости процесса резания след на поверхности резания не может вызвать автоколебания.

1. Рассмотрим пример обработки детали, консольно установ­ ленной в трехкулачковом патроне токарного станка модели 1К.62. При вылете детали / = 190 мм и диаметре d = 49 мм жесткость си­ стемы станок — деталь — инструмент оказывается низкой (С, = = 230 кГ/мм; С2 = 320 кГ/мм). Направление главных осей жестко­ сти упругой системы СПИД связано с расположением кулачков патрона. Когда кулачки расположены так, что сила резания отжи­ мает деталь от одного из кулачков, жесткость системы в этом на­ правлении оказывается минимальной (рис. 55,а). Вместе с тем структура поля динамических сил существенно зависит от ориен­ тации оси минимальной жесткости. Критическое расположение оси минимальной жесткости может быть определено по зависимости (90).

154