книги из ГПНТБ / Лоповок Т.С. Волнистость поверхности и ее измерение

ной силы резания, непостоянство которой было следствием скалывания элементов стружки при обработке на малых ско­ ростях резания. Такое объяснение долгое время было господ­ ствующим. Затем 'было указано на периодический срыв нарос­ та как на причину вибраций .в определенной области режимов резания.

Для объяснения постоянства частоты вибраций при изме­ нении частоты возмущающей силы используют механизм влия­ ния волнистости поверхности, оставшийся от предыдущего прохода, т. е. так называемые силы вторичного возбуждения.

В работе [15] указано несколько путей обратного воздей­ ствия упругой системы на процесс резания (изменение рабо­ чих углов резца при колебаниях, изменение сил трения по пе­ редней и задней поверхностям инструмента с изменением скорости резания, влияние следов от предыдущего прохода).

В работе [31] отмечается важность учета при анализе из­ менения условий резания не абсолютной величины скорости колебаний, а ее отношения к скорости резания. Эксперимен­ тально показано наличие сдвига по фазе между силой реза­ ния и перемещением при колебаниях. Это математически опи­ сано с привлечением зависимости скорости резания от силы резания. Физическое объяснение факта неоднозначности ав­ тор зндит в различном сопротивлении пластическому дефор­ мированию при врезании резца в -металл и при оттеснении им наклепанного слоя металла стружки.

Позже был экспериментально установлен факт сдвига по фазе между силой резания и перемещением при колебаниях, который объясняется как результат запаздывания пластичес­ ких деформаций в зоне резания. Эти исследования суще­ ственно расширили познания в области вибраций при реза­ нии и сделали возможным проведение некоторых расчетов.

Однако глубокие и всесторонние исследования в области динамики станков, включившие механизм образования вибра­ ций при резании, которые провел В. А. Кудинов, по-новому объяснили происхождение автоколебаний. Автор в своих ра­ ботах [18] развил комплексное представление о динамической системе станка как о замкнутой многоконтурной системе, включающей взаимодействие упругой системы СПИД со всеми рабочими процессами, протекающими в ее подвижных сое­ динениях..- Переход к эквивалентным системам дал возмож­ ность рассматривать одноконтурные упрощенные системы, удобные для решения практических задач.

На рис. 5 схематически показаны три основных типа та­ ких, систем. Первая из них,, включающая эквивалентный эле­ мент МС (механическая система)-, удобна для решения задач,

связанных с выбором привода пли его расчетом. Вторая, включающая эквивалентный элемент ЭУС (эквивалентная упругая система), удобна для решения задач, связанных с

процесса резания статической характеристикой, можно опре­ делить физический смысл потери устойчивости системы сле­

рабатываемой детали представляют результат сложения

Между этими колебаниями существует тот или иной сдвиг по времени — фазовый сдвиг. Поэтому образующаяся в ре­ зультате сложения колебаний траектория относительного движения инструмента и обрабатываемой детали имеет фор­ му замкнутой кривой, теоретически форму эллипса. Двигаясь по такой траектории (на рис. 6, а, она показана последова­ тельными положениями вершины резца), инструмент изменя­ ет толщину срезаемого слоя, а следовательно, силу резания таким образом, что при движении в сторону действия си­ лы резания толщина срезаемого слоя больше, чем при движе­ нии инструмента в обратном направлении.

На рис. 6, б показано .каждое .последовательное положе­ ние .вершины резца и .изменение толщины срезаемого слоя в процессе .возникших колебаний. Площадь диаграммы, очер­ ченная кривой изменения силы резания по перемещению, представляет работу, совершаемую силой резания (,в данном случае силой Pz) в процессе колебаний, .которая тратится на дальнейшее развитие колебаний (рис. 6, в). Сила Pz в таком

Рис. 6. Положение вершины резца и изменение толщины срезаемого слоя металла в процессе резания

представлении является упругой силой. В положениях /, 2, 3

еще большей степени силы сопротивления (выход инструмен­ та из контакта с обрабатываемой деталью, падение фактичес­ кой скорости резания до нуля и т. п.) не компенсируют пол­ ностью действие энергии, вносимой силой резания. Устанав­ ливаются стабильные колебания •— автоколебания с часто­ той, определяемой свойствами самой колебательной системы

~л близкой к одной .из частот собственных колебаний ЭУС станка.

Таким образом, приведенное объяснение возникновения автоколебаний •существенно отличается от предыдущих, по­ скольку установлено, что причинами автоколебаний являются внутренние силы системы, определяемые заданными конкрет­ ными условиями (конструкцией станка, обрабатываемым ма­ териалом, режимами резания и т. п.).

Причинами образования волнистости являются также вы­ нужденные колебания системы, вызываемые различными пе­ риодическими возмущениями, которые возникают вследствие неуравновешенности быстровращающихся звеньев системы СПИД: обрабатываемой детали, шпинделя станка, валов, шестерней и т. д. В зависмости от частоты колебаний и ско­ рости относительного движения инструмента и детали меня­ ется характер нарушения формы поверхности.

(Решающим фактором, влияющим на форму детали, явля­ ется отношение частоты относительного гармонического коле­ бания инструмента и обрабатываемой детали % к частоте вращения детали (числу оборотов детали) п. Результаты ис-

формы и волнистость обрабатываемой поверхности опублико­ ваны в работе [27]. Так, если отношение ~ является целым

числом, то гармоническое колебание не влияет на форму про­ дольного сечения детали. В этом случае достаточно исследо­ вать форму детали в поперечном сечении.

V + V , где ¥ — целое число, а 4я ' — дробь. При рассмот­ рении всей совокупности частот колебаний и влияния их на форму детали отношения частот удобно разделить на две группы, выраженные в целых числах Х1Г = 1, 2, 3, \ Р = 0 и дробных W=l, 2, 3,..., У'фО.

вызывает появление эксцентриситета е обрабатываемой де­ тали, но погрешностей формы при этом не возникает. Такой эксцентриситет особенно нежелателен в кольцах подшипни­ ков качения, для которых степень концентричности беговых дорожек и посадочных мест является одним из основных по­ казателей точности. Величина эксцентриситета е р.авна в этом случае амплитуде С0 относительного колебания детали и инструмента.

При -^- = 2, что часто имеет место, когда возбудителем

относительного движения служит плохо уравновешенный приводной вал, вращающийся с вдвое большим числом обо­ ротов, чем шпиндель, эксцентриситета не возникает, т. е. е=0, следовательно, деталь имеет овальную форму. При этом некруглость fk равна удвоенному значению амплитуды С0 , т. е. fk = 2C0.

При — = 3 соответственно форма детали трехгранная, е=0,

ния детали изменяется по синусоидальному закону с длиной волны, равной Ф = - ~ - Возникающая при этом некруглость

п

fk равна удвоенной амплитуде относительного колебания де­ тали и инструмента.

При дробном отношении частот образуемая режущим ин­ струментом волна на поверхности детали не замыкается после одного оборота детали (как это имеет место при целочислен­ ном отношении частот), что при наличии автоматической про­ дольной подачи приводит к образованию винтообразно сме­ щенных волн.

При отсутствии автоматической продольной подачи замы­ кание волны произойдет через столько оборотов детали, сколь­

При этом вследствие сдвига фаз а при каждом оборотедетали (пока не произойдет замыкания волн) выступающие части поверхности будут срезаться. Глубина -среза для наи­ более высоких точек поверхности (глубина волны а), обус­ ловленная наличием относительного колебания инструмента и детали, может быть определена следующим образом. Если

%21

а

—

Рис. 7. Кривые сдвинутого по фазе и главного колебаний

Глубина волны а может быть представлена в виде суммы (рис. 7)

a = CQ+y,

где С0 — амплитуда главного колебания, а у может быть, подсчитан по текущей .координате ф , если определить точку пересечения .кривой сдвинутого по фазе •колебания с кривой главного колебания. Первичная точка пересечения кривых, со­ ответствующих 2, 3 и 4-му оборотам, с кривой главного коле­ бания сдвинута соответственно на величину -у- .

Абсцисса точки пересечения может быть рассчитана поформуле

- у а = — а ,

п

—•т

Это уравнение выражает зависимость глубины волны а от знаменателя т рациональной дроби i j / и числа оборотов р.

.Методом обработки деталей, наиболее отвечающим приве­ денным зависимостям, является врезное цилиндрическое шли­ фование с выхаживанием.

Целесообразно упомянуть также о некоторых исследова­ ниях качества поверхностей, обработанных абразивными ме­ тодами, в частности шлифованием [33]. Шлифовальный круг и деталь образуют кинематическую пару, причем точки их кон­ такта не занимают постоянного положения в пространстве.

.Если бы не было силового замыкания, то в месте контакта образовывался зазор или натяг, который изменялся бы при переходе от одной точки детали к другой. Основными при­ чинами этого являются: неуравновешенность шлифовального круга; некруглось круга и детали (при цилиндрическом шли­ фовании); эксцентриситет круга и детали; биение шпинделя •станка*; колебания частей устройств, служащих для крепле­ ния инструмента или детали и т. д. Эти причины оказывают непосредственное влияние на формообразование детали и, в частности, на волнистость ее поверхности.

внутреннего кольца подшипника к измерительной базе (коническому отвер­ стию шпинделя), отклонения формы и волнистость дорожек качения под­ шипников, боковое биение по дорожкам качения подшипников.

На параметры образующихся на поверхности детали волн

его правкой. Затем поверхность круга сглаживается, удаля­ ются непрочно закрепленные и неправильно ориентированные зерна. При этом количество режущих кромок на единице по­ верхности круга увеличивается, вследствие чего уменьшаются высота и шаг неровностей (шероховатость) шлифуемой по­ верхности.

Далее .круг постепенно теряет свою режущую способность вследствие износа абразивных зерен, налипания металла на вершины зерен, заполнения пор режущей поверхности струж­

этом переменная составляющая силы резания влияет на .всю

С появлением волнистости на круге усиливаются коле­ бания и неравномерность процесса резания, что приводит к увеличению высоты волнистости на шлифуемой поверх­ ности.

Под действием вибраций в зоне резания шлифовальный круг периодически врезается в обрабатываемую поверхность. Можно считать, что при постоянных скорости вращения круга и частоте колебаний импульс силы после каждого обо­ рота круга попадает во впадину волны. Это вызывает рост волнистости, причем тем интенсивнее, чем быстрее растет амплитуда переменной силы. Вместе с тем при врезании кру­ га увеличивается мгновенная глубина шлифования (толщина •срезаемого абразивным зерном слоя металла), каждое зерно оставляет более глубокую риску, вследствие чего увеличи­ вается и высота шероховатости во впадине образовавшейся волны. При движении шлифовального круга в обратном направлении, «от детали», происходит обратный процесс: мгновенная глубина шлифования уменьшается, абразивное зерно снимает меньшую стружку и во впадине волны высота шероховатости уменьшается.

Причины возникновения волнистости упомянуты в стан­ дартах на волнистость.

В стандарте ФРГ DIN 4762 отмечается, что примерными, причинами возникновения волнистости являются эксцентрич­

Во французском стандарте Е 05—015 причины возникно­ вения дефектов 'поверхности, в том числе и волнистости, де­ лятся на зависящие от способа обработки и обрабатываемо­ го материала и зависящие от станка и правильности установ­ ки. Упоминаются только два способа обработки — фрезеро­ вание и шлифование. Отмечается, что при цилиндрическом и

фрезеровании еще и от наклона фрезы относительно торца.

К причинам, зависящим от станка и установки, стандарт относит низкочастотные вибрации детали, режущего инстру­ мента, которые вызываются прогибами, погрешностями на­ правляющих, недостаточной балансировкой узлов. Подчер­ кивается, что необходима активная и пассивная изоляция ог вибраций.

С Т А Н Д А Р Т И З А Ц И Я Г Е О М Е Т Р И Ч Е С К И Х П А Р А М Е Т Р О В

К А Ч Е С Т В А О Б Р А Б О Т А Н Н О Й П О В Е Р Х Н О С Т И

Состояние суперпозиции волнистости и шероховатости, с одной стороны, и трудность обоснования каких-либо границ между волнистостью и отклонениями формы, с другой, опре­ деляют необходимость рассмотрения здесь стандартов (стан­ дартизованных параметров оценки, базовых линий, длин участков измерений и т.д.) на шероховатость и отклонения формы. Кроме того, поскольку по определению стандарта на отклонения формы (ГОСТ 10356—63) шероховатость при рассмотрении отклонений формы исключается, волнис­ тость (в соответствии с этим стандартом) рассматривается совместно с отклонениями формы.

Стандартизация шероховатости поверхности

на Генеральной Ассамблее обсуждалась возможность между­ народной стандартизации шероховатости и с этой целью в 1950 г. был создан Технический комитет ИСО/ТК 57 «Качест­ во обработанных поверхностей», в ведении которого должны были находиться международные нормативные документы в данной области. Секретариат ИСО/ТК 57 было предложено вести Советскому Союзу.

•На первом пленарном заседании ИСО/ТК 57 рассматри­ вался первый проект предложений, в который входили во­ просы, связанные с основной терминологией, классификаци­ ей и обозначениями шероховатости поверхности.

На втором пленарном заседании ИСО/ТК 57 была одоб­ рена система М (система средней линии), применяемая в течение многих лет, а также были высказаны пожелания про­ должить работы по другим системам, в частности по систе­ ме Е (системе огибающей линии) с целью их совершенство­ ваний л изучения возможности их применения.

В 1961 г. в Москве состоялось третье пленарное заседание Комитета, на котором 'была рассмотрена и принята «Про­ грамма дальнейших работ ИСО/ТК 57», включающая сле­ дующие темы: «Шероховатость поверхности», «Волнистость», «Направление неровностей обработки», «Связь шероховатос­ ти с допусками», «Связь шероховатости с методами обработ­ ки», «Качество .поверхности и эксплуатационные свойства де­ талей машин». Поскольку решение проблем, составляющих содержание трех последних тем представляет большие труд­ ности и требует продолжительных исследований, программа дальнейших работ, принятая в 1961 г., их не включала. На этом же заседании было решено создать четыре рабочие группы (РГ), которые проводили бы соответствующую рабо­ ту между очередным и пленарным заседаниями Комитета. Рабочая группа РГ1 должна была заниматься терминами, определениями и критериями в системе Е, а РГЗ — прибора­ ми для измерения шероховатости по системе М и волнисто­ стью поверхности. Секретариат по Рабочей группе РГЗ было предложено вести Советскому Союзу.

В 1962 г. был разослан второй проект Рекомендации ИСО «Шероховатость поверхности», который был одобрен 21 стра­ ной (в том числе СССР, США, Швейцарией, Чехословакией, Италией, Болгарией, Румынией и другими странами) и был затем направлен в Совет ИСО,'который в феврале 1966 г.