11.2. Система резания, ее элементы и структура

Целью обработки материалов резанием является получение на детали по­верхности с заданными характеристиками качества. Достижение этого ре­зуль­тата сопровождается упругой и пластической деформацией срезаемого слоя и обработанной поверхности и изнашиванием контактных площадок режущего инструмента. Эти процессы совершаются одновременно, тесно связаны между собой и образуют единую систему, которая называется сис­темой резания.

С развитием системно-структурного подхода к изучению различных объ­ек­тов и явлений появилась необходимость выработать общее понятие сис­темы. Каждая система состоит из множества элементов, имеющих между со­бой реаль­ные связи. Природа элементов может быть различной, в частности, они могут являться процессами. Состояние системы в каждый момент вре­мени характери­зуется набором ряда переменных, а поведение системы – определенной последо­вательностью ее состояний во времени. Система обладает свойством относи­тельной устойчивости, т.е. она сохраняется только в опре­деленных границах из­менений ее переменных.

Системе присуще свойство внутренней целостности, которое характеризу­ется ее автономностью. Вследствие своей относительной автономности лю­бая сис­тема может рассматриваться как подсистема или элемент более широ­кой сис­темы. Одновременно явления и объекты, рассматриваемые в рамках данной сис­темы как нерасчленные целые, при их изолированном изучении могут рассмат­риваться как системы иного уровня. Материальные системы характеризуются разной степенью активности взаимодействия их подсистем между собой. В лю­бой системе возможны как взаимозависимость подсистем между собой, так и не­зависимость их друг относительно друга.

Изучение систем осуществляется путем целенаправленного изменения внеш­них воздействий на входе и изучении реакций на выходе. В системе реза­ния, как правило, рассматриваются параметры на входе (табл. 11.1) и выходе (табл. 11.2). Число параметров не ограничивается приведенными в таб­лицах.

Связь между переменными факторами состояния и параметрами функциониро­вания можно рассматривать как “черный ящик” (рис. 11.3), параметры которого определяются совокупным действием кинематики процесса резания и физиче­ских явлений, вызванных этим процессом. Рассмотрим меха­низм функциони­рования системы резания более подробно.

Таблица 11.1

Параметры на входе (факторы состояния) системы резания

Элемент		Показатель
Наименование	Обозначение	Наименование	Обозначение
Станок	С	Тип, модель Мощность Жесткость	- N JC
Приспособление	П	Тип, схема Жесткость	- Jи
Инструмент	И	Материал реж. части Конструкция Геометрия заточки Прочность и жесткость	Mи - , , , 1 Jи

Продолжение табл. 11.1

Деталь	Д	Свойства материала Размеры и форма Припуск	M P 
Режим резания	Рж	Скорость резания Подача Глубина резания	V s t
Тех. среда	Ср	Состав Способ подачи	- -

Система резания представляет собой необходимую для обработки данной за­готовки регулируемую технологическую систему, т.е. совокупность станка, ин­струментов, приспособлений, технологической среды, с одной стороны, и про­цесса резания – с другой. Процесс резания можно рассматривать как меха­низм системы регулирования, связывающий технологическую систему, и получаю­щиеся в результате обработки технологические параметры детали. Связи между элементами процесса резания делятся на одно- и двухсторон­ние, когда оба элемента влияют друг на друга. В этом случае прямое воздействие первого элемента на второй вызывает его обратное воздействие, которое сможет осла­бить прямое или резко усилить его. Связи могут быть непосредственными или косвенными, действующими посредством изменения ряда других законо­мерно­стей, связывающих два исследуемых параметра.

Таблица 11.2

Параметры на выходе (показатели функционирования)

системы резания

Элемент		Показатель
Наименование	Обозна-чение	Наименование	Обозначение
Точность обработки	Тч	Квалитет Размеры поля допуска	Кт 

Продолжение табл. 11.2

Качество поверхно­сти	Кп	Шероховатость Глубина наклепанного слоя и сте­пень наклепа Остаточные напряжения Прижоги и микротрещины	Ra, Rz Hн, н + 
Период стойкости инструмента	Си	Интенсивность изнашивания Критерии затупления Время	I h T
Прочность режу­щих кромок инстру­мента	Пи	Допустимая сила резания Предел выносливости	P 
Производительность	Пр	Число деталей, обработанных в единицу времени Площадь поверхности, обработан­ной в единицу времени	Nд Fд
Экономичность	Эк	Себестоимость технологическая	Ст

