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

Отметим, что в число варьируемых параметров технологической системы механической обработки помимо указанных (д ,н_S( b_c)), могут входить другие параметры режимов резания, в частности подача на оборот s или подача на зуб s_z для многолезвийного инструмента; некоторые параметры инструмента ( например, сечение тела резца F_рез и радиус закругления r вершины резца, главный угол в плане ц и др.). Кроме того, к числу варьируемых параметров можно отнести параметры жесткости инструмента (диаметр и вылет оправки при растачивании, элементы закрепления инструмента и пр.). Таким образом, в общей постановке задача синтеза параметров является многопараметрической. Выбор двух указанных важнейших параметров связан со стремлением к упрощению задачи.

Как известно, критерий устойчивости системы, будучи важнейшим из динамических критериев, не является единственным в общем подходе при постановке задачи оптимального синтеза.

Таким образом, задачу оптимизации режимов резания в процессе механической обработки можно считать многопараметрической и многокритериальной. В целях упрощений обычно используется метод разделения: вначале решается задача оптимизации относительно статических критериев (производительности, себестоимости), затем осуществляется проверка выполнения условия устойчивости процесса резания. Если, как это обычно происходит, устойчивость при выбранных режимах на первом этапе не обеспечивается, то на основе выбранной схемы компромисса с использованием критерия устойчивости осуществляется корректировка принимаемых режимов обработки. Естественно, доставляемое таким образом решение задачи выбора режимов резания механической обработки резанием не является строго оптимальным и может рассматриваться как своего рода квазиоптимальный режим.

Стремление к максимальному упрощению решения задачи устойчивости технологической системы механической обработки резанием привело к использованию линейных (линеаризованных) моделей таких систем. В рассматриваемой работе М.Е. Эльясберга выполнена примитивная линеаризация:

(но)_Л~a_он+a_но ,

где a_о , a_н - постоянные координаты, отвечающие фиксированным значениям о, н на достаточно малом интервале линеаризации.

В соответствии с этим выражение

R=(ДP+BДx)Дy`

В правой части уравнения(18) представляется в виде

R=a_y(ДP+BДx)+(a_P+a_x)Дy`.

Пренебрегая величиной a_y(ДP+BДx) сравнительно с н_s(ДP+BДx) в левой части уравнения и используя условие баланса энергии колебаний нелинейной и линеаризованной систем (в предположении, что колебания близки к гармоническим), в работе М.Е.Эльясберга получено приближенное выражение

R=µ(P_s-BДx_s)y`. (12)

Здесь x=Дx/x_s; y=Дy/y_s; x_s; y_s - статические величины перемещений по осям x и y соответственно; µ - коэффициент, определяемый опытным путем и характеризирующий величину амплитуды, допустимую при практически спокойном резании. Что касается уравнения (19), то при линеаризации правая часть отбрасывается.

Таким образом, в линеаризованной модели уравнения запаздывания представляются в виде

T_PP`+P=-k<sub>x</sub>x-k<sub>y</sub>y`; (13)

T_QQ`+Q=P , (14)

где P=ДP/P_s; Q=ДQ/Q_s - безразмерные силы; k_x=ѓB/c_x - передаточный коэффициент контура х; k_y=µ(P_s-Bx_s)/(н_sc_y) - коэффициент связи контуров х и у.

Используя эти уравнения совместно с дифференциальными уравнениями в направлениях осей х и у, можно получить замкнутую систему дифференциальных уравнений технологической системы механической обработки резанием в линеаризованном виде, на основании которой решается задача устойчивости по первому приближению.

2.3 Методы и способы обеспечения динамической стабильности процесса резания

В настоящее время наиболее важным направлением научно-исследовательских работ по гашению автоколебаний является глубокое изучение причин, вызывающих автоколебания и методов снижения их интенсивности, т. к. устойчивость процесса резания в достаточно широком диапазоне технологических режимов является одним из основных условий, которому должна удовлетворять технологическая система. При анализе устойчивости процесса резания необходимо рассматривать совместно как закономерности, сопутствующие деформации обрабатываемого металла, так и структуру механической системы, отображающей станок.

Наиболее типичными рабочими процессами для металлорежущих станков являются процесс резания, процесс трения и процессы в двигателе, непосредственной связи между которыми не существует. Процессы могут взаимодействовать между собой только через упругую систему.

Исходя из того, что многоконтурность динамической системы затрудняет ее анализ, осуществляют упрощение, отбрасывая несущественные связи, представляя многоконтурную систему станка в виде одноконтурной, включающей упругую эквивалентную систему и исследуемый процесс резания.

Как указывалось выше, потеря устойчивости процесса резания приводит к возникновению автоколебаний, что негативно отражается на качестве обработки, способствует повышению интенсивности изнашивания режущего инструмента, что является недопустимым в диапазоне рабочих режимов. Поэтому одной из основных задач динамического синтеза является определение границы области устойчивости системы.

В большинстве случаев повышение жесткости технологической системы ведет к снижению интенсивности автоколебаний, т. к. при этом повышается частота свободных колебаний системы.

Действие возмущающих сил можно свести к минимуму правильным конструированием геометрии режущей кромки и инструмента в целом. Оптимальные для работы резцы - резцы с большими главными и вспомогательными углами в плане с большими положительными передними углами, с малым радиусом при вершине резца.

Большой практический эффект достигается изменением схемы нагружения упругой системы силами резания. Нагружать систему силами резания необходимо в направлении оси ее наивысшей устойчивости. Вектор результирующей силы резания должен способствовать увеличению динамической устойчивости системы.

При выборе режимов резания следует отметить отрицательное действие снятия широких и тонких стружек, т. е. увеличение глубины резания при снижении величины подачи. Такое же действие на систему оказывает выбор скоростей резания, отвечающих зоне наиболее интенсивных автоколебательных процессов (60-150 м/мин.). Также известен метод повышения устойчивости процесса резания за счет периодического изменения скорости резания с частотой, значительно меньшей собственной частоты системы; и метод, заключающийся во введении в ТСМОР осциллирующей подачи.

