ВЗАЄМОЗВ’ЯЗОК І ВЗАЄМООБУМОВЛЕНІСТЬ ОСНОВНИХ ЯВИЩ ПРОЦЕСУ ЛЕЗОВОГО ОБРОБЛЕННЯ РІЗАННЯМ

15 ВЗАЄМОЗВ’ЯЗОК І ВЗАЄМООБУМОВЛЕНІСТЬ ОСНОВНИХ ЯВИЩ

ПРОЦЕСУ ЛЕЗОВОГО ОБРОБЛЕННЯ РІЗАННЯМ

15.1 Складність явищ процесу різання

Різні фактори, які діють при різанні, по різному впливають на процеси деформування і контактні явища в зоні різання. Одні фактори безпосередньо впливають на процес утворення стружки, інші – побічно, через ті фактори, які впливають безпосередньо. Побічно впливають майже всі фактори, при чому цей вплив в більшості випадків викликають низку взаємопов’язаних явищ, що і обумовлює кінець кінцем дію фактора, який впливає безпосередньо. Наприклад, зміна величини переднього кута збільшує або зменшує середні контактні нормальні напруження на передній поверхні, що призводить до зміни середнього значення коефіцієнту тертя. Останнє впливає на кут дії, зміна якого викликає зміну кута зсуву і роботи утворення стружки.

Дія будь-якого фактора через ланцюг взаємозв’язаних факторів може підсилюватись або послаблятись в залежності від того, чи існує двохсторонній взаємний вплив факторів один на одного і чи співпадають або не співпадають результати активної та реактивної дій. Наприклад, збільшення середнього значення коефіцієнту тертя супроводжується збільшенням ширини площадки контакту стружки з передньою поверхнею, яке призводить до зменшення середньої величини контактних нормальних напружень. При наявності двох ділянок тертя це викличе ще значніше збільшення середнього значення коефіцієнта тертя.

Фактори, які діють при різанні, можна розділити на зовнішні та внутрішні. До зовнішніх факторів відносяться властивості оброблюваного та інструментального матеріалів, геометричні параметри інструменту, параметри режиму різання, властивості мастильно-охолоджувальної рідини. До внутрішніх факторів можна віднести кут дії, температуру на передній поверхні леза, середнє значення коефіцієнту тертя, ширину площадки контакту стружки з передньою поверхнею, дійсний передній кут з урахуванням наросту і таке інше.

Безпосередній вплив на процес утворення стружки при прямокутному різанні оказують тільки чотири фактора: кут дії, передній кут інструменту, швидкість різання та властивості оброблюваного матеріалу. Всі останні фактори впливають побічно. Розглянемо вплив деяких факторів, які діють найбільш сильно.

Вплив кута дії. Найважливішою характеристикою процесу утворення стружки є кут зсуву , від величини якого залежить коефіцієнт укорочення стружки, відносний зсув і робота утворення стружки. Все те, що збільшує кут зсуву, зменшує ступінь деформації зрізуваного шару та роботу утворення стружки. Використовуючи умову рівноваги інструмента, К.А.Зворикін теоретично здобув рівняння для визначення кут зсуву в залежності від переднього кута та кута тертя ' на передній поверхні:

2 + ' – = C,

де C – постійна величина.

Якщо врахувати, що ' – = , то рівняння прийме вигляд 2 + = C.

Таким чином, кут зсуву безпосередньо залежить від кута дії, зменшуючись при збільшенні останнього.

Механізм цієї залежності наступний. При збільшенні кута дії кут зсуву зменшується, що призводить до збільшення ступеню деформування зрізуваного шару та роботи стружкоутворення. При цьому вектор рівнодіючої стружкоутворення повертається проти годинникової стрілки, що призводить до повороту в тому ж напрямку осей головних напружень і відповідному зменшенню кута зсуву.

Вплив переднього кута. Безпосередній вплив переднього кута на процес утворення стружки (рис. 15.1) полягає в зміні напрямку переміщення стружки в просторі. При зменшенні переднього кута збільшується кут між векторами швидкостей різання V і стружки Vс і частинка зрізуваного шару при перетворенні його в стружку більш суттєво змінює свій напрямок свого руху. Оскільки зміна напрямку руху частинок пов’язане із зсувом по умовній площині зсуву, то зменшення переднього кута повинне збільшити інтенсивність зсувного процесу, тобто зменшити кут зсуву.

Рисунок 15.1 – Вплив переднього кута на кут зсуву

при постійному куті дії (вільне різання сталі 20Х; = 0)

Коли наріст відсутній, побічний вплив переднього кута на процес утворення стружки пов’язаний тільки зі зміною кута дії. Вплив переднього кута на кут дії іде за двома напрямами: за рахунок зміни орієнтації передньої поверхні та за рахунок зміни середньої величини коефіцієнта тертя. При зменшенні переднього кута кут дії збільшується внаслідок зміни положення передньої поверхні і зменшується внаслідок зменшення середньої величини коефіцієнту тертя. Перша дія є переважаючою, тому кут дії та передній кут знаходяться в протилежній залежності. Завдяки співпаданню безпосередньої да побічної дій переднього кута на процес утворення стружки, вплив переднього кута на поздовжній коефіцієнт укорочення стружки, відносний зсув та роботу утворення стружки надто сильний. Тому ці параметри збільшуються при зменшенні переднього кута.

В зоні швидкостей різання, при яких наріст має найбільшу висоту, вплив переднього кута на процес утворення стружки менш помітний. Чим менший передній кут, тим більша висота наросту і більший фактичний передній кут. Таким чином, зменшення номінального переднього кута компенсується збільшенням фактичного переднього кута.

Вплив швидкості різання. Безпосередній вплив швидкості різання на процес утворення стружки полягає в зміні кута зсуