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

сил в каждой точке в окрестности вершины резца. Оказалось, что в процессе резания в зависимости от условий обработки динамиче­ ские поля имеют принципиально различные структуры. Под струк­ турой поля понимается .характер поведения силовых линий — их направление около положения равновесия.

Анализ различных условий обработки показал, что в процес­ се резания возникают три основные структуры полей динамических сил: силовой узел, силовой вихрь (фокус) и седло.

Согласно доказанным теоремам процесс резания является структурно-устойчивым только в том случае, если динамические силы образуют силовое поле — сходящийся силовой узел. Это зна­ чит, что все силовые линии без исключения проходят через поло­ жение равновесия. Если в этом случае положение установившегося

что ни одна из силовых линий не проходит через положение рав­ новесия. Это значит, что при любом, как угодно малом, отклоне­ нии вершины резца из положения равновесия возникающие дина­ мические силы образуют момент относительно положения равно­ весия, в результате чего положение равновесия не восстанавли­ вается, а, наоборот, происходит раскачка системы — возникают вибрации станка. Обычно неустойчивая структура типа силового вихря охватывает систему деталь — опоры станка, собственная ча­ стота которой невелика, в связи с чем возникают низкочастотные

званном дорогой неустойчивости, динамические силы образуют рас­ ходящуюся систему сил.

Динамические силы в направлении дороги неустойчивости спо­ собны раскачать чрезвычайно жесткую и инерционную систему станка.

Существование сектора силового поля в области дороги не­ устойчивости может быть расценено как особенность базового поля. Действительно, силы упругости — восстанавливающие силы, на­ правленные к положению равновесия. Однако, несмотря на это, равнодействующие сил упругости и сил резания — динамические силы образуют в направлении дороги неустойчивости расходящую­ ся систему, которая вызывает раскачку станка. Опыт подтверждает, что в направлении дороги неустойчивости амплитуда вибраций до­ стигает максимального значения. Только детальный анализ дина­ мических силовых полей позволил установить существование та­ кого мощного источника, приводящего к высокочастотным вибра­ циям при резании.

Оказалось также, что при определенных условиях в процессе резания возможно образование и других неустойчивых структур базовых полей, в том числе расходящегося узла, когда все дина-

178

мические силы направлены от положения равновесия. В этом слу­ чае возникает апериодическая неустойчивость (подрывание или за­ тягивание резца).

Следует заметить, что ничего общего, кроме названий (узел, •фокус, седло), динамические поля не имеют с фазовыми траекто­

щение. Кроме того, фазовые траектории строятся для системы с од­ ной степенью свободы, в то время как динамические поля харак­ теризуют поле сил для системы с двумя степенями свободы.

По своему возбуждающему эффекту неустойчивые динамиче­ ские силовые поля можно сравнить с действием периодических возмущающих сил величиной от десятков до сотен килограммов с резонансной частотой. Именно такие силы возникают в окрестно­ сти вершины резца, и не удивительно, что эти силы способны рас­ качать систему станка в процессе резания. Для расчета устойчи­ вости процесса резания необходимо, таким образом, прежде всего установить структуру поля динамических сил.

Структурный критерий устойчивости (79) позволяет решить этот основной вопрос. Нарушение любого из трех неравенств кри­ терия устойчивости является свидетельством образования той или иной неустойчивой структуры поля динамических сил. Только в том

И первый и второй параметры могут быть достаточно точно опре­ делены но режиму резания, геометрическим параметрам инстру­ мента и свойствам обрабатываемого материала.

Последние три параметра характеризуют жесткость системы

этих параметров предлагается определенная методика, основанная на предварительном экспериментальном определении параметров

и ориентированными осями жесткости. Достаточно точно парамет­ ры жесткости системы резец — суппорт и деталь — опоры станка могут быть определены на основе полярных диаграмм податливо­ сти, снятых экспериментально.

Полученные уравнения радиальной (2) и ортогональной (3) податливости позволяют, основываясь на полярных диаграммах,

179

висит от направления силы резания, что не может служить исход­ ным параметром для определения направления главных осей жест­ кости. Метод определения направления главных осей жесткости, основанный на полученных уравнениях (2) и (3), позволяет одно­ значно определять угол |5, независимо от направления действую­ щих сил.

Анализ показал, что в процессе резания параметры жесткости упругой системы СПИД меняются как по углу поворота шпинделя, так и по длине детали. Поэтому основным условием правильной оценки виброустойчивостн процесса резания является определение точных характеристик жесткости упругой системы станка.

Разработанная методика определения параметров жесткости станка исходит из характеристики статической жесткости. Извест­ ные методы определения жесткости в процессе резания позволяют оценить динамическую жесткость лишь в радиальном направлении, по не позволяют определить жесткость по главным осям и направ­ ление осей жесткости, т. е. тех основных параметров, которые вхо­ дят в структурный критерий устойчивости. Поэтому одной из глав­ ных задач дальнейших исследований является разработка метода определения параметров упругой системы станка С ь С2 и [3 в ди­ намике, т. е. в процессе резания.

Вместе с тем полученные статические характеристики жестко­ сти станка как системы с четырьмя степенями свободы с учетом динамического коэффициента позволяют достаточно надежно про­ водить расчеты устойчивости процесса резания. При этом полу­ ченные количественные характеристики (такие, как инкремент воз­ буждения) позволяют рассчитать влияние на виброустойчнвость процесса резания режима обработки, углов резца, метода креп­ ления детали на станке, жесткости узлов станка и т. д.

Структура поля динамических сил является решающим фак­ тором, определяющим устойчивость процесса резания. Вместе с тем ряд физических явлений, сопровождающих процесс резания, оказывает существенное влияние на возбуждение автоколебаний. Некоторые явления, такие, как срыв нароста и след на поверхно­ сти резания, способствуют активизации структурной неустойчиво­ сти и, наоборот, большие диссипативные силы, развивающиеся на

Если в области вершины резца образуется устойчивая струк­ тура динамических сил — силовой узел, то процесс резания яв­ ляется устойчивым независимо от многих явлений, сопровождаю­ щих стружкообразование. В этом случае ни срыв нароста, ни след на поверхности резания не могут вызвать появления вибраций; периодическое возбуждение системы ударной нагрузкой не нару­ шает устойчивости процесса резания. С другой стороны, образова­

ло

Однако активизации структурной неустойчивости оказывают большое сопротивление силы внешнего трения на рабочих поверх­ ностях резца. Так, на малых скоростях резания коэффициент внешнего трения настолько велик, что процесс резания протекает спокойно, несмотря иа структурную неустойчивость поля динами­ ческих сил. Силы трения при этом создают фрикционный барьер, для преодоления которого нужны значительные начальные возму­ щения. По мере увеличения скорости резания коэффициент внеш­ него трения падает и, в то же время, срыв нароста приводит к воз­ буждению начальных отклонений из положения равновесия. Если при этом структура поля динамических сил оказывается неустой­ чивой, начальные отклонения усиливаются и процесс резания со­ провождается вибрациями.

На больших скоростях резания сила резания стабилизируется по модулю и направлению, начальные возмущения снижают своп уровень (срыв нароста исключается). Однако днссипативные силы остаются достаточно большими. Если в этих условиях возбужда­ ющий эффект неустойчивой структуры не велик, процесс резания вновь стабилизируется. Таким образом, структурный анализ устой­ чивости процесса показывает, что возбуждение вибраций нераз­

жесткости, а также анализа виброустойчивости процесса резания,

на обработку больше допустимой безвибрационной глубины реза­ ния, предлагается метод обработки с формообразующим проходом. Формообразующий проход рассчитывается с переменной глубиной резания таким образом, чтобы оставшийся припуск на чистовой проход обеспечил изменение силы резания в соответствии с пере­ менной жесткостью по длине детали, установленной на станке.

Второй способ предусматривает обработку заготовки в один проход с переменной настройкой по глубине резания, в результате чего обеспечивается компенсация погрешностей, связанных с упру­ гой деформацией системы СПИД, геометрическими погрешностями станка и т. д.

Опыты показали, что применение указанных способов для то­ карных станков с ЧПУ приводит к существенному повышению точ­ ности обработки (поле рассеяния размеров уменьшается в несколь­ ко раз) и производительности труда (число проходов снижается) при одновременном обеспечении устойчивости процесса резания.

181