Способ динамической стабильности процесса тонкой лезвийной обработки за счет анизотропных свойств режущего инструмента

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Исходные данные, технические характеристики и типовые детали представители

2. Анализ существующих методов и способов повышения эффективности процесса тонкой лезвийной обработки.

Цель и задачи исследования

2.1 Методы и способы повышения эффективности процесса тонкой лезвийной обработки. (Шероховатость поверхности, наклеп, точность формы и стойкость режущего инструмента в плане динамической нестабильности процесса резания.)

2.2 Теоретические исследования возникновения вибраций при резании металлов

2.3 Методы и способы обеспечения динамической стабильности процесса резания

2.4 Анализ способов повышения динамической стабильности в процессе тонкой лезвийной обработки

2.5 Выводы и постановка задачи в работе

3. Способ динамической стабильности процесса тонкой лезвийной обработки за счет анизотропных свойств режущего инструмента

3.1. Способ обеспечения динамической стабильности процесса тонкой лезвийной обработки за счет анизотропных свойств режущего инструмента

3.2 Анализ способа изготовления державки режущего инструмента на основе анизотропных свойств металла

3.3 Результаты и выводы по главе

4. Исследование режущего инструмента с анизотропными свойствами державки

4.1 Анизотропия характеристик прочности по экспериментальным данным. Прочность и пластичность металлов

4.2 Способ изготовления и методика испытания механических свойств пластин державки

4.3 Экспериментальные исследования режущего инструмента с анизотропными свойствами державки

4.4 Результаты и выводы по главе

5. Техника безопасности

5.1 Техника безопасности для токарей занятых обработкой металлов на токарных станках

5.2 Разработка инструкции по технике безопасности при эксплуатации резцов с разноориентированной текстурой державки

5.3 Расчет освещенности участка

6. Основные понятия инновационного менеджмента

6.1 Понятия инновации и инновационного процесса

6.2 Управление процессом подготовки производства новой техники 6.3Организация инновационных процессов в технологической подготовке производства на автомобильном производстве

Заключение по работе

Список литературы

Введение

Основой для возрождения отечественной промышленности, для возвращения России в число передовых индустриально развитых государств мира является автомобильное производство.

Возрождение и развитие отечественного автомобильного производства невозможно без интенсификации производства на основе широкого использования достижений науки и техники, применения прогрессивных технологий. Повышение эффективности автомобильного производства может быть осуществлено только путем его автоматизации и механизации, оснащение высокопроизводительным оборудованием, в первую очередь, металлорежущими станками. Таким образом, возрождение и развитие станкостроения - важнейшее условие развития всей индустрии страны. Работа автомобильных предприятий в условиях рынка требует постоянного совершенствования технологических процессов, средств автоматизации и технологий управления, на всех уровнях производства. Известно, что традиционный подход к интенсификации производства, с возможностью быстрого реагирования на потребность рынка заключается во всемерном повышении производительности ТО и ТП. При этом обычно сохраняется значительная доля ручного труда человека, который в отдельных производственных процессах составляет 60% от общих затрат. Постепенно по мере развития техники традиционный путь интенсификации современного производства привел к резкому дисбалансу форм интенсификации труда человека и машины. Поэтому главная тенденция и особенность современного этапа интенсификации производства, состоит в том, что эту проблему необходимо решать по новому, за счет исключения исчерпывающего себя интенсивности физического труда человека и расширения применения более гибких форм производств.

Начальным этапом в проведении мероприятий по совершенствованию технической и технологической базы, а также в использовании, новых методов организации производства, становится создание высокоавтоматизированных производств, основанных на широком применении современного программно-управляемого технологического оборудования, микропроцессорных управляющих вычислительных средств робототехнических систем, средств автоматизации проектно-конструкторских, технологических и планово-производственных работ.

Опыт в автоматизации обработке информации в отрыве от автоматизации технологии показал, отсутствие желаемых результатов поэтому, в конце 80-х годов был взят курс на интеграцию автоматизации обработки информации (АСУ) САПР и автоматизации технологии производства.

Наиболее интенсивна, такая интеграция осуществлялась в направлении создания гибких автоматизированных производств (ГАП). До появления гибких систем автоматизации, автоматизация этих производственных процессов ограничивалась массовым производством, однако с уменьшением жизнедеятельности цикла изделий и с высокими требованиями к конкурентной способности продукции на рынке производителей возникла необходимость в создании таких производств, которые обеспечивают изготовление изделий небольшими партиями при сохранении производительности, качества и себестоимости, присущих крупносерийному производству. При этом возникающую проблему, нельзя было решать за счет повышения эффективности использования основного времени работы технологического оборудования, т. к. оно в любом производстве составляет минимальную долю. Например, основное машинное время оборудования для большинства производств составляет 6% от общего времени, а доля вспомогательного времени в совокупности с потерями превышает 50-60%. Поэтому в дальнейшем основной упор был сделан на автоматизацию всех операций. Обеспечение автоматического функционирования, оборудования в вечернее и ночные смены, сокращение времени переналадок, переоснащения, автоматизация управления материальных и информационных потоков. Зарубежный и отечественный опыт в эксплуатации гибких производств показал, что можно добиться увеличения коэффициента использования оборудования на 30%, уменьшения его простоя на 40%, снижение стоимости единицы продукции на 10%, уменьшения потребности в персонале на 30%, что позволяет обеспечить высокую конкурентно способность на рынке производителей продукции.

Обработка металлов резанием является составляющей частью процесса производства большинства деталей. Как и другие технологические процессы, она должна быть конкурентно-способной. Независимо от того, идет ли речь об обработке отдельных сложных деталей на небольшом предприятии или о массовом производстве простых валов, получение прибыли или убытков зависит от экономической эффективности процесса обработки.

Одним из путей достижения эффективности процесса обработки является рациональное сочетание капитальных затрат и других дополнительных расходов, поскольку в ряде случаев заготовка и вспомогательные материалы тоже достаточно дороги. Хотя минимум себестоимости и максимум производительности не совпадают, ниже мы покажем, что главный путь достижения эффективности - наиболее полное использование машинного времени, т.е. работа с наибольшей производительностью, когда выпуск деталей в единицу времени максимален.

В металлообработке можно увидеть, что любые изменения в технологии как существенные, так и незначительные, приводят к ощутимым изменениям стоимости изготовления деталей. Новый станок с ЧПУ многократно увеличивает выпуск продукции, технологические возможности и скорость обработки. Но затраты на него только тогда имеют смысл, когда приведут к такому совершенствованию производства, что в последующие годы не только окупятся, а начнут приносить прибыль.

Процесс обработки металлов резанием может быть существенно усовершенствован и более доступным путем, чем покупка нового оборудования - за счет рационального применения правильного высокопроизводительного инструмента.

Развитие процесса металлообработки идет быстрыми темпами. Методы, применяемые при точении, фрезеровании и сверлении десять и даже пять лет назад, сейчас в большинстве своем устарели. Современный инструмент настолько отличается по своим возможностям от применяемого пять лет назад, что если оснастить два одинаковых станка современным и старым инструментом, то станок с новым инструментом за один рабочий день обработает несоизмеримо большее количество деталей.

Правильный выбор инструмента или даже просто сменных многогранных пластин обеспечит обработку большего количества деталей за одно и то же время. Не использовать преимущества этого пути и не вкладывать средства в современное инструментальное оснащение существующего оборудования - значит не использовать в полной мере возможность сделать производство более доходным и конкурентоспособным. Правильно выбранный инструмент позволяет быстрее окупить затраты на новое оборудование, значительно повысить производительность старого оборудования и сделать работу операторов более продуктивной. Применение современного инструмента эффективно как на новом, так и на старом оборудовании.

В современной металлообработке себестоимость производства детали складывается из нескольких частей. Одна из них - стоимость режущего инструмента. Расчеты показывают, что затраты на инструмент составляю всего несколько процентов от общего объема затрат. Инструмент стоит практически одинаково по всему миру, тогда как стоимость работы оператора сильно отличается в различных странах. Но даже если стоимость труда относительно низкая, а оборудование старое и давно себя окупило, не использовать возможности для повышения его производительность - это все равно, что игнорировать собственную прибыль.

Хотя стоимость режущего инструмента составляет несколько процентов от полной себестоимости производства изделия, инструмент существенно влияет на:

- процесс резания

- время наладки

- количество необходимых операций

- время изготовления детали

- количество инструмента на складе

Современный уровень развития промышленности и внедрение новых прогрессивных технологических процессов требуют создание мощного и высокопроизводительного металлообрабатывающего оборудования.

Важнейшим требованием предъявляемым к любому станку, работающему в производстве и создания автомобиля, является возможность обеспечения требуемой точности обработки и шероховатости поверхности изделий при высокой производительности труда. Это обуславливает основную тенденцию в современном производстве автомобилей - возрастание режимных параметров.

В результате увеличения скоростей главного движения и подач при одновременно высоких требованиях к точности и шероховатости поверхности обрабатываемых изделий возникла необходимость систематического исследования и повышения жесткости и виброустойчивости станков.

Необходимая виброустойчивость достигается изменением конструкции передач и привода, динамическим уравновешиванием быстро вращающихся деталей, устранением чрезмерных зазоров в соединениях и т.д.

Основной способ повышения виброустойчивости станка - создание более жестких конструкций станины, стойки, столы и другие детали делают сравнительно тонкостенными, а затем усиливают их ребрами жесткости, используют дополнительные зажимы, крепления в виде опор, кронштейнов, поддержек, растяжек, по возможности уменьшают число стыков. Эти способы являются и способами виброустойчивости. Одним из современных методов повышения виброустойчивости станков является применение гасителей колебаний.

Внедрение высокопроизводительных методов обработки в производство изделий автомобилей невозможно без проведения больших комплексных исследований.

1. Исходные данные, технические характеристики и типовые детали представители

В качестве режущего инструмента используется токарный сборный проходной резец с разноориентированной текстурой державки, оснащенный сменной режущей пластинкой из керамики марки ВОК 71. Корпус державки инструмента изготовлен из стали 40Х (ГОСТ 4543-71), HRC 42-46.

Державка состоит из собранных между собой по плоскостям пластин, параллельным опорной поверхности державки, которые вырезаны из листового проката с продольной и поперечной ориентировкой их по плоскости, относительно направления проката. Пластины устанавливаются на корпус державки и с помощью винтов крепятся на державке. Они устанавливаются в корпусе с углом разориентировки текстуры рис.1.1.

Рис.1.1. Токарный сборный проходной резец

Опишем по порядку типовые детали представители, рассмотрев применение, конструкцию, особенности обрабатываемых поверхностей, химические и механические свойства материалов из которых они изготовлены.

“Кольцо наружное”, чертеж МА 18237.02.011 одна из деталей станка для изолировки стержней г/г. Кольцо наружное в сборе с кольцом внутренним, при наличии внутри шариков диаметром 10 мм, образует упорный подшипник. Вращение осуществляется за счет шестерни, через зацепление с кольцом внутренним. Сборка данной детали в рабочее положение осуществляется за счет внутреннего диаметра 310H7 (^+0,052 ). Установка в рабочее положение в сборе за счет 4-х отверстий диаметром 7 мм под установочные штифты и 6-ти крепежных отверстий М6-7H. На данный подшипник крепятся обмотчики, которые вращаясь на большой скорости осуществляют полуавтоматическую обмотку стержней г/г.

Деталь “Кольцо наружное”, по классификации относится к 3-му классу - диски. Главными поверхностями обработки деталей этого класса являются торцевые наружные и внутренние поверхности, обрабатываемые на различных станках токарного типа. Отличительной особенностью деталей этого класса является отношение наружного диаметра к длине детали.

Заготовкой служат поковки по ГОСТ 7831-75, поэтому конфигурация наружного контура не вызывает значительных трудностей при получении заготовки. В нашем случае мы получим поковку типа кольца. Мы получим заготовку максимально приближенную по размерам и форме к конечному виду детали. В процессе обработки больших сложностей с обработкой наружных и внутренних поверхностей произойти не должно. Однако наибольшую трудность вызовет обработка посадочного диаметра 310H7 (^+0,052 ) с шероховатостью 1,25 мкм и особенно обработке внутреннего профиля поверхности Б с шероховатостью 0,63 мкм. Эта поверхность является основной, которая влияет на работу всей установки. В процессе работы установки по поверхности Б осуществляется поворот установки за счет шариков диаметром 9 мм, имитируя тем самым шарикоподшипник большого диаметра. Изготовлена из стали 5ХНМ. Твердость детали после термообработки составляет 36…42 HRC. Химический состав и механические и технологические свойства стали 5ХНМ ГОСТ 5950-73 (табл. 1).

Таблица 1 Химический состав и механические и технологические свойства стали 5ХНМ ГОСТ 5950-73

Химический состав, %
С	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Мо
			Не более
0,5-0,6	0,15-0,35	0,5-0,8	0,030	0,030	0,50-080	1,4-1,8	0,15-0,3
Механические свойства
Режим термооб-работки	Располо-жение образца	ут, кгс/мм2	ув, кгс/мм2	фкр, кгс/мм2	Ш, %	HB
Отжиг	продольное					197-241
Закалка	продольное					HRC 35-46
Технологические свойства
Температура ковки, С°	Свари- ваемость	Обрабатываемость резанием	Склонность к отпускной хрупкости	Коррози-онная стойкость
начало	конец	-	Твердый сплав КV=0,60 Быстрорежу-щая сталь КV=0,30 HB 286	Не склонна	Низкая
1150-1180	850-900

Назначение: ковочные штампы для горячей штамповки, имеющие глубокую и несимметрично расположенную рабочую фигуру и испытывающие повышенные ударные и изгибающие нагрузки, вставки, детали контейнеров и др.

Деталь “Калибр”, чертеж МА 19105.02.001 одна из деталей комплекта технологической оснастки для дорновки сегментов обода ротора г/г. Данная оснастка позволяет укладывать сегменты по диаметру ротора высотой 1000 мм точно по диаметру, совмещая при этом отверстия под дальнейшее крепление шпильками. Калибровка отверстий осуществляется с помощью набора калибров совместно с дорнами. Давление подается с помощью гидростанции через гидроцилиндры, а возврат осуществляется за счет пружин. За один раз происходит укладка и совмещение пакета высотой 100 мм и калибровка 6-ти отверстий. Сборка данной детали в рабочее положение осуществляется за счет внутренних торцевых крепежных отверстий М24-7H и М16-7H. Данный комплект заменил на операции укладки сегментов прошивки, которые более трудоемки в изготовлении и довольно быстро выходившие из строя. Проблема возникла в результате подкаливания кромок при вырезке сегментов обода ротора на лазере. За счет высокой твердости, точности и шероховатости поверхности калибров, они заменили при калибровке протяжки. При укладке калибры не снашиваются и работают в несколько раз дольше протяжек.

Деталь “Калибр”, по классификации профессора А.П. Соколовского относится к 1-му классу - валы. В основу рассматриваемой классификации деталей положены три определяющих фактора: размерность детали (ее габариты и вес), форма детали и процесс ее обработки. Главными поверхностями обработки деталей этого класса являются цилиндрические наружные и внутренние поверхности, обрабатываемые на различных станках токарного типа. Отличительной особенностью деталей этого класса является отношение наружного диаметра к длине детали.

Заготовкой служат прутки холоднотянутые (калиброванные) круглые - ГОСТ 7417-57, диаметром 40 мм, поэтому конфигурация наружного контура не вызывает значительных трудностей при получении заготовки. В процессе обработки больших сложностей с обработкой наружных и внутренних поверхностей произойти не должно. Однако большая длина детали не позволит сверлить с достаточной точностью внутреннего диаметра 14 мм. Сверловку данного отверстия будем производить с переворотом детали. Обработка внутренних торцевых отверстий под резьбу, нарезка резьбы и обработка диаметра 25 мм не составит больших сложностей. Наибольшую точность и шероховатость обрабатываемой поверхности Rа =1,25 мкм , необходимо получить по наружному диаметру 38,2h6 (_-0,016 ). Сложность заключается в том, что чистовую обработку данной поверхности нужно производить после термообработки, одновременно обрабатывая 2 фаски по краям 5х12° с данной шероховатостью. Изготовлена из стали ХВГ. Твердость детали после термообработки составляет 58…62 HRC. Химический состав и механические и технологические свойства стали 5ХНМ ГОСТ 5950-73 (табл. 2).

Таблица 2 Химический состав и механические и технологические свойства стали 5ХНМ ГОСТ 5950-73

Химический состав, %
С	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	W
			Не более
0,3-1,05	0,15-0,35	0,80-1,1	0,030	0,030	0,9-1,2	? 0,25	1,2-1,6
Механические свойства
Режим термооб-работки	Располо-жение образца	ут, кгс/мм2	ув, кгс/мм2	фкр, кгс/мм2	Ш, %	ув,(сж) кгс/мм2	HB
Отжиг	продольное						207-255
Закалка	продольное	160	300-340	177		511,4	HRC 62-65
Технологические свойства
Термообработка	Свари- ваемость	Обрабатываемость резанием	Шлифу-емось	Коррози-онная стойкость
1.Отжиг 2.Закалкас 840° 3.Закалка с 840° и отпуск 150°	-	Твердый сплав КV=0,80 Быстрорежущая сталь КV=0,50 HB 241	Удовлетво-рительная, аналогична 9ХС	Низкая

Назначение: для изготовления протяжек, предназначенных для работы с малыми скоростями резания, измерительного инструмента.

“Вкладыш”, чертеж МА 19105.02.015, одна из деталей “ Разгонной установки для испытания коллекторов”. Вкладыш сферический капсуля подшипникового, устанавливается в корпусе машины на высокоскоростном тяжело нагруженном валу. Служит для компенсации неточности изготовления (несоосность посадочных мест) и разгрузки подшипников при динамических деформациях вала во время вращения. Режим работы подшипников - тяжелый. Работа установки на пределе скоростной выносливости. С установкой вкладыша на вал, увеличился многократно срок службы подшипников. Сборка данной детали в рабочее положение осуществляется за счет внутреннего диаметра 90H7 (^+0,035 ), в который запрессовывается подшипник. Крепление подшипника в корпусе вкладыша осуществляется за счет крышки, которая фиксируется болтами в резьбовые крепежных отверстия М8. Наружный диаметр 165g6 ( ^-,014_-0,039 ) с шероховатостью Rа = 0,32 мкм является основной при работе установки. Достаточно сложно добиться заданной точности и шероховатости наружной поверхности сферы.

Деталь “вкладыш”, по классификации относится ко 2-му классу - втулки.

Главными поверхностями обработки деталей этого класса являются наружные и внутренние поверхности, обрабатываемые на различных станках токарного типа. Эти поверхности имеют довольно жесткий допуск, высокую шероховатость обрабатываемой поверхности и завязаны между собой допуском радиального биения 0,05 мм, что предопределяет необходимость обработки данных поверхностей за одну установку. Отличительной особенностью деталей этого класса является отношение наружного диаметра к длине детали.

Заготовкой служит сортовой прокат по ГОСТ 2590-77, поэтому конфигурация наружного контура не вызывает значительных трудностей при получении заготовки. Внутреннее отверстие изначально будем обрабатывать методом сверления. Изготовлен из стали 40Х. Твердость детали после термообработки составляет 45…50 HRC. Химический состав и механические и технологические свойства Стали 40Х ГОСТ 4543-71 (Табл. 3).

Таблица 3 Химический состав и механические и технологические свойства Стали 40Х ГОСТ 4543-71

Химический состав, %

С	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Cu
			не более
0,36-0,44	0,17-0,37	0,5-0,8	0,035	0,035	0,8-1,1	? 0,25	?0,20

Механические свойства

Режим термообработки	Расположение образца	ут, кгс/мм2	ув, кгс/мм2	д, %	Ш, %	ан, кгс··м/см2	HB
Отжиг	продольное	30	60	80	25	9	?217
Нормализация	продольное	35	67	14	35	-	187-229
Закалка	продольное	90	110	8	35	4	HRC?56

Технологические свойства

Температура ковки	Свариваемость	Обрабатываемость резанием	Склонность к отпускной хрупкости	Коррозионная стойкость
начало	конец
1200	800	Трудно сваривается. РДС - необходим подогрев и последующая термообработка	Твердый сплав КV=0,80 Быстрорежу-щая сталь КV=0,80 HB 197-207	Склонна	Низкая

Назначение: для пинолей, червячных валов, зубчатых колес, шпинделей, осей, оправок, муфт, реек, кулачков, коленчатых валов, зубчатых венцов, валов-шестерен, кривошипов, полуосей, дисков упорных, роторов турбокомпрессоров, высокопрочных труб нефтяной промышленности, седел клапанов, деталей компрессоров и трубопроводной промышленности.

Технологическое оборудование: токарно-винторезный станок 16К20Ф32 с ЧПУ.

Характеристика производства: производственные участки, входящие в производство технологической оснастки, специализируются:

- по видам технологической оснастки: участок изготовления штампов и прессформ, участок изготовления приспособлений и участок изготовления режущего инструмента.

Производственные участки входящие в производство нестандартизированного оборудования:

-механический участок специализируются на изготовлении нестандартизированного и специального технологического оборудования по чертежам ОТО.

Тип производства - мелкосерийное. В дипломном проекте рассмотрим 3 вида деталей. Они выбраны из многообразия всевозможных деталей изготовляемых в комплексе. Допустим в 2004 году изготовлено следующее их количество:

Калибр - рис. 1.1 в количестве 840 штук;

Кольцо наружное - рис. 1.2 в количестве 24 штуки;

Вкладыш - рис. 1.3 в количестве 12 штук.

2. Анализ существующих методов и способов повышения эффективности процесса тонкой лезвийной обработки. Цель и задачи исследования

2.1 Методы и способы повышения эффективности процесса тонкой лезвийной обработки (Шероховатость поверхности, наклёп, точность формы и стойкость режущего инструмента в плане динамической нестабильности процесса резания)

Качество поверхности деталей машин - комплексное понятие, определяемое совокупностью признаков [20, 21]. Классификация параметров качества поверхностного слоя детали приведена на рис. 2.1.

Шероховатость поверхностей деталей машин оказывает существенное влияние на их эксплуатационные свойства и характер процессов, происходящих на поверхностях (например, на трение и износ, контактные деформации, концентрацию напряжений, усталостную и ударную прочности, коррозионную стойкость, герметичность и прочность соединений, магнитные свойства, прочность и качество покрытий).

По ГОСТ 2789-73 установлены следующие параметры шероховатости поверхности: R_a- среднее арифметическое отклонение профиля, в мкм; R_Z- высота неровностей профиля по десяти точкам, в мкм; R_max- наибольшая высота неровностей профиля, в мкм; S_m- средний шаг неровностей профиля, в мкм; S- средний шаг неровностей профиля по вершинам, в мкм; t_p- относительная опорная длина профиля, в мкм.

В процессе обработки резанием формирование микропрофиля обработанной поверхности происходит под влиянием следующих основных факторов:

-геометрических (главный угол в плане ц, вспомогательный угол в плане ц₁, радиус при вершине r, шероховатость формообразующей поверхностей режущего инструмента R_u, количество участвующих в обработке режущих кромок z);

-кинематических (подача s, смещение режущих кромок д_z, неодинаковость углов в плане на участвующих в работе режущих кромках дц и дц₁);

-факторов, влияющих на условия пластического деформирования материала в зоне резания (скорость резания н, время работы инструмента Ф_u, радиус округления режущей кромки с, износ инструмента h_з, глубина резания t, передний угол г, задний угол б);

-свойств обрабатываемого материала М;

-свойств инструментального материала И;

-динамического состояния D технологической системы;

-свойств и способов подвода СОТС и вторичных свойств в зоне резания - температуры Т и коэффициента трения ѓ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.1. Классификация параметров качества поверхностного слоя детали.

Формирование шероховатости поверхности можно представить композиционной моделью, содержащей детерминированную (регулярную, периодическую) основу и налагающуюся на её случайную компоненту (Рис.2.2).



а)

б)

в)

Рис. 2.2. Композиционная модель шероховатости поверхности: а- детерминированная основа; б- случайная составляющая; в- суммарная составляющая.

При лезвийной обработке отклонение реального микропрофиля от расчетного детермированного происходит в результате вторичных пластических деформаций. В зоне контакта инструмента и обрабатываемой поверхности, упругого восстановления поверхностного слоя и появления вибраций при резании.

Вторичные пластические деформации происходят в зоне контакта главной и вспомогательной задних поверхностей инструмента или нароста с обрабатываемым материалом. В результате на обработанной поверхности наблюдаются задиры, вырывы, происходит деформация остаточных гребешков. Задиры появляются в местах повышенных коэффициентов трения и контактных нагрузок на задней поверхности.

Периодически повторяющиеся вырывы на обработанной поверхности наблюдаются в местах отрыва поверхностного жидкотекучего слоя от кристаллической основы, при течении обрабатываемого материала относительно инструмента. Нерегулярные вырывы неповторяющейся формы вызваны, как правило, образованием нароста. Деформация остаточных гребешков особенно существенна при малых значениях подач, вызывающих увеличение не только высоты микронеровностей, но и уровня случайной составляющей в результате неравномерного распределения деформаций по длине гребешка.

Отклонение реальной шероховатости от расчетной в значительной степени зависит от динамической жесткости технологической системы.

Из технологических факторов наибольшее влияние на шероховатость обработанной поверхности оказывает подача (толщина среза). Характерная зависимость показателя R_а от подачи приведена на рис. 2.3. С увеличением s зависимость шероховатости от подачи приближается к виду R_a=ѓ(s²), т. е. к расчетной детермированной составляющей. С уменьшением подачи s эта зависимость нарушается в результате увеличения доли случайной составляющей и возрастания влияния вторичных пластических деформаций.

При s <0,05...0,02 мм/об (рис. 2.4), особенно при обработке вязких материалов, шероховатость практически не зависит от s и даже может увеличиваться при дальнейшем ее уменьшении. Объясняется это тем, что при таких малых подачах величина остаточных гребешков становится сопоставимой и даже меньше неровностей, вызываемых вторичными пластическими деформациями.

R_a, мкм R_a, мкм

2

3 0,9

2 0,6

1 0,3

1

0 0,1 0 0,02 s, мм/об

Рис. 2.3. Влияние подачи на шероховатость поверхности при точении	Рис. 2.4. Изменение шероховатости поверхности

08х18Н10Т при v=60м/мин и t=1мм при точении с малыми подачами:

1 -сталь45; 2 - 08Х18Н10Т

Изменение шероховатости в зависимости от скорости обусловлено температурой и условиями трения в зоне резания. При малых скоростях резания сравнительно низкая пластичность материала способствует увеличению случайной составляющей шероховатости, особенно при скоростях резания, соответствующих интенсивному наростообразованию. Дальнейшее увеличение V вызывает плавное уменьшение шероховатости за счет увеличения пластичности обрабатываемого материала и уменьшения коэффициентов трения в зоне резания. При достаточно больших скоростях резания доля случайной составляющей может уменьшиться настолько, что реальная шероховатость практически сравняется с расчетной детермированной. Характерная зависимость влияния скорости на показатель R_z показана на рис. 2.5.

Глубина резания (ширина срезаемого слоя) практически не влияет на шероховатость обработанной поверхности. Из геометрических параметров режущего инструмента наибольшее влияние на шероховатость обработанной поверхности оказывают углы в плане ц и ц₁, а также радиус при вершине резца r (см. рис. 2.6).

Во всех случаях уменьшению шероховатости способствует создание на режущих кромках фасок с углом в плане ц=0 t>1,5s_z.

R_a, мкм

30

20

10

0 1 v, м/мин

Рис. 2.5. Влияние скорости резания на шероховатость поверхности стали 08Х18Н10Т.

Увеличение переднего и уменьшение заднего углов инструмента способствует некоторому (до 15%) уменьшению шероховатости обработанной детали [28], однако в реальных пределах их изменения этим влиянием можно пренебречь; выбирать значение этих углов следует с учетом сил резания, стойкости инструментов.

Влияние инструментального материала на шероховатость обработанной поверхности обусловлено трением на рабочих поверхностях инструмента и износом. Изменение марки инструментального материала в пределах одной группы (быстрорежущие стали, твердые сплавы - вольфрамовые, титановольфрамовые) почти не влияет на шероховатость обработанной поверхности, так как условия трения в зоне резания для всех материалов одной группы практически одинаковы.

При использовании твердых сплавов шероховатость несколько уменьшается с уменьшением содержания кобальта; применение титановольфрамовых твердых сплавов способствует некоторому уменьшению шероховатости по сравнению с вольфрамовыми.

Применение инструментов из синтетических или натуральных минералов способствует резкому снижению шероховатости обработанной поверхности за счет уменьшения сил трения на контактных поверхностях инструмента и как результат уменьшения уровня случайной составляющей. Использование в качестве инструментального материала алмаза, имеющего наименьший коэффициент трения в паре с металлами, способствует резкому уменьшению R_a и приближению реальной шероховатости к расчетной детерминанте (рис. 2.6).

1 2

Рис. 2.6. Профиллограммы поверхностей, обработанных алмазным (1) и твердосплавным инструментом Т15К6 (2):

v=120м/мин; s=0,07мм/об; t=0,2мм

По мере изнашивания инструмента шероховатость обработанной поверхности возрастает и к концу периода стойкости увеличивается при точении на 57%, цилиндрическом фрезеровании - на 115%, торцевом фрезеровании - на 45%, сверлении - на 30%, развертывании - на 20%.

Пластическая деформация поверхностного слоя приводит к резкому изменению структуры: фрагментации зерен, возникновению микроискажений, увеличению на несколько порядков плотности дислокаций. Микроструктура поверхностного слоя рассматривается в поперечном (нормальном) сечении или на косых срезах в зависимости от толщины деформированного слоя. Как правило, в поперечном сечении структура поверхностного слоя состоит из зерен твердого раствора, вытянутых в направлении движения инструмента.

Микроструктура поверхностного слоя зависит от факторов, определяющих протекание пластических деформаций в зоне резания. Увеличение степени изменения микроструктуры происходит с увеличением подачи, радиуса округления режущей кромки, уменьшением переднего угла, а также при повышенном износе инструмента.

2.2 Теоретические исследования возникновения вибраций при резании металлов

Возникновение вибраций при резании способствует интенсивному износу режущего инструмента, снижению долговечности исполнительных механизмов станка, вызывает снижение точности обработки и ухудшение качества поверхностного слоя изделия [5, 25, 26].

Данный процесс характеризуется возмущающими силами, инерционными и упругодиссипативными свойствами системы. Возмущающие силы в зависимости от физической сущности механизма возбуждения вибраций, действующего на технологическую систему, приводят к возникновению собственных затухающих и вынужденных колебаний, а также автоколебаний, параметрически возбуждаемых и других колебаний.

Вследствие воздействия на технологическую систему внешней периодической силы, вызывающей колебательный процесс с частотой, равной частоте возмущающей силы или сложные периодические процессы, обусловленные нелинейными свойствами системы, возникают вынужденные колебания. Интенсивность вынужденных колебаний особенно велика на резонансных режимах, которые, как правило, не допустимы в металлорежущих станках в качестве рабочих режимов. Снижение интенсивности и уровня колебаний в технологической системе является актуальной проблемой, которая решается на основе динамического синтеза параметров разработанными методами [24].

Автоколебания характеризуются тем, что силы, поддерживающие колебательный процесс, возникают в самом процессе колебаний. Таким образом, автоколебания являются самовозбуждающимися колебаниями, возникающими при установочных перемещениях рабочих органов станка и в рабочих режимах медленных подач (фрикционные автоколебания), а также в процессе обработки заготовки (автоколебания при резании) [24, 25, 26, 27]. Для систем с конечным числом степеней свободы возможны автоколебания на различных частотах, близких к частотам собственных колебаний и практически независящих от показателей режимов резания. Амплитуда автоколебаний существенно зависит от условий обработки, так при увеличении ширины среза увеличивается амплитуда автоколебаний, а также от уровня диссипации энергии в системе. Определение границы области устойчивости системы позволяет при выборе режимов обработки исключить из эксплуатационных автоколебательные режимы, которые являются, как правило, недопустимыми, особенно при чистовой обработке.

Изучению автоколебаний при резании металлов посвящены ряд фундаментальных исследований: И.С.Амосова , Б.П.Бармина [28], В.Л.Вейца [23, 30] , Д.В.Василькова [22, 39], В.В.Максарова [29, 30], Ю.И.Городецкого , Н.А.Дроздова, И.Г.Жаркова, В.Л.Заковоротного, В.В.Зарса, А.И.Каширина, В.О.Кононенко, В.А.Кудинова [32], Л.К.Кучмы, Л.С. Мурашкина, С.Л.Мурашкина, В.И.Петрова, В.Н.Подураева, А.В.Пуша, В.Э.Пуша, Д.Н.Решетова, А.П.Соколовского, Н.И.Ташлицкого, М.Е.Эльясберга [24] и других авторов.

Единства взглядов в понимании особенностей механизма возбуждения автоколебаний в технологической системе в настоящее время не существует. Это объясняется его сложностью и недостаточной изученностью. Поэтому современные представления об источниках возникновения автоколебаний в технологической системе механической обработке резанием основаны на различных гипотезах.

Вибрации при резании металлов долгое время считались вынужденными колебаниями. Трактовку вибраций, как вынужденных колебаний впервые опроверг Н. А. Дроздов. В своих исследованиях он установил, что частота вибраций практически остается неизменной в широком диапазоне скоростей резания. На основании этого Н. А. Дроздов пришел к заключению, что вибрации, порождаемые процессом резания, следует считать автоколебаниями.

А. И. Каширин первым попытался создать теорию вибраций при резании на базе теории автоколебательного процесса. Основываясь на аналогиях с некоторыми другими видами механических автоколебаний, он основное значение придавал существованию зависимости силы трения стружки о поверхность резца от скорости резания (наличию падающей характеристики).

Природа образования вибраций объясняется влиянием пластических деформаций и тепловых явлений на силы трения при резании.

Теория А.П. Соколовского также исходит из особенностей изменения силы резания, однако физическая сущность имеющих здесь место зависимостей объясняется иначе, чем у А. И. Каширина.

А. П. Соколовский считает, что силы, возникающие в связи с падающей характеристикой, не являются основными силами, поддерживающими колебания, так как они сами по себе малы. Он рассматривает возникновение автоколебаний в тот момент, когда инструмент обрабатывает каждый раз новую поверхность, не имеющую волнистости и вибрационного наклепа от предшествующего прохода. При однажды возникающих колебаниях резец периодически внедряется в металл то на большую, то на меньшую глубину. При внедрении в металл резец будет срезать свежие, менее упрочненные, а при выходе из металла уже деформированные, более упрочненные слои металла. Поэтому сила резания, возникающая во время выхода резца из металла и отталкивающая деталь от резца, будет больше силы резания, возникающей при внедрении резца в металл и препятствующей приближению детали к резцу.

Л.С.Мурашкин, С.Л.Мурашкин предполагали, что неустойчивость процесса резания может вызываться зависимостью силы резания от скорости, имеющей падающую характеристику. При этом рассматривалось наличие попеременно падающих и подымающихся участков характеристики сил резания по скорости, а также их нелинейность.

По И.И. Ильницкому [32] основной причиной возбуждения автоколебаний является переменная сила, действующая по задней грани и возникающая в связи с периодическим изменением задних углов в процессе колебаний. Величина силы трения, действующая по задней грани и зависящая от величины заднего угла, в полупериод прогиба резца вниз - увеличивается, а в полупериод движения его вверх - уменьшается. Эта переменная сила трения и обеспечивает поддержание незатухающих колебательных процессов резания.

И. Тлустый и В. А. Кудинов [4] независимо друг от друга выдвинули теорию, основанную на принципе координатной связи, сущность которой состоит в следующем.

Если тело совершает колебания в плоскости по двум направлениям и эти колебания связаны друг с другом, то при колебаниях в некоторых случаях может получиться положительная работа за цикл, хотя движение по каждому из этих направлений в отдельности совершались бы с поглощением работы. И. Тлустый и В. А. Кудинов учитывают две степени свободы системы и одновременно рассматривают колебания как в направлении действия силы Ру, так и в направлении действия силы Рz.

Позднее В.А. Кудинов [4], изучая закономерности и условия, при которых отсутствуют колебания, с точки зрения устойчивости движения заданной механической системы со смешанным трением, объяснил природу разрывных автоколебаний при трении в металлорежущих станках.

Переход от устойчивого движения к появлению автоколебаний получил следующую трактовку. Если движение неустойчиво, то случайно возникшее отклонение начинает возрастать. При колебательном периодическом характере неустойчивости, практически наиболее распространенном, возрастает амплитуда колебаний. В некоторых случаях такое возрастание продолжается вплоть до разрушения системы. В.А.Кудиновым было впервые введено понятие динамической характеристики резания, как элемента динамической системы станка, представляющей собой зависимость изменения силы резания от вызвавшего это изменение относительного смещения заготовки и инструмента. Введено принципиально новое понятие постоянной времени стружкообразования Т_р, указано на ее прямую зависимость от размера усадки и обратную зависимость от скорости резания V_s. Сила, образуемая в процессе резания, при этом отстает по фазе от изменения толщины срезаемого слоя, совершая работу, поддерживает в технологической системе автоколебательный процесс.

М. Е. Эльясберг [24] предложил теорию автоколебаний металлорежущих станков на основе особенностей физического процесса, протекающего при резании металла. В качестве феноменологического фактора, вызывающего возможность неустойчивости системы, принято запаздывание обоих видов сил по отношению к соответствующим возмущениям, неизбежное при разрушающей деформации упруго-вязких металлов. Сюда относится запаздывание силы резания относительно колебания сечения срезаемого металла и силы трения относительно колебания силы резания.

В работе И.Г.Жаркова был проведен анализ влияния скорости резания на процесс резания и состояние пластической зоны. Анализ показал, что быстрое изменение скорости резания при малых относительных смещениях инструмента и заготовки оказывает несущественное влияние на силу резания, и только при значительных изменениях скорости резания (больших амплитудах колебаний) ее влияние на силу резания может стать существенным.

Анализ существующих гипотез возбуждения автоколебаний, основанных на физическом представлении процесса резания, позволяет перечисленные выше факторы считать не столько причиной, сколько следствием активного пластического деформирования и разрушения обрабатываемого металла в процессе стружкообразования.

Учитывая вышеизложенное, можно выделить следующие гипотезы об источниках возникновения автоколебаний в технологической системе механической обработки резанием:

1. наличие участка падающей характеристики. Зависимость скорости резания от силы резания;

2. наличие координатной связи в упругой системе при наличии неконсервативной силы резания;

3. замкнутость динамической системы станка при наличии динамической характеристики резания;

4. запаздывание сил резания по отношению к соответствующим возмущениям, возникающим при деформации металлов в локальной зоне в процессе резания.

Наибольшее применение в практике динамических расчетов имеет гипотеза о запаздывании сил резания, которое связывается с инерционностью пластической деформации.

В модели М.Е. Эльясберга «Автоколебания металлорежущих станков. Теория и практика.» предполагается, что причиной возбуждения автоколебаний в технологической системе при резании является наличие запаздывающих сил резания Р по отношению к координате x и силы трения Q по отношению силе Р. Из теории автоматического управления известно, что система является устойчивой, если энергия, вносимая вследствие запаздывания сил, полностью рассеивается ( Рис. 2.7 ).

Здесь и в дальнейшем рассматривается ортогональная система координат x0y, где ось 0x направлена по нормали наружу к обрабатываемой поверхности в вершине резца, ось 0y - перпендикулярно к оси 0x , образует правую систему координат. В целях упрощения считается, что оси 0x и 0y соответствуют главным осям деформации технологической системы, причем рассматривается свободное резание инструментом с нулевым передним углом.

Автор гипотезы исходил из предложения, что причиной запаздывания сил при резании металла являются специфические особенности деформации. Предполагалось, что процесс стружкообразования сопровождается образованием опережающей полости, что определяет прерывистость процесса резания. Наличие опережающей полости у лезвия резца вызывает запаздывание колебания сил резания Р относительно колебаний координаты x .

Хотя автором гипотезы разработана соответствующая аппаратура и методика определения при проведении соответствующих экспериментов запаздывания, наличие опережающей полости, особенно применительно к пластичным материалам, вызывало критическое отношение к этой гипотезе.

Не вдаваясь в обсуждение проблемы образования (или не образования) опережающей полости при резании, отметим несомненную продуктивность самой идеи запаздывании силы резания и силы трения как причины, порождающей неустойчивость процесса резания и возникновения автоколебаний. Отметим, что эта идея получила развитие на основе анализа процессов стружкообразования с учетом реологический явлений в зоне резания. Анализ процессов в первичной и вторичной зонах пластической деформации (в зоне контакта резца с обрабатываемым материалом) позволил на уровне современных представлений о разрушении материалов и процесса трения развить исходные положения М.Е. Эльясберга при исследовании динамики технологической системы механической обработки резанием.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.7. Простейшая двухконтурная система при растачивании

Исходная гипотеза о запаздывающих силах полагает, что сила резания ДС запаздывает в своем изменении относительно изменения перемещения Дx по отношению к нормали в контактной точке обрабатываемой поверхности заготовки. Изменение силы трения ДQ, в свою очередь, запаздывает по отношению к изменению силы резания ДС. Время запаздывания обозначается соответственно ф_р и ф_Q. . На схеме рис.2.7. представлена простейшая двухконтурная система (с нормальным и касательным контурами) при растачивании. Здесь m_x ,m_y -приведенные массы контуров; С_x, С_y - коэффициенты жесткости контуров; b_x, b_y, в_x, в_y -соответствующие коэффициенты рассеяния энергии контуров x и y.

Установившееся значение силы резания Р_s определяется по формуле

Рs =kb_cд^е (1)

где k - коэффициент резания; b_c - ширина срезаемого слоя; д - толщина срезаемого слоя; е - постоянная нелинейной зависимости статической силы резания.

Пути резца во время запаздывания обозначим соответственно l_p и l_Q, определяя их согласно зависимостям:

l_p =; (2)

l_Q= , (3)

где н_s - статическая составляющая скорости резания (принимается н_s=const); ф_Р,ф_Q - интервалы времени запаздывания для сил Р и Q соответственно; Дx,Дy-приращения координат x и y в процессе колебаний (принимаются малыми); ж -коэффициент усадки стружки (связывающий зависимостью lQ=жѕQ путь запаздывания ѕQ в направлении x с путем l_Q запаздывания, который проходит резец в направлении y за время ф_Q).

Полагая, что l_p~const, l_Q~const, и, используя допущение о малом изменении Дx и Дэ за интервалы времени ф_Р и ф_Q, получены приблизительные зависимости:

ф_P~l_P/(н_s+Дэ); ф_Q~l_Q/(н_s+Дэ+жДx). (4)

Если для равновесного состояния системы положить Дx=0, Дэ=0, то можно выделить постоянные времени запаздывания T_P и T_Q соответственно для сил P и Q

T_P =l_р/н_s ; T_Q=l_Q/н_s . (5)

Методы экспериментального определения величин l_р и l_Q для расчетов T_P и T_Q и соответствующие справочные данные для различных обрабатываемых материалов представлены в работе Эльясберга М.Е. {Автоколебания металлорежущих станков. Теория и практика.}.

Уравнение для запаздывающих сил записываются в виде

-ДP(t)=BДx(t-ф_P);-ДQ(t)=fДP(t-ф_Q), (6)

где f - коэффициент трения стружки о переднюю поверхность резца; В=kb_cед^е-1- коэффициент возмущения контура x.

Отметим, что в зоне контакта стружки с передней поверхностью резца (в так называемой вторичной зоне пластической деформации) имеет место сложный процесс распределения давлений. Сам процесс трения характеризуется как чисто механическим взаимодействие микронеровностей контактирующих поверхностей, так и адгезионными процессами, что сопровождается аномальным упрочнением и интенсивным тепловыделением. Понятие ``коэффициент трения `` здесь, вообще говоря, существенным образом отличается от общепринятого в узлах трения. Отметим, что в используемой М.Е. Эльясбергом интерпретации, фактически рассматривается квазистатическая интегральная характеристика трения.

Таким образом, М.Е. Эльясбергом совершенно справедливо отмечена неправомерность при формировании динамической модели технологической системы использования квазистатической характеристики силы резания, в его построениях не удалось избежать такого же подхода. Речь идет как о рассмотренной выше характеристике резания (9), так и характеристике трения (6).Однако в сочетании с гипотезой о запаздывающих силах это обстоятельство не является существенным, хотя и требует уточнения при разработке более обоснованных моделей.

Уравнения запаздывания можно переписать в виде

ДP(t+ф_P)=-BДx(t) ;

ДQ(t+ф_Q)=ѓДP(t) . (7)

Левые части уравнений (15) разложим в степенной ряд по степеням ф_P и ф_Q и, считая последние малыми величинами, ограничимся линейными членами:

ДС+ДСґф_С+…=-ВДх(t);

ДQ+ДQґф_Q+…=ѓДС(t)

или

ф_СДСґ+ДС+ВДх=0;

ф_СДQґ+ДQ+-ѓДС=0. (8)

Здесь для интервалов времени ф_С и ф_Q с учетом (7) получены зависимости

(9)

Тогда уравнение запаздывания согласно изложенному выше можно записать в виде

н_S(Ф_СДСґ+ДС+ВДх)=-(ДС+ВДх)Дyґ; (10)

н_S(Ф_QДQґ+ДQ-ѓДС)=-(ДQ-ѓДС)(Дyґ-жДхґ). (11)

Уравнения запаздывания в форме (18) являются нелинейными, что при определенных условиях обусловливает существование предельного цикла -замкнутой фазовой траектории, к которой сколь угодно близко подходят(или, наоборот, отходят от них) другие, соседние с ним траектории. Понятие предельного цикла, введенного Пуанкаре, широко используется в теории нелинейных колебаний применительно к системам второго порядка, рассматриваемым в фазовой плоскости. При решении практически важных задач динамики технологической системы одной из наиболее актуальных является задача построения границы области устойчивости в пространстве варьируемых параметров режимов резания, причем в качестве таковых принимаются: н_S-статическая составляющая скорости резания и д (либо b_c)-толщина (или ширина) срезаемого слоя. Естественно, такая задача может рассматриваться как частная однокритериальная задача синтеза с динамическим критерием качества - устойчивостью системы.