книги из ГПНТБ / Лазарев, Г. С. Устойчивость процесса резания металлов

М И Н И С Т Е Р С Т ВО В Ы С Ш Е Г О И СРЕДНЕГО С П Е Ц И А Л Ь Н О Г О О Б Р А З О В А Н И Я Р С Ф С Р

В О Р О Н Е Ж С К И Й ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Г. С. ЛАЗАРЕВ

УСТОЙЧИВОСТЬ

ПРОЦЕССА

РЕЗАНИЯ

МЕТАЛЛОВ

АЛОСКВА « В Ы С Ш А Я Ш К О Л А » 1973 г.

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Перед технологом, создающим технологический процесс меха­ нической обработки современных металлов, стоит задача — на основе физических и механических свойств этих материалов, раз­ меров заготовки выбрать станок, разработать схему настройки, конструкции инструментов и режимы резания, обеспечивающие

инструмент — деталь (СПИД) с получаемыми результатами об­ работки: производительностью и точностью обработки, качест­ вом поверхности, стойкостью инструмента. В выяснении этой вза­ имосвязи большое место занимает успешное решение задачи обеспечения устойчивого процесса резания, т. е. устранение виб­ раций.

Основными характерными особенностями современных мето­ дов обработки резанием являются:

1) непрерывно возрастающая интенсификация выполнения про­ цессов резания вследствие увеличения нагрузки иа режущую кром­ ку (скоростное, силовое резание, рациональная конструкция и гео­

программного управления и саморегулирующихся систем с элект­ ро-, гндро- и пневмоприводами;

3) обработка новых или усовершенствованных машинострои­ тельных материалов с высокими прочностными, жаростойкими, кор­ розионными свойствами.

Дальнейшее развитие указанных высокопроизводительных ме­ тодов механической обработки находится в прямой зависимости от создания методов обеспечения устойчивого процесса резания. Вибрации вызывают ухудшение качества обработанной поверхно­ сти, повышенный износ и выкрашивание инструмента, понижают точность и долговечность станка и приспособления и приводят к снижению производительности процесса резания.

Возникновение вибраций при обработке резанием характери­ зуется возмущающими силами и свойствами упругой системы; соотношение между этими параметрами определяет как возмож­ ность возникновения вибраций, так и их интенсивность, т. е. ампли­ туду и частоту.

5

Возмущающие силы в зависимости от физического существа

го вынужденные колебания и автоколебания («самовозбуждаю­ щиеся» колебания). Помимо этого, при отдельных видах механи­ ческой обработки существенное значение иногда приобретают дру­ гие виды колебаний, обусловленные изменением одного из пара­ метров системы СПИД, например, жесткости по времени (пара­ метрическое возбуждение колебаний), а также собственные зату­ хающие колебания, возникающие при мгновенном приложении и снятии силы, что происходит при врезании или выходе режущей

а также причин возникновения автоколебаний и средств их устра­

Разработке теории автоколебаний при резании посвящен ряд капитальных исследований — Н. А. Дроздова, A. PL Каширииа, А. П. Соколовского, Д. Н. Решетова. В настоящей работе предла­ гается оригинальный метод анализа устойчивости процесса реза­ ния на основе рассмотрения поля динамических сил в области вер­ шины резца и использования структурного критерия устойчиво­ сти. Автор использует физическую модель возникновения автоко­ лебаний, обусловленную координатной связью упругой системы СПИД, имеющей минимум две степени свободы с процессом ре­ зания. Эта теория была разработана исследованиями В. А. Кудпнова (ЭНИМС) и И. Тлустого (ЧССР). В книге разработана ин­ женерная методика расчета виброустойчнвости; она подтверж­ дается экспериментально и иллюстрируется конкретными число­ выми примерами анализа типовых операций механической обра­ ботки.

Настоящая книга излагает результаты исследования автора, выполненные им после опубликования первой книги [43]. Автором

основанный на анализе полярных диаграмм податливости. Полу­ ченные уравнения радиальной и ортогональной податливости си­ стемы резец — суппорт и деталь — опоры станка значительно уточ­ няют существующее представление об «эллипсе» жесткости и мгно­ венном полюсе поворота.

Структурная теория устойчивости процесса резания позволяет рассчитать и объяснить влияние различных параметров режима резания, геометрии заточки инструмента и жесткости упругой си­ стемы станка на устойчивость процесса резания и довести теорию до стадии технологического расчета. В частности установлено, что по длине обрабатываемой детали возможно существование крити-

6

ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СТРУКТУРНОЙ ТЕОРИИ УСТОЙЧИВОСТИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

В металлообработке есть проблемы, которые не нашли еще достаточно полного решения, несмотря на свою актуальность. Это в первую очередь относится к устойчивости процесса резания. Виб­ рации (автоколебания) часто возникают даже при работе на со­ временных металлорежущих станках.

Значительный вклад в проблему устойчивости процесса реза­ ния внесли В. А. Кудинов и И. Тлустый, которые независимо друг от друга разработали «теорию координатной связи», расчетная схема которой послужила отправным пунктом при разработке структурной теории устойчивости, изложенной в книге автора «Ав­ токолебания при резании металлов» [43]. Предлагаемая работа яв­ ляется дальнейшим развитием структурной теории устойчивости при резании металлов, которая основана на анализе динамических си­ ловых полей в области вершины резца. В устойчивом режиме ре­ зания, когда автоколебания отсутствуют, равнодействующая всех сил, приложенных к рабочей части инструмента, равна нулю. В противном случае резец не был бы в покое, а совершал уско­ ренное движение. Две группы сил обеспечивают равновесие ин­ струмента— силы резания и силы упругости (восстанавливающие силы). При токарной обработке силы упругости возникают в ре­ зультате деформации упругой системы резец — суппорт под дей­ ствием сил резания. Равнодействующая сил упругости в устано­ вившемся режиме работы Т0 равна и противоположно направлена равнодействующей сил резания Ро. Однако это равновесие соблю­ дается лишь в одном-единственном положении вершины резца, которое определяется параметрами жесткости станка и режимом обработки. Это значит, что когда период врезания прошел к на­ ступил период установившейся работы, условия резания опреде­ ляют единственное положение равновесия, когда деформация си­

Установившийся процесс резания протекает без изменения кинематической настройки системы СПИД (станок—приспособ­ ление— инструмент — деталь). Однако случайные факторы — срыв нароста, неравномерность припуска на обработку и др. — могут привести к отклонению вершины резца из положения равновесия. Такое отклонение естественно рассматривать для любого равно­ весного положения механической системы, имеющей одну пли

8

несколько степеней свободы. И устойчивость равновесия опреде­ ляется теми новыми значениями сил, которые возникают в откло­ ненном положении. Так, маятник имеет два положения равнове­ сия — нижнее и верхнее (рис. 1а. б), для которых равнодействую­ щая силы веса и реакции стержня маятника равна нулю. Однако в нижнем положении равновесия, при случайном отклонении маят­ ника, возникает равнодействующая сила F, стремящаяся возвра­ тить маятник в положение равновесия. В то же время в верхнем положении, при любом малом отклонении маятника, равнодейст­ вующая силы веса и реакции связи стремится увеличить откло­ нение.

линия образует сходящуюся систему сил (рис. 1,с). Если положе­

В рассматриваемых примерах система обладает одной сте­ пенью свободы и, кроме того, сила тяжести и сила упругости яв­ ляются консервативными, т. е. колебаний с нарастающей ампли­ тудой в таких системах возникнуть не может. Однако принцип образования силовых линий и связь устойчивости равновесия с ти­ пом силовых линий здесь совершенно очевидна.

Анализ сил, приложенных к резцу, в процессе резания пока­ зывает, что как только вершина резца получит какое-либо малое •смещение из положения равновесия (установившегося режима ра­ боты), возникает равнодействующая силы резания и силы упруго­ сти, не равная нулю.

Для определения равнодействующей достаточно рассчитать силу резания и силу упругости в отклоненном положении верши­ ны резца, а затем векторно сложить эти силы. Для этого при рас­ чете силы резания рассматривается новое (отклоненное) положе­ ние вершины резца, как положение установившегося режима ра­ боты, для которого изменилось лишь сечение срезаемого слоя. При этом не учитывается влияние на силу резания таких явлений, как запаздывание силы резания от перемещения или падающая харак­ теристика силы трения. Это значит, что для отклоненного положе­ ния определяется статическое значение силы резаиия, т. е. то зна­ чение, которое может быть замерено динамометром при устано­ вившемся режиме работы или получено расчетом по известным экспериментальным зависимостям для нового значения площади •срезаемого слоя металла в отклоненном положении вершины резца.

9