При обработке заготовок малой жесткости и использовании нежесткого инструмента, особенно с широким лезвием или с режущей кромкой для силового резания, для улучшения динамических свойств системы целесообразно использовать специальные конструкции виброгасителей. Виброгасители делятся на две группы: виброгасители, подавляющие высокочастотные колебаний резца и виброгасители, подавляющие низкочастотные колебания заготовки. По физической сущности их действия виброгасители разделяют на механические и гидравлические. Действие механических виброгасителей основано на том, что в результате трения между поверхностями твердых тел происходит рассеивание энергии колебаний. Действие гидравлических виброгасителей основано на том, что при протекании жидкости через отверстия небольшого сечения (дроссели, трубопроводы) с большими скоростями, имеющими место при колебаниях, возникают большие силы сопротивления, препятствующие перемещениям; одновременно энергия колебаний поглощается за счет трения в сочленениях.

Далее будут приведены примеры конструкций резцов и новаторских решений изменений конструкций некоторых узлов станка, выраженных в авторских свидетельствах, отобранных за последние двадцать лет, которые стремятся к обеспечению динамической стабильности процесса резания.

2.3.1 Подсистема « инструмент»

Повышенные демпфирующие свойства державок резцов, армированных композиционным материалом - синтеграном [1-2], обеспечивают уменьшение амплитуды колебаний при резании и снижение шероховатости обработанной поверхности, а также увеличение стойкости режущей пластины. Увеличение доли синтеграна в соотношении его объема с объемом металла способствует повышению логарифмического декремента колебаний, однако приводит к снижению статической жесткости резцов вследствие уменьшения момента инерции сечения стального каркаса державки. А это может стать причиной ухудшения динамического качества станка. Немаловажную роль в демпфирующем влиянии синтеграновой вставки играет также площадь сцепления металла с синтеграном, которая при одном и том же объеме синтеграна зависит от формы поперечного сечения державки.

Для изучения степени влияния перечисленных факторов на статические и динамические характеристики державок были изготовлены резцы с комбинированными державками, имеющими сечения разной формы (Табл.1).

Таблица 1 Анализ резцов с комбинированными державками

Тип державки	Сечение	с,%	S,мм2/мм длины	I,104мм4
	А

Размещено на http://www.allbest.ru/

42,8	72,0	0,892
Б		48,0	56,0	1,082
	В

Размещено на http://www.allbest.ru/

46,8	62,7	0,76
	Г

Размещено на http://www.allbest.ru/

60,0	40,0	1,024

Примечание. с-содержание синтеграна; S-площадь сцепления металла и синтеграна; I-момент инерции сечения металлического каркаса.

Использовали синтегран следующего состава: 7% эпоксидного компаунда и полиэтиленполиамина (отвердителя);93% габбро-диабаза разных фракций (наполнителя).

На специально разработанном стенде путем статического нагружения и разгружения при различных вылетах l державки резца определяли траектории перемещения вершины режущей пластины под действием силы, имитирующей силу резания. По полученным данным рассчитывали характеристики статической податливости и логарифмический декремент колебаний.

Анализ результатов показал, что существует определенная взаимодействие исследованных факторов; оценить его количественно можно только с помощью многофакторных экспериментов. Качественная картина имеет следующий вид:1) содержание с синтеграна влияет на характеристики больше, чем момент инерции I сечения каркаса; рост содержания синтеграна ослабляет державку и приводит к увеличению ее податливости; 2) содержание высокого содержания синтеграна с малой площадью S сцепления его с металлом (независимо от значения I) дает наибольшую податливость (державки типа Г); 3) развитая поверхность сцепления стали и синтеграна в сочетании со сравнительно небольшим содержанием последнего обеспечивает наименьшую податливость (державки типа А).

Проведя разносторонние исследования, пришли к выводу, что наибольшего эффекта от применения комбинированных державок, армированных синтеграном, следует ожидать при большом отношении вылета к высоте сечения державки инструмента, например расточного. Кроме того, следует продолжить поиск оптимальных пропорций между объемом синтеграновых вставок, формой поперечного сечения державки и допустимым переделом увеличения ее податливости. Исходя из этих экспериментов, разработали математическую модель державки резца, представляющей собой металлическую оболочку с ребрами жесткости, которая заполнена квазидискретной средой, обладающей высокодемпфирующим свойствами. Компьютерные эксперименты на этой модели свидетельствуют о принципиальной возможности создания державок резцов, в частности расточных, способных устойчиво работать при отношении вылета к высоте сечения державки до 6 [3].

Далее приведены методы и способы обеспечения динамической стабильности процесса резания.

Изобретение относится к изготовлению металлорежущих инструментов.

Известна конструкция режущего инструмента, в которой державку выполняют составной из набора пластин [34].Цель изобретения - повышение стойкости инструмента за счет гашения вибраций.

Поставленная цель достигается тем, что пластины державки склеивают между собой по плоскостям, параллельным опорной поверхности державки.

На чертеже изображен резец, изготовляемый по предлагаемому способу.

Резец состоит из режущей пластины 1 и составной державки 2, выполненной из набора пластин 3 и 4, склеенных между собой по плоскостям 5, параллельным опорной поверхности 6 державки 2. (рис.2.8.)

1 2 4 5

6 3

Рис. 2.8. Резец

В процессе работы инструмента усилия резания вызывают деформации державки. Тонкий эластичный слой клея, размещенный между пластинами, воспринимает деформацию, в результате энергия рассеивается внутри вязкоупорного слоя и колебания гасятся.

Способ изготовления державок режущих инструментов, при котором державку выполняют составной из набора пластин, отличающийся тем, что, с целью повышения стойкости инструмента за счет гашения вибраций, пластины державки склеивают между собой по плоскостям, параллельным опорной поверхности державки.[4]Недостатком известной конструкции является недостаточная стойкость инструмента.

Известны резцы с механическим креплением многогранной твердосплавной пластинки, установленной на штифте и прижимаемой к опорной поверхности державки с помощью клинового инструмента и прижимного болта. Клиновой элемент выполнен в виде стержня, изогнутого в направлении, противоположном усилию прижимного болта. Описываемый резец отличается от известных тем, что клиновой изогнутый стержень имеет V-образный участок. Это позволяет уменьшить вибрацию резца.

На чертеже изображен описываемый резец, вид спереди. (Рис. 2.9)

5

2 7

3

6

1

Рис. 2.9. Резец

В пазу державки 1 на штифте 2 установлена режущая пластина 3, закрепление которой осуществляется клиновым стержнем 4, изогнутым в направлении, противоположном усилию прижимных болтов 5. Стержень имеет V-образный участок 6.

Недостатком данной конструкции является малый диапазон нагрузок и сложность конструкции [5].

Известно применение эластичных прокладок для устранения вибраций в деталях металлорежущих станков и приспособлений.

Вибрации отрицательно влияют на стойкость режущего лезвия инструмента и качество обрабатываемой поверхности. Необходимо эффективно гасить вибрации в процессе резания.

Установка виброгасителя из эластичных элементов возможно близко к режущей части инструментов способствует повышению стойкости инструмента и улучшению чистоты обрабатываемой поверхности.

На фиг. 1 и 2 (рис. 2.10) изображены различные режущие инструменты, снабженные виброгасителями, согласно изобретению; на фиг. 1 и 2 - резцы.

Виброгаситель 1 выполнен в виде эластичной прокладки из материала, обладающего различной по сравнению с системой СПИД (станок-приспособление-инструмент-деталь) частотой собственных колебаний.

В качестве материалов для эластичных прокладок 2 могут быть использованы различные виды металлов, пластмассы, резина и др.

Прокладки 2 устанавливаются и крепятся при помощи элементов 3.

Недостатком является неустойчивость к высоким температурам [6].

2 3 1

Рис.2.10. (Фиг. 1)

2 3

1

Рис. 2.10. (Фиг. 2)

Цель изобретения - повышение жесткости резца при обработке деталей с прерывистыми поверхностями.

Поставленная цель достигается тем, что в державке ниже зажимного винта параллельно режущей пластине, вдоль прорези, выполнено отверстие, в котором установлен опорный элемент, например цилиндрический штифт.

На фиг. 1 (рис. 2.11) изображен описываемый резец, вид сбоку с вырывом; на фиг. 2 -разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3- резец, вид сверху.

Резец состоит из пластины 1, вставленный в гнездо державки 2 . Пластина 1 зажата губками 3 и 4 по средством винта 5. В державке 2 ниже занимаемого винта 5, параллельно режущей пластине 1 вдоль прорези 6 выполнено отверстие 7, в которое вставлен опорный элемент, например цилиндрический штифт 8. Для исключения выпадания штифта 8 при отжатии винтом 5 губок 3 и 4 вход отверстия на державке 2 расчеканен. Упором для пластины служит винт 9, который при переточках режущей пластины регулирует ее вылет из державки.

При работе резца пластина 1 удерживается в гнезде державки 2 винтом 9 и губками 3 и 4, сжатыми винтом 5. Штифт 8 при зажиме пластины 1 винтом 5 сохраняет параллельность губок, что позволяет при прерывистом резании распределить усилия от зажима и резания равномерно по боковым поверхностям губок.

Предлагаемая конструкция резца повышает жесткость и тем самым стойкость режущей пластины, что увеличивает производительность станка за счет уменьшения количества переточек и переустановок резца.

Недостатком данной конструкции является ее сложность [7].

Целью следующего изобретения является повышение точности обработки и качество обрабатываемой поверхности.

Для этого колебательные перемещения резца, вызванные его вибрациями, осуществляют эквидистантно максимальному диаметру обрабатываемой детали.

На чертеже (рис. 2.12.) представлена схема установки резца при реализации описываемого способа обработки.



Рис. 2.12. Схема установки резца

Резец 1 устанавливают в криволинейном пазу резцедержателя 2 на упругой опоре 3. Центр кривизны паза резцедержателя 2 совпадает с центром О обрабатываемой детали 4, а радиус кривизны R выбирается в зависимости от величины максимального диаметра обрабатываемой детали.

При возникновении вибрации резец совершает колебательные перемещения эквидистантно.

Благодаря наличию упорной опоры эти вибрации не передаются на станок, а колебательные перемещения резца, осуществляемые эквидистантно максимальному диаметру обрабатываемой детали, не приводят к снижению точности и качества обработки [8].

Недостатком данной конструкции является индивидуальность для каждой новой формы заготовки.

Следующее изобретение относится к резцам с механическим креплением неперетачиваемой пластины.

Предлагаемый резец отличается тем, что кольцевая пружина расклинивающего элемента выполнена разрезной по образующей. Это повышает виброгасящий эффект.

На чертеже (рис. 2.13) изображен предлагаемый резец и расклинивающий элемент.

Рис. 2.13. Резец и расклинивающий элемент

В резце неперетачиваемая пластина 1 установлена на штифте 2, запрессованном в державке 3, и закреплена расклинивающим элементом в виде кольцевой пружины 4, отверстие которой заполнено виброгасящим материалом 5, например термостойкой резиной. Кольцевая пружина 4 снабжена прорезью 6, соединяющей оба торца расклинивающего элемента.

Прорезь 6 кольцевой пружины 4 может быть выполнена в плоскости, проходящей через ось крепежного винта 7. Ширина прорези 6 устанавливается в зависимости от заданного усилия, но она должна быть не менее величины зазора между штифтом 2 и отверстием пластины 1. При обработке разрезная по образующей кольцевая пружина упругого расклинивающего элемента воспринимающая воздействие усилия резания, упруго деформируется и, за счет прорези, поглощает возникающую при обработке вибрацию, передавая ее виброгасящему материалу. При этом уменьшается выкрашивание режущих кромок, повышается стойкость пластины и, тем самым, повышается виброгасящий эффект [13].

В следующем предлагаемом резце между пластиной и клиновым стержнем установлена прокладка, зафиксированная на оси прижимного болта.

При этом конец клинового стержня, контактирующий с прокладкой, выполнен скругленным.

На чертеже изображен описываемый резец (с вырывом) (рис. 2.14.)

Рис. 2.14. Описываемый резец (с вырывом)

В державку 1 запрессован штифт 2, который входит в отверстие 3 многогранной режущей пластины 4. Пластину закрепляют с помощью клинового стержня 5, изогнутого в направлении, противоположном усилию прижимного болта 6. Между режущей пластиной 4 и клиновым стержнем 5 установлена прокладка 7, зафиксированная на болте 6.

Один конец клинового стержня выполнен за одно целое с державкой, а другой его конец 8, контактирующий с прокладкой 7, скруглен. Прокладку 7 целесообразно выполнять из пружинной листовой стали или латуни толщиной 0,15-0,3 мм.

Зафиксированная прокладка обеспечивает зажатие режущей пластины 4 без приподнимания ее над базовой поверхностью державки 1.

Выполнение прокладки 7 из высокотеплопроводного материала, например латуни, обеспечивает хороший отвод тепла от режущей пластины 4, и ее рекомендуется применять при обдирочных работах с большим выделением тепла в зоне резания. Надежный прижим пластины 4 позволяет производить обработку деталей из различных материалов при повышенных режимах. Кроме того, надежное крепление пластинки обеспечивает также большую вибростойкость резца [9].

Следующим предлагаемым резцом будет сборный резец, содержащий корпус и режущую пластину, закрепленную в гнезде корпуса головкой упругого элемента, установленного своим хвостовиком в отверстии корпуса. Отличается он тем что, с целью повышения жесткости и надежности крепления режущей пластины, на головке упругого элемента выполнена плоская поверхность, предназначенная для взаимодействия с передней поверхностью режущей пластины. Ось отверстия в корпусе выполнена под углом к опорной поверхности гнезда меньшим, чем угол между осью хвостовика и плоской поверхностью головки упругого элемента.

Изобретение относится к обработке металлов резанием и может быть использовано при конструировании инструментов.

Целью изобретения является повышение жесткости и надежности закрепления режущей пластины упругими элементами путем стабилизации давления головки упругого элемента на режущую пластину.

На рис. 2.15. изображен резец; на рис. 2.16. - конструкция упругого элемента.

б 3 2 5 4 1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.15. Резец

в 2 5 4

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.16. Конструкция упругого элемента

Сборный резец состоит из корпуса 1, в котором при помощи головки 2 упругого элемента, выполненной пластинчатой формой в виде прихвата-стружколома, закрепляется режущая пластина. Цилиндрический хвостовик 4 упругого элемента расположен в корпусе 1 резца под углом б к опорной поверхности режущей пластины 3 и соединен с головкой упругой перемычкой 5.

При создании гарантированного давления головки 2 упругого элемента на режущую пластину при сборке хвостовик 4 расположен под углом в к опорной плоскости головки 2.

в=б+г ,

где б - угол между осью отверстия в корпусе и опорной поверхностью гнезда под режущую пластину;

г - угол поворота головки упругого элемента относительно хвостовика.

Недостатком данной конструкции является малая стойкость упругого элемента и место крепления его в державке.

Следующее изобретение относится к металлообработке.

Цель изобретения - повышение стойкости резца посредством уменьшения остаточных напряжений после пайки в режущей пластине.

На чертеже представлен предлагаемый токарный резец, разрез (рис. 2.17.)

2 1

Размещено на http://www.allbest.ru/

3 4 5

Рис. 2.17. Токарный резец, разрез

Резец содержит корпус 1, твердосплавную режущую пластину 2 и опорный элемент 3, выполненный в виде сетки, размещенной во вставке 4 из самотвердеющей пластмассы, например стиракрила, расположенной в зазоре между режущей пластиной 2 и корпусом 1. Зазор между корпусом 1 и частью режущей пластины 2, не подлежащей переточке, заполнен припоем 5.

Так как контакт между режущей пластиной 2 и опорным элементом 3 осуществляется по точкам, то количество микротрещин в процессе пайки и при последующем остывании уменьшается. Скорость охлаждения режущей пластины 2 снижается, так как уменьшается площадь контакта пластины 2 с корпусом резца 1. Уменьшения количества микротрещин и снижение скорости охлаждения режущей пластины 2 означает повышения качества паяного соединения, уменьшение внутренний напряжений в режущей пластине и повышение стойкости резца [11].

Следующее изобретение относится к металлообработке, в частности к чистовой токарной обработке деталей.

Цель изобретения - повышение качества обработки за счет обеспечения возможности непрерывного гашения колебаний оправки во всех направления.

На рис. 2.18. изображена расточная оправка, общий вид; на рис. 2.19 - сечение А.

А 1 11 13 10 12 19 18 20 21

26 6 4 2 8 3 5

27 9 25 7 22 24 17 14 16 15

Рис. 2.18. Расточная оправка

Рис. 2.19. Сечение А

Расточная оправка содержит корпус 1, в отверстии 2 которого расположен виброгаситель 3 ударного действия, выполненный в виде цилиндра 4, замкнутая полость 5 которого заполнена набором шариков 6, 7 и 8 различного диаметра, выполненных из мягкого металлического материала (например, свинца).

Цилиндр 4 контактирует с цилиндрическими стенками 9 отверстия 2 корпуса 1 и соединен с последним посредством торцевого опорного пояска 10, который выполнен за одно с цилиндром 4, а его поверхность образована пересечением трех сферических поверхностей: двух торцевых 11, 12 и периферийной 13. Торцевой опорный поясок 10 расположен внутри упругого стакана 14, установленного в отверстии 2 корпуса 1 оправки. Периферийная сферическая поверхность 13 торцевого опорного пояска 10 взаимодействует с цилиндрической поверхностью 15 упругого стакана 14. Торцевая сферическая поверхность 11 торцевого опорного пояска 10 посредством экцентрично расположенного относительно оси отверстия 2 корпуса 1 шарика 16 взаимодействует с дном 17 упругого стакана 14. Противоположная торцевая сферическая поверхность 12 торцевого опорного пояска 10 взаимодействует посредством штока 18 с полусферическим наконечником 19 с упругим элементом (пружиной) 20 и регулировочным узлом 21. Шток 18 установлен в корпусе 1 оправки с возможностью осевого перемещения экцентрично оси 22 отверстия 2 со смещением в сторону, противоположную смещению шарика 16. При этом полусферический наконечник 19 и шарик 16 образуют ось 23 вращения торцевого опорного пояска 10.