Р

И

Ср

Эк

ис. 11.3. Структурная схема обработки резанием

Таблица 11.3

Основные составляющие процесса резания и их параметры

Составляющие процесса	Параметры
	Наименование	Обозначение
Кинематика	Скорость главного движения Скорость движения подачи Толщина среза Ширина среза	V S А В
Пластическая деформация и разрушение	Напряжения Относительный сдвиг Угол сдвига Сила стружкообразования	,   Rc
Трение, контактные явления	Коэффициент трения Сила трения Высота нароста Передний угол	 FT HH 
Тепловые явления	Температура резания Количество выделенной теплоты	 Q
Химические процессы	Химическая активность Химическое сродство Склонность к окислению	- - -
Электрические и магнитные процессы	ТермоЭДС Сила тока Сопротивление зоны резания	E I Rp

Связь параметров процесса резания достаточно сложная.

Развернутая схема системы резания с учетом взаимодействия между основ­ными составляющими (табл. 11.3), характеризующими процесс резания, пока­зана на (рис. 11.4). Рассмотрим некоторые из этих составляющих.

Рис. 11.4. Схема процесса резания

Кинематика процесса резания – это закономерности относительного движе­ния инструмента и заготовки без учета физических явлений, протекающих в зоне ре­зания. При этом технологическая станочная система считается абсо­лютно жест­кой и не зависящей от каких-либо физико-химических воздействий. Изу­чение и анализ кинематики резания имеет большое значение, поскольку при определен­ном соотношении скоростей абсолютных движений, которые совер­шаются при резании, кинематика определяет траекторию рабочего движения инструмента относительно детали.

Траектория рабочего движения совместно с геометрическими параметрами инструмента и скоростями абсолютных движений влияет на процесс стружко­об­разования, характер и интенсивность изнашивания и период стойкости инстру­мента. Кроме того, совокупность траекторий точек режущей кромки инстру­мента в процессе рабочего движения представляет собой поверхность резания, возникающую в процессе обработки, т.е. кинематика определяет форму поверх­ности резания и, как следствие, - геометрию обработанной поверхности.

Упругие и пластические деформации срезаемого слоя являются одним из ос­новных параметров процесса резания. Совместно с трением они обусловли­вают возникновение напряжений и деформаций в режущем лезвии, стружке и поверх­ностном слое детали, определяют уровень сил и работу резания.

Одним из важнейших явлений процесса резания является разрушение. Оно характерно для процесса стружкообразования и определяет характер работы ре­жущего инструмента. При стружкообразовании разрушение может быть как ос­новным, так и сопутствующим показателем. Основным оно будет при резании хрупких материалов, когда под воздействием передней поверхности инстру­мента непосредственно у режущей кромки образуется система трещин, развива­ется опережающая магистральная трещина и отделяется элемент стружки. При резании пластичных материалов разрушение происходит только после значи­тельных упругих и пластических деформаций. Интенсивность их протекания за­висит от схемы напряженного состояния, тепловых, химических и электро­маг­нитных явлений и является основным параметром стружкообразования.

Как уже отмечалось, тепловые явления, сопровождающие процесс резания, являются одним из наиболее важных моментов в физико-химическом механизме этого процесса. Они определяют закономерности превращений энергии в различных процессах, сопровождающихся поглощением и выделением теплоты. Наиболее существенно при этом преобразование механической энергии в тепловую, вы­зы­вающее изменение температуры резания. Температурой резания устанавли­вается связь между химическим, структурным строением и физико-химиче­скими свой­ствами исходного материала заготовки, с одной стороны, и стружки и поверхно­стного слоя обработанной детали - с другой.

Термоструктурные явления процесса резания вызывают изменения строе­ния и физико-химических свойств обрабатываемого материала под действием сил и температур, возникающих при обработке. Наиболее интенсивно они про­текают при энергонапряженных видах обработки, например, шлифовании, лез­вийной обработке с высокими скоростями резания и т.д. При этом в результате действия высоких температур изменяется микроструктура поверхностного слоя, возни­кают значительные остаточные напряжения, микротрещины, изме­няется дисло­кационная структура материала.

В свою очередь, термоструктурные изменения физико-механических свойств обрабатываемого материала оказывают обратное воздействие на тепло­вые и влияют на электрические и магнитные явления процесса резания. Так, на изменения в микроструктуре затрачивается значительное количество теплоты и, как следствие, стабилизируется уровень температур в зоне резания, несмотря на возрастание, например, скорости резания. Различия в микроструктурах мате­риала влияют на его удельное электросопротивление, магнитную проницае­мость, коэрцитивную силу и другие электромагнитные свойства.

Химические явления протекают вследствие возникновения на контактных площадках химически чистых (ювенильных) поверхностей. Они находятся в ак­тивном состоянии и существенно влияют на протекание процесса резания. Од­ной из причин этого является образование оксидных пленок, которые сущест­венно снижают коэффициенты трения на контактных площадках, изменяют ус­ловия наростообразования и ряд других параметров процесса резания. Такой хи­мический процесс, как диффузия, в значительной степени определяет интен­сив­ность изнашивания и уровень стойкости режущего инструмента. Широкий диа­пазон химических явлений наблюдается в результате использования техно­логи­ческих сред. При этом изменяются как параметры процесса резания, так и экс­плуатационные свойства поверхностного слоя детали. Интенсивность про­тека­ния химических явлений в значительной степени взаимосвязана с уровнем тем­ператур в зоне резания.

Электрические и магнитные явления обусловлены несколькими процес­сами, среди которых интенсивный нагрев зоны контакта и образование термо­ЭДС в замкнутой цепи станок – приспособление – инструмент - деталь возник­новение ЭДС самоиндукции и др. Зону стружкообразования можно рассматри­вать как термоэлемент, создающий термоЭДС. Она зависит от пары инструмен­тальный – обрабатываемый материал, а также от режимов резания, определяю­щих уровень температур в зоне резания, т.е. нагрев горячего спая температуры. Характер за­висимостей E = f (V, s, t) такой же, как у известных зависимостей  = f (V, s, t). Это свидетельствует о тесной взаимосвязи тепловой и электрической подсистем ре­зания.

Таким образом, качество системы резания независимо от метода обработки определяется её механическими, тепловыми, электрическими, магнитными, хи­мическими и другими свойствами. В соответствии с этим систему резания можно разделить на ряд частных подсистем: механическую, тепловую и т.п. Все они являются замкнутыми, т.е. выход последнего элемента связан с входом в первый. Закономерности функционирования таких систем рассматривает тео­рия автоматического регулирования.

Процесс резания с позиций теории автоматического регулирования. Цель оптимизации процесса резания заключается в обеспечении определенной функциональной зависимости между его переменными параметрами. Процесс резания характеризуется большим количеством первичных и вторичных пара­метров и всегда протекает нестабильно вследствие изменения припуска и фи­зико-механических свойств обрабатываемого материала, изнашивания инстру­мента, деформаций в технологической системе и других факторов. Поэтому только применение систем автоматического регулирования обеспечивает опти­мальные условия в течение всего периода обработки.

В теории автоматического регулирования различают разомкнутые и замкну­тые системы. Если изменение выходной величины не вызывает каких-либо из­менений входной, система называется разомкнутой. Системы, характеризую­щиеся замкнутым циклом передачи воздействий, называются замкнутыми.

Передача воздействия выходного элемента на входной осуществляется с по­мощью обратной связи. Если в системе действует одна такая связь, система на­зывается одноконтурной, а если несколько – многоконтурной.

Обработка резанием относится к объектам многоконтурного регулирования, поскольку имеет большое число регулируемых параметров, изменение каждого из которых вызывает изменение других. Однако для изучения свойств отдель­ных элементов, прежде всего процесса резания, систему условно можно счи­тать ра­зомкнутой. В этом случае, разорвав две связи, определяющие взаимо­действие данного элемента с другими, можно рассмотреть его свойства от­дельно, путем установления зависимости между параметрами на входе и вы­ходе системы.

Структурная схема системы резания (см. рис. 11.3, 11.4) представляет собой разомкнутую систему, так как управляющее воздействие на процесс резания и вторичные параметры поступает только со стороны первичных параметров. Объ­ектом регулирования по этой схеме являются все первичные параметры, каждый из которых может быть использован для оптимизации процесса реза­ния. Однако, в первую очередь, в качестве регулятора используют изменение режимов реза­ния. Регулирование процесса обработки в этом случае заключа­ется в том, чтобы, исходя из знания параметров детали, метода обработки, схемы резания и техно­логической среды путем изменения режима резания по­лучить необходимые по­казатели функционирования системы.

