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

также является критическим. Причем, если г > г,**, третье нера­ венство вновь выполняется. Это значит, что нарушение третьего не­ равенства в случае р = Рз* происходит в интервале значений

тельно, основное внимание приходится уделять минимальному кри­ тическому значению жесткости резания гз*. поскольку достиже­ ние /у** возможно при весьма высоком режиме резания. Вместе с тем в некоторых случаях, например, при затягивании или подрыва­

является действительным числом только при определенных соот­ ношениях углов р и аг :

Следовательно, только в областях, определяемых этими не­ равенствами, Е О З М О Ж Н Ы такие действительные значения г, при ко­ торых наступает потеря устойчивости. За сектором, ограниченным неравенствами (94), третье неравенство критерия устойчивости вы­ полняется.

На границе сектора возможной неустойчивости (94) нижнее и верхнее критические значения коэффициента жесткости резания становятся равными между собой. Подставляя любое из граничных значений р (94) в уравнение (89), найдем

Для металлорежущих станков токарной группы главные оси жесткости упругой системы резец — суппорт обычно не лежат в секторе, определяемом неравенством (94). Однако главные оси жесткости упругой системы деталь — опоры у патрона, а также у задней бабки практически всегда лежат в этом секторе. В середи­ не недостаточно жесткой детали главные осп жесткости вращаются и могут занять наиболее опасное критическое положение р 3 * (90).

90

Г Л А В А IV.

ВЛИЯНИЕ ЖЕСТКОСТИ УПРУГОЙ СИСТЕМЫ СТАНКА И РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

§ 1. О С Н О В Н Ы Е П А Р А М Е Т Р Ы , О П Р Е Д Е Л Я Ю Щ И Е

С Т Р У К Т У Р Н У Ю У С Т О Й Ч И В О С Т Ь П Р О Ц Е С С А Р Е З А Н И Я

При работе на металлорежущих станках практически все фак­ торы, характеризующие процесс обработки металлов резанием, в той или иной степени влияют на виброустойчивость пооцесса, т. е. на возбуждение и развитие автоколебаний. К этим факторам отно­ сятся параметры, определяющие режим резания, геометрические параметры инструмента, состояние станка по жесткости, физикомеханические свойства обрабатываемого материала и т. д.

Для того, чтобы облегчить анализ виброустойчивости процес­ са резания, рассмотрим отдельно параметры, влияющие на струк­ турную устойчивость процесса резания, а затем рассмотрим явле­ ния, сопровождающие обработку металлов резанием, которые так­ же оказывают существенное влияние на виброустойчивость процес­ са, не изменяя, однако, структуры поля динамических сил.

Согласно теоремам I и I I , доказанным в I I I главе, структур­ ная устойчивость процесса резания зависит от типа базового сило­ вого поля, образованного динамическими силами в окрестности вершины резца. Динамические силы, в свою очередь, являются равнодействующими сил резания и сил упругости. Значит, те пара­ метры процесса обработки, от которых зависят силы резания и силы упругости, влияют и на структурную устойчивость процесса резания. Наиболее существенно на структуру динамических сил оказывают влияние пять параметров: С ь С2 , р, г, аг, которые непо­ средственно определяют тип базового силового поля. Первые три параметра характеризуют жесткость по главным осям упругой си­

92

Из этих уравнений следует, что составляющие силы резания по координатным осям, а значит, режим резания и геометрические

Для иллюстрации влияния отдельных параметров на струк­ турную устойчивость процесса резания рассмотрим три примера •обработки деталей на станке: 1) растачивание отверстия консоль­ ной оправкой, 2) обработку нежесткой детали в центрах, 3) работу резцом с большим вылетом.

Во всех примерах в качестве основного режима принят слу­ чай структурно-устойчивого процесса резания, когда обработка не. нарушается вибрациями. Затем последовательно рассмотрено из­ менение одного из основных параметров, характеризующих усло­ вия обработки, в результате чего происходит качественное изме­

разность жесткости по главным осям. Направление оси минималь­ ной жесткости (|3 = 48°30/ ), согласно опытам [28] соответствует максимальной виброустойчивости процесса резания.

Структурная устойчивость процесса резания полностью опре­ деляется приведенными выше параметрами. Для этой цели рассчи­

зуют устойчивую структуру — силовой узел. Построение силового поля выполнено методом изоклин и представлено на рис. 34, п. 1.

Динамические силы, образующие базовое силовое поле, на­ правлены к положению равновесия. Так, если вершина резца из состояния равновесия углубится в металл заготовки на 0,1 мм и

93

нию равновесия и достигает F = 171 кГ. Под действием этих сил инструмент будет возвращаться в исходное положение равновесия.

Таким образом, при случайном отклонении вершины резца из состояния равновесия динамические силы поля восстанавливают

При выбранной глубине резания составляющие силы резания воз­ растают, в то время как толщина стружки в радиальном направле­

резания приводит к качественному изменению структуры динами­ ческих сил. Действительно второе неравенство структурного кри­ терия устойчивости нарушается (L2 —— 1,001 • 10'1), что и опреде­ ляет в области вершины резца неустойчивую структуру типа седла. При этом образуется дорога неустойчивости NN, на которой дина­ мические силы направлены от положения равновесия к периферии.

увеличивает начальное отклонение системы. Причем по мере откло­ нения системы динамическая сила возрастает.

При углублении вершины резца в радиальном направлении на 0,1 мм \Х\ — —0,1 мм, х2 = 0 мм) динамическая сила достигает F = 233 кГ, причем эта сила направлена под углом 78°36' к поло­ жению равновесия (к оси Ох\). Динамические силы являются не­ уравновешенными, поэтому они вызывают ускорение системы и соответственно приводят к раскачке упругой системы станка.