Упругий элемент 20 с регулировочным узлом 21 расположены в основании 24 корпуса 1 оправки, а на противоположном конце 25 корпуса 1 находится резцедержатель 26 с резцом 27.

Оправка работает следующим образом.

При возникновении виброколебаний оправки в процессе токарной обработки детали цилиндр 4 ударяется о стенки 9 отверстия 2 корпуса 1, при этом ударные импульсы уменьшают амплитуду колебаний оправки. В этот же момент гашение собственных виброколебаний цилиндра 4 достигается за счет ударных импульсов от шариков 6, 7 и 8, перемещающихся в замкнутой полости 5.

Благодаря наличию торцевого опорного пояска 10, поверхность которого образована сферическими поверхностями 11, 12 и 13, обладающего возможностью вращения в упругом стакане 14 вокруг оси 23, ударные импульсы от цилиндра 4 и шариков 6, 7 и 8 всегда совпадают по направлению с максимальными перегрузками при вибрации независимо от того, в какой плоскости 28, 29 или 30 эти максимальные перегрузки возникают. Так при гашении виброколебаний в плоскости 28 цилиндр 4 создает ударные импульсы в точках 31, 32 стенки 9; при гашении в плоскости 29 - в точках 33, 34 стенки 9; при наличии колебаний в плоскости 30-в точках 35, 36 стенки 9.

Гашение собственных колебаний цилиндра 4 осуществляется соответственно за счет ударных импульсов шариков 6, 7, 8 в точках 37 и 38 (плоскость 28), 39 и 40 (плоскость 29), 41 и 42 (плоскость 30) о стенки полости 5 цилиндра 4.

При переходных режимах резания изменяются как частоты колебания оправки, так и направления перегрузок, воздействующих на резец 27 и корпус 1. Путем поджатия или ослабления затяжки упругого элемента 20 регулировочным узлом 21 изменяется усилие, воздействующее через шток 18 с полусферическим наконечником 19 на торцевой опорный поясок 10, и тем самым изменяется как интенсивность ударных импульсов цилиндра 4 и шариков 6, 7 и 8, так и плоскость их перемещений 28, 29 и 30. Например, при постепенном поджатии штока 18 в процессе обработки детали осуществляется перевод колебаний цилиндра 4 из плоскости 28 в плоскость 29 и далее в плоскость 30.

При ослаблении поджатия штока 18 происходит обратный переход колебаний цилиндра 4 в плоскости 29 или 30, в зависимости от того, которая из них является плоскостью максимальных перегрузок.

Указанные операции в процессе обработки детали осуществляется непрерывно без замены оправки или остановки станка. При токарной обработке деталей конической, сферической и фасонной формы, когда плоскость равнодействующей виброперегрузок не совпадает с плоскостью резца, а сами частоты и перегрузки виброколебаний изменяются при движении резца от большого диаметра к меньшему за счет разности окружающих скоростей на обрабатываемых поверхностях виброгаситель автоматически выбирает плоскость равнодействующей виброперегрузок и, перемещаясь в этой плоскости, обеспечивает возможность гашения колебаний во всех направления за счет того, что он может самоустанавливаться в сферических поверхностях [12].

2.3.2 Подсистема «станок»

Изобретение относится к обработке материалов резанием на токарном оборудовании. Целью изобретения является повышение точности обработки путем уменьшения времени возврата упругих опор в исходное положение после снятия с резцедержателя пиковых перегрузок в условиях точения при переменных усилиях резания, тем самым обеспечивается и виброустойчивость всего механизма.

Устройство состоит из корпуса 1(рис. 2.20), в нижнем элементе 3 которого выполнена заполненная рабочим телом полость, в направляющих отверстиях которой установлены подвижные опоры 10, 11. Полость разделена центральной перегородкой 5 на две гидравлические изолированные между собой камеры 6, 7, а нажимной винт 8 выполнен ступенчатым с соотношением площадей поперечных сечений 2:1 и диаметром ступени меньшей площади, равным диаметру отверстия перегородки. При пиковых перегрузках, возникающих в процессе резания, резец воздействует на переднюю опору 10, которая перемещаясь вниз, дополнительно сжимает рабочую среду, создавая разность давления между камерами. При этом вершина резца занимает нижнее положение, приводящее к уменьшению усилий резания, а опора 11 смещается вверх, сохраняя упругое поджатие к резцу. При снятии пиковых перегрузок система в течение короткого промежутка времени возвращается в исходное состояние.

12

2

4

1

11

10 3

7 5 6 8

Рис. 2.20. Устройство для резания

Применение предлагаемого устройства обеспечивает повышение точности обработки путем снижения времени возврата несущих резец упругих опор в исходное положение после снятия с резцедержателя пиковых перегрузок, что может быть использовано, например, при обработке заготовок с инородными твердыми включениями [14].

Недостатком данного устройства является повышенное внимание к гидросистеме и невозможность работы с большими нагрузками.

Изобретение относится к области технологии автомобильного производства и может быть использовано при токарной обработке нежестких металлических деталей-тел вращения, имеющих отношение длины к диаметру не менее 20, на станках токарного типа.

Известен способ токарной обработки нежестких деталей с растяжением в пределах упругости материала детали и установкой ее с возможностью колебательного движения в продольном направлении.

Цель изобретения - обеспечение самопроизвольного дробления стружки, а так же уменьшение вибраций. Для этого обработку ведут со скоростью 45-100 м/мин, подачей 0,07-0,33 мм/об, глубиной резания 0,1-1 мм и напряжением растяжения 0,2-0,5 предела текучести материала детали.

На чертеже схематически изображено устройство для реализации предлагаемого способа токарной обработки.

Устройство состоит из корпуса 1 (рис. 2.21.), закрепленного на пиноли 2 задней бабки посредством кольца 3 и винтами 4 и 5. В корпусе 1 установлен упругий элемент-пружина 6 сжатия, ход которой ограничен крышкой 7, прикрепленной к корпусу винтами 8. Обрабатываемая деталь 9 центрирующим пояском устанавливается одним концом в патроне 10, а другим - во внутреннем кольце радиально-упорного подшипника 11. Во избежание осевого перемещения внутреннего кольца подшипника 11, последний зафиксирован шайбой 12 и болтом 13 по резьбе в детали 9. Обработку ведут резцом 14.

металлообработка лезвийная обработка режущий инструмент

10 11 1 4 3

8

9 2

7 13

12

14

6

5

Рис. 2.21. Устройство для токарной обработки

Устройство работает следующим образом.

Вращением маховика задней бабки (на чертеже не показан) перемещают пиноль 2 вправо. Наружное кольцо подшипника 11 скользит по посадочной поверхности корпуса 1, оставаясь на месте. Упругий элемент 6 сжимается, значение растягивающего усилия определяется величиной хода последнего, тем самым создается эффект предварительно направленной детали. После растяжения деталь 9 обрабатывается по наружному диаметру резцом 14.

В процессе обработки с растяжением облегчаются условия пластического деформирования материала детали, происходит более интенсивный наклеп стружки, резкое изменение структуры в срезаемом металле стружки, что является причиной возникновения значительных внутренний напряжений, неустойчивости поверхностной структуры и, соответственно, появления в стружке трещин, приводящих к самопроизвольному дроблению на отдельные участки разной длины (от 2 до 30 см). Кроме того, при обработке деталей, фиксированных в растянутом состоянии с помощью упругого элемента, имеют место продольные осциллирующие колебания детали (совместно со шпиндельным узлом), вызывающие изменение сечения срезаемой стружки, способствующие ее дроблению, что также влияет на автоколебательный процесс, как следствие наложения одного вида колебаний на другой. Амплитуда продольных колебаний по данным авторов находится в пределах 0,01-0,06 мм и зависит от жесткости упругого элемента, определяемой диаметром проволоки пружины [15].

Недостатком является сложность конструкции, необходимость подготовки каждой детали.

Изобретение относится к металлообработке и может быть использовано при ротационном резании.

Целью изобретения является повышение надежности работы и качества обработки путем регулирования демпфирующей способности резца за счет изменения частоты его собственных колебаний.

На чертеже изображена конструкция предлагаемого ротационного резца (рис. 2.22).

В корпус 1 на подшипниках 2, 3 и 4 качения установлен шпиндель 5, несущий круглую режущую пластину 6, радиально-упорные подшипники 2 и 3 образуют переднюю опору, регулировка которой осуществляется резьбовой втулкой 7. Подшипник 4 служит задней опорой шпинделя.

Между опорами шпинделя неподвижно установлена упругая втулка 8, несущая радиальный подшипник 9, которая изготовлена из материала с большим внутренним трением, например резины. В корпусе 1 установлена с возможностью осевого перемещения цанга 10, снабженная упругим элементом 11, например кольцевым, который охватывает подшипник 9. Для перемещения цанги в осевом направлении служит устройство, которое выполнено в виде резьбовой втулки 12 и кольца 13. Перемещение цанги в противоположную сторону осуществляется пружиной 14. Фиксация резьбовых втулок 7 и 12 от самоотвинчивания обеспечивается зажимами (не показаны).

2 1 3 14 10 11 9 13

6

7

12

5

4

Рис. 2.22. Конструкция предлагаемого ротационного резца

При вращении резьбовой втулки 12 получают осевое перемещение кольцо 13 и цанга 10, которая, взаимодействуя с конической поверхностью в корпусе, деформируется в радиальном направлении совместно с упругим элементом 11. Изменяя, таким образом, степень сжатия упругого элемента, регулируют его жесткость и демпфирующую способность и, следовательно, виброустойчивость резца. Улучшение виброустойчивости обеспечивается также установкой между шпинделем 5 и подшипником 9 упругой втулки 8 [16]. Следующее изобретение относится к способам повышения стойкости инструмента, обеспечивающим наименьший износ инструмента при наибольшей производительности труда и может быть использовано при механической обработке в различных отраслях промышленности.

Цель изобретения - повышение стойкости изобретения путем сообщения ему противофазных колебаний в сравнении с колебаниями, измеряемыми в процессе резания. На приведенной схеме (рис. 2.23.) представлена блок-схема устройства для повышения стойкости инструмента, принцип которого основан на гашении активных волн напряжений противофазных колебаний.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

7

1

Рис. 2.23. Блок-схема устройства для повышения стойкости инструмента

В процессе механической обработки регистрируют высокочастотные волны напряжений, генерируемые в зоне резания, анализируют их и формируют противофазные колебания, которые вводят в тело инструмента и тем самым демпфируют начальные волны, генерируемые в процессе резания.

Устройство содержит последовательно соединенные пьезоэлектрический датчик 1, предварительный усилитель 2, активные полосовой фильтр 3 с полосой пропускания 100-1000 кГц, фильтр 3 параллельно соединен с видеодетектором 4 и информационным входом усилителя 5 с управляемым коэффициентом усиления. Выход видеодетектора 4 соединен с управляющим входом усилителя 5. Усилитель 5 последовательно соединен с усилителем 6 мощности и акустическим вибратором 7.

Устройство работает следующим образом.

Волны напряжений, генерируемые в зоне резания и на контактных поверхностях режущего клина инструмента, преобразуются чувствительным элементом пьезоэлектрического датчика 1 в электрический сигнал, который подается на вход предварительного усилителя 2. Усиленный сигнал проходит селекцию по частоте в активном полосовом фильтре 3 с полосой пропускания 100-1000 кГц, что обеспечивает помехозащищенность устройства от шумов системы СПИД (станок-приспособление-инструмент-деталь). С выхода фильтра 3 сигнал параллельно поступает на вход видеодетектора 4 и информационный вход усилителя 5. С выхода видеодетектора 4 сигнал поступает на управляющий вход усилителя 5. Видеодетектор 4 управляет значением коэффициента усиления усилителя 5 с максимальным гашением волн напряжений. В усилителе 5 происходит инвертирование фазы сигнала и его усиления. С выхода усилителя 5 сигнал поступает на усилитель 6 мощности, который усиливает сигнал до уровня, необходимого для нормальной работы вибратора и подает на вход акустического вибратора 7, устанавливаемого на инструмент. Вибратор 7 генерирует высокочастотные волны для погашения волн напряжений.

Использование в устройстве видеодетектора, усилителя с управляемым коэффициентом усиления, усилителя мощности и акустического вибратора позволяет осуществить гашение генерируемых в зоне резания волн напряжений, что позволяет повысить стойкость инструмента [17].

Недостатком данного изобретения является дороговизна и сложность виброгашения.

Изобретение относится к станкостроению, а именно к шпиндельным узлам металлорежущих станков.

Цель изобретения - повышение жесткости и улучшение технологичности шпиндельного узла за счет контакта одного из наружных колец подшипников с внутренним торцом корпуса, а с другой - с крышкой и установки между ними упругого элемента, усилие которого превышает усилие предварительного натяга.

На рис. 2.24. показан шпиндельный узел, общий вид; на рис. 2.25. - регулировка натяга в опоре с упругим элементом.

1 4 4 2 3 8 I 10

11

12

5 9

6 7

7

Рис. 2.24. Шпиндельный узел

Й 1 15

L 10

В₁ ?+?+S В₂ S

9

14

8

?

8 13 11

Рис. 2.25. Регулировка натяга в опоре с упругим элементом

Шпиндельный узел состоит из корпуса 1, шпинделя 2, распорной втулки 3, подшипников 4 задней опоры с втулками 5 и 6 между ними, подшипников 7 передней опоры, между внутренними кольцами которых установлена втулка 8, а между наружными - упругий элемент 9, выполненный, например, в виде пакета тарельчатых пружин, рабочее усилие которого превышает усилие предварительного натяга и определяется заданной осевой жесткостью узла.

На торце корпуса 1 винтами 10 крепят плоскую крышку 11. Гайкой 12 поджимают подшипники 4 задней опоры с втулкой 5, распорную втулку 3 и подшипники 7 передней опоры с втулкой 8 к торцу 13 шпинделя. При установленной крышке 11 и поджатой гайке 12 наружные кольца обоих подшипников передней опоры под действием упругого элемента смещаются относительно внутренних колец до упора с одной стороны в торец 14 корпуса 1, а с другой - в плоскую крышку 11. Чтобы создать в опоре необходимый предварительный натяг, величина этого смещения должна быть равна величине смещения ?, определенной для данной пары подшипников при приложении усилия, равного усилию предварительного натяга. Достигается это тем, что фиксированном положении торцов наружных колец подшипников упругий элемент занимает по длине место большее, чем втулка 8, на величину смещения ?, для чего длину втулки 8 определяют по формуле

?=L-(B₁+B₂+?).

Собственно рабочее усилие, передаваемое упругим элементом, воспринимается торцом 14 корпуса и плоской крышкой 11, и на величину предварительного натяга влияния не оказывает.

Таким образом, осевая жесткость шпиндельного узла не регламентируется величиной усилия предварительного натяга, а определяется рабочим усилием упругого элемента, шпиндельный узел способен воспринимать двухстороннюю осевую нагрузку, при этом расточка в корпусе под подшипники одноступенчатая, так как они одного диаметра. Установка же упругого элемента позволяет при вращении шпинделя и нагреве узла уменьшить трение в подшипниках и снизить в процессе эксплуатации износ дорожек и тел качения. При возникновении зазоров и падения натяга в опоре в процессе эксплуатации конструкция шпиндельного узла позволяет восстановить необходимый натяг без переработки шпиндельного узла.

Осуществляют это следующим образом.

Слегка отжимают винты 10, между торцом корпуса 1 и плоской крышкой 11 устанавливают прокладку 15 из фольги, состоящую из двух полуколец, после чего винты 10 вновь зажимают. При этом упругий элемент раздвигает наружные кольца подшипников до упора в плоскую крышку, отодвинутую на толщину S прокладки 15, и необходимый натяг в опоре восстанавливается. Величину натяга в опоре регулируют толщиной прокладок [18].

Изобретение относится к обработке металлов резанием и может быть использовано при обработке деталей малой жесткости, преимущественно на станках с применением систем автоматического управления.

Цель изобретения - повышение ресурса и надежности в работе устройства путем снижения фрикционного износа упорного ролика.

На рис. 2.26. изображен виброгаситель, общий вид; на рис. 2.27. - то же, вид сверху; на рис. 2.28. - сечение А.

5 3 19 4 9 18

А 15

8

7

2

20

21 6

1

10 11

17

2

А

Рис. 2.26. Виброгаситель

 1 3 2 22 17

9 12 11

7

21 6

18

15 8

20

Рис. 2.27. Виброгаситель, вид сверху

А-А

4 10 16 18 14 13 12

Рис. 2.28. Сечение А

Виброгаситель содержит установленный на резцедержателе 1 кронштейн 2, на оси 3 которого установлен с возможностью поворота и фиксации рычаг 4 и вращающийся шкив 5. На конце рычага 4 в стойке 6 на оси 7 установлен вращающийся шкив 8. В осевых пазах рычага 4 установлены с возможностью перемещения цапфы 9 с корпусами 10, подпружиненные пружинами 11. В корпусах 10 цапфы 9 установлена с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном оси рычага 4, ось 12, подпружиненная пружинами 13. На оси 12 с возможностью вращения на подшипнике 14 установлен упорный ролик 15 и с возможностью независимого вращения на подшипнике 16, предназначенный для взаимодействия с деталью 17 дополнительный ролик 18 большего диаметра, чем диаметр упорного ролика 15. Шкив 5 и шкив 8 охвачены гибким тросом 19, который контактирует с упорным роликом 15. Один конец гибкого троса 19 закреплен на шкиве 5, а второй соединен с сердечником 20 электромагнита 21, установленного на резцедержателе 1. Угол поворота шкива 5 при отключении питающего напряжения электромагнита 21 ограничивается пружиной, удерживающей сердечник 20 в катушке электромагнита 21(не показана).

Динамический виброгаситель работает следующим образом.

Деталь 17 устанавливают в патроне станка и поджимают заданным центром. Включают привод главного движения, подводят резец 22 к детали 17 и настраивают на размер. Рычаг 4 виброгасителя с роликами 15 и 18 устанавливают в кронштейне 2 под требуемым углом ц в зависимости от размеров детали 17 и режимов резания и фиксируют в этом положении. Затем резцу 22 сообщают движение рабочей подачи, осуществляют врезание и начинают процесс точения. При этом ролик 18 переходит на уже обработанную поверхность детали 17 и поджимается к ней усилием пружины электромагнита 21, передаваемым ролику 18 через ролик 15, ось 12 и гибкий трос 19. При этом ролик 18 вращается независимо то ролика 15, что существенно уменьшает силу трения между роликом 15 и гибким тросом 19 и процесс нагревания троса 19. По мере перемещения резца 22 относительно детали 17 по сигналам программного блока или датчика перемещения резца относительно детали (не показаны) на обмотку электромагнита 21 подается напряжение, и сердечник 20 втягивается в катушку, что приводит к натяжению гибкого троса 19 через шкивы 5 и 8. Создаваемое натяжением троса 19 усилие воздействует через ролик 15, ось 12 и ролик 18 на деталь 17, тем самым, сжимая статические прогибы детали.

Одновременно ролик 18, установленный на оси 12, подпружиненной пружинами 11 и 13, осуществляет гашение динамических колебаний детали 17, что способствует совместно с силой натяжения троса 19 снижению статических прогибов детали 17 и гашению колебаний в широком диапазоне.

Использование предлагаемого виброгасителя обеспечивает более надежную работу и точность поднастройки, так как устраняется нагрев троса и износ ролика от сил трения между их поверхностями, поскольку упорный ролик вращается независимо от дополнительного ролика, взаимодействующего с деталью [19].

Недостаток: громоздкость, сложность, требует индивидуальность настройки.

2.3.3 Подсистема «заготовка»

Одним из эффективных способов борьбы с автоколебаниями это кинематический, когда создаются колебательные движения заготовки или инструмента в направлении подачи.

В зависимости от источника энергии колебаний различаются устройства, обеспечивающие вынужденные колебания резца или заготовки (такие устройства требуют переделки станка, дополнительных источников энергии и синхронизации колебаний резца или заготовки с вращением шпинделя станка), и устройства, использующие для дробления стружки вызываемые силами резания автоколебания инструмента; эти устройства более просты и экономичны, однако они прекращают колебательный процесс при относительно небольшом износе резца по задней поверхности из-за снижения жесткости технологической системы [24].

Физическое воздействие на поверхность материала в локальной зоне приводит к изменению в ней структуры и механических свойств обрабатываемого материала. В процессе точения заготовок. Подвергнутых такому воздействию, происходит периодическое изменение условий резания по сравнению с исходным материалом (С₁, С₂,С₃), что приводит к мгновенному изменению напряжённо-деформированного состояния срезаемого слоя и устойчивому сегментированию стружки на отрезки заданной длины.

В настоящее время для обеспечения для обеспечения дробления стружки при обработке коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов всё большее применение находит метод предварительного локального воздействия на обрабатываемую поверхность заготовки путём нанесения высоко или низкотемпературного, а также деформационного воздействия (см. рис.2.29.) [23].

Локальное воздействие

D

ССсссс

S_P

Плоскость резания

Точки пересечения плоскости резания с зоной локального воздействия рис.2.29.

2.4 Анализ способов повышения динамической стабильности в процессе тонкой лезвийной обработки

Потеря устойчивости процесса резания приводит к образованию периодических колебаний элементов упругой системы, что способствует повышению интенсивности изнашивания режущего инструмента и снижению долговечности исполнительных механизмов станка. Возникновение вибраций вызывает снижение точности обработки и ухудшение качества поверхностного слоя изделия, что в свою очередь, вызывает ограничение производительности обработки и технологических возможностей оборудования [1 - 6].

Во время процесса резания режущий инструмент совершает колебания в области высоких и средних частот и зачастую является ненадёжным звеном.

В настоящее время существует ряд направлений, целью которых является улучшение демпфирующих свойств всей технологической системы. Из них можно выделить три основные: 1 - методы и способы обеспечения динамической стабильности процесса резания в технологической подсистеме «инструмент»; 2 - методы и способы обеспечения динамической стабильности процесса резания в технологической подсистеме «станок»; 3 - методы и способы обеспечения динамической стабильности процесса резания в технологической подсистеме «заготовка». Классификацию современных методов можно представить в виде схемы, изображённой на рис. 2.30.

В технологической подсистеме «инструмент» используется изменения в конструкции режущего инструмента. Использование таких резцов можно рассмотреть на примерах.

Повышенные демпфирующие свойства державок резцов, армированных композиционным материалом - синтеграном [2], обеспечивают уменьшение амплитуды колебаний при резании и снижение шероховатости обработанной поверхности, а также увеличение стойкости режущей пластины.



Известна конструкция режущего инструмента [7], в которой державку выполняют составной из набора пластин.

Известны резцы с механическим креплением многогранной твердосплавной пластинки, установленной на штифте и прижимаемой к опорной поверхности державки с помощью клинового инструмента и прижимного болта. Клиновой элемент выполнен в виде стержня, изогнутого в направлении, противоположном усилию прижимного болта. Описываемый резец отличается от известных тем, что клиновой изогнутый стержень имеет V-образный участок. Это позволяет уменьшить вибрацию резца [5].

Вибрации отрицательно влияют на стойкость режущего лезвия инструмента и качество обрабатываемой поверхности. Необходимо эффективно гасить вибрации в процессе резания. Установка виброгасителя из эластичных элементов возможно близко к режущей части инструментов способствует повышению стойкости инструмента и улучшению шероховатости обрабатываемой поверхности.

Существуют резцы, отличающиеся тем, что кольцевая пружина расклинивающего элемента, режущей пластины, выполнена разрезной по образующей. Это повышает виброгасящий эффект [5].