Тогда схему механической обработки, приведенную на (рис. 11.4), можно трансформировать в другую (рис. 11.5), в которой из элементов технологиче­ской системы (первичных параметров) выделены в качестве регулятора эле­менты ре­жима резания.

Взаимодействие регулятора с основной системой позволяет рассмотреть замкнутую систему процесс резания – технологическая система. В эту систему введены “искусственные” обратные связи 1…7.

Цепь воздействия автоматической системы управления можно разделить на две части – внутреннюю и внешнюю по отношению к процессу резания. На рис. 11.5 видно, что внутренние воздействия характеризуются связями, показы­вающими действие одного физического явления на другое. Технологическая система и режим резания оказывают на процесс резания внешнее воздействие, при этом технологическую систему можно рассматривать как ряд подсистем: механическую, тепловую и электрическую.

В настоящее время возможно использование различных вариантов процессов управления системой резания.

Под процессом управления системой понимается организация действий раз­личных ее компонентов с целью достижения требуемой точности, шероховато­сти и производительности обработки. Возможны следующие методы управле­ния (рис. 11.6): информационное, автоматизированное и автоматическое.

В информационной системе управления станочник наблюдает за качеством деталей и состоянием технологической системы, анализирует свои наблюдения, обдумывает целесообразность внесения каких-либо изменений в ход обработки и осуществляет их путем воздействия на органы управления. В частности, ста­ноч­ник устанавливает оптимальные режимы резания и производит настройку и под ­настройку станка.

Рис. 11.5. Структурная схема автоматической системы

управления процессом резания

Рис. 11.6. Схема систем управления процессом резания:

a – информационной; б – автомати­зированной;

в – автоматической;

З - заготовка; ТО – технологическая операция; Д – деталь;

РУ – рукоятка управления; О - оператор; Н - наблюдение;

У – управление; ПП – подналадоч­ная подсистема;

ИУ – исполнительное устройство;

НП – наладочная программа; ИП – изме­рительный прибор;

БУ – блок управления; УА – управляющий автомат;

ДЧ – датчик; Cr – сигналы; К - команды

В автоматизированной системе управления качество заготовок, состояние системы, параметры процесса и детали контролируются приборами. Оператор в этом случае воздействует на процесс резания и обрабатывающую систему при помощи специальных механизмов и устройств.

Основой деятельности станочника в этой системе является сопоставление по­казаний приборов с имеющимися нормативами и, в случае их несоответствия – принятие решений, предусмотренных технологическими инструкциями.

В автоматической системе управления воздействие на процесс резания и технологическую систему производится также с помощью специальных уст­ройств, но анализ показаний приборов и принятие решения осуществляется электронной системой без участия оператора. К наиболее широко используе­мым автоматическим (адаптивным) системам управления относятся: стабилизирующие кон­троли­руемые параметры (сила, температура, точность, шероховатость); компенсирующие те или иные погрешности системы (например, износ инструмента); оптимизирующие режимы обра­ботки.

Адаптивные системы управления создаются для обработки определенных де­талей из конкретных материалов. При изменении условий обработки требуется вносить изменения в электронную систему управления, иногда достаточно сложные. Это затрудняет использование таких систем в единичном или мелко­се­рийном производстве.

В настоящее время более широкое распространение, чем адаптивное, полу­чили гибкие системы, управляемые с помощью микропроцессорной техники или ЭВМ. Такие системы могут функционировать в автоматическом режиме, обла­дая свойством автоматизированной переналадки при обработке деталей произ­вольной номенклатуры. Основной составляющей такой системы является гибкий производственный модуль. Это станок с программным управлением (как пра­вило, числовым), оснащенный автоматизированными устройствами для выпол­нения требуемых технологических операций, загрузки заготовок, снятия детали и отвода стружки, смены инструмента, измерений и контроля, диагно­стики отка­зов компонентов модуля в работе. Перспективным направлением гибких моду­лей является встраивание в них систем адаптивного управления технологиче­ским процессом.