Эффект структурной неустойчивости может быть оценен лога­ рифмическим инкрементом 12 (86), который характеризует увели­ чение амплитуды вибрационных волн за период колебаний (точнее определяет логарифм отношения соседних амплитуд) без учета дис­ сипации энергии в системе. Так, в рассмотренном примере неустой­ чивая структура типа седла (п. 2) вызывает вибрации с логариф­ мическим инкрементом 12 = 1,66. При этом процесс резания ока­ зывается структурно неустойчивым. Опыт подтверждает, что для

ветственно жесткость резания изменится. Влияние главного угла в плане на жесткость резания легко усмотреть из схемы, приведен­ ной на рис. 23. Толщина срезаемого слоя в радиальном направле­ нии становится меньше, значит отношение силы резания к этому линейному параметру" увеличивается.

9Г>

области вершины резца возникает неустойчивая структура — сед­ ло. Таким образом, базовое поле имеет такую же неустойчивую структуру, как и в случае, рассчитанном в и. 2. Однако эффект структурной неустойчивости при этом оказывается иным.

чит, что в рассматриваемом случае поле динамических сил вызы­ вает более интенсивные вибрации, чем в случае п. 2, когда инкре­

седло. Логарифмический инкремент вибраций при этом составляет (86) /, = 2,56.

Таким образом, снижение минимальной жесткости системы приводит к образованию неустойчивой структуры поля динамиче­ ских сил, по своей эффективности превосходящей случаи, рассмот­ ренные в п. 2 и п. 3.

В случае, рассмотренном в п. 5, по сравнению с начальными условиями (п. 1) изменилось лишь направление главных осей жесткости (В = 138°30'). Изменение ориентации главных осей жесткости (за счет поворота расточной оправки, на которой с двух сторон срезаны лыски) привело к резкому снижению виброустой­ чивости. При этом нарушается третье неравенство структурного критерия устойчивости ( L 3 = — 13,5-104), и в области вершины резца возникает неустойчивая структура — силовой вихрь.

Динамические силы, образующие неустойчивую структуру, до­ стигают значительных величин. Так, при отклонении вершины рез­

намических сил, существенно отличается от случаев, рассмотрен­ ных в пп. 2, 3 и 4. Здесь нет четко направленных колебаний, свя­

п. 5, режим резания нарушается интенсивными вибрациями, когда амплитуда колебаний достигает 0,25 мм.

Таким образом, рассмотренные примеры показывают, что из­ менение любого из основных параметров процесса резания, таких, как глубины резания, главного угла в плане, угла ориентации осей жесткости, а также жесткости по главным осям упругой системы,

96

решающим образом влияет на виброустойчивость процесса реза­ ния. Изменение устойчивости процесса резания происходит в свя­ зи с влиянием указанных параметров на структуру динамических сил в области вершины резца.

2. О Б Р А Б О Т К А НЕЖЕСТКОЙ ДЕТАЛИ В ЦЕНТРАХ

На рис. 35 показано влияние основных факторов процесса ре­ зания на структурную устойчивость системы деталь — опоры стан­ ка. При этом рассмотрено поле динамических сил, приведенное к оси детали. В качестве основного режима приняты условия обра­

няются, заключаем, что в области вершины резца образуется си­ ловой узел и, следовательно, процесс резания оказывается струк­ турно устойчивым (рис. 35, п. 1).

Рассмотрим далее влияние основных параметров на струк­ турную устойчивость процесса резания. В п. 2 представлен случай увеличения глубины резания с t = 0,7 мм до t = 3 мм. При этом жесткость резания возросла с г = 226 кГ/мм до г = 970 кГ/мм, в результате чего произошло нарушение третьего неравенства струк­ турного критерия (Z-з = —58,7 • 104 ). Это значит, что в области вершины резца динамические силы образовали неустойчивую1 структуру типа фокуса (Уз = 1,44). Как установлено опытным пу­ тем, такое увеличение глубины резания действительно приводит к автоколебательному режиму [74].

венное изменение структуры поля динамических сил. Жесткость резания существенно зависит от главного угла в плане. Новое зна­ чение ф приводит к увеличению жесткости резания с г = 266 кГ/мм

тате такого изменения структуры процесс резания от устойчивого (п. 1) переходит к вибрационному (п. 3).

В п. 4 рассмотрен случай поворота резца в направлении вра­ щения детали на 60°. Как известно, такое изменение установки резца приводит к значительному повышению устойчивости процес­ са резания, что выражается в увеличении предельной глубины ре­ зания. Это положение было отмечено в работах Каширина [22], И. Тлустого [74], А. И. Исаева, Е. И. Михаленка [20], Б. П. Бармина и А. С. Кондратова [4].

7. Заказ Лв 10452.

Рис. 35. Влияние основных условии обработки на структуру поля динамических сил п устойчивость процесса резания мри точении нежесткой детали в центрах

98

Какая же причина изменяет виброустойчивость процесса ре­ зания, если режим резания, геометрические параметры и жесткость системы остаются без изменения? Что изменяется при новой уста­ новке резца? Как следует из расчетной схемы, изменяется угол |5 ориентации главных осей жесткости по отношению к радиальному направлению, проведенному через вершину резца. Если при обыч­ ной установке резца угол между радиальным направлением, прове­ денным через вершину резца и осью минимальной жесткости (5, со­ ставлял 150°, то для нового положения резца этот угол равен 30°.

критического значения |32* будет обеспечена структурная устойчи­

угол р. Однако для нового значения р структурный критерий устой­

получает полное объяснение не только в качественном, но и коли­

ря на наиболее благоприятное расположение инструмента по отно­

цесса резания на структурную устойчивость системы резец —суп­ порт. При этом ориентация главных осей жесткости упругой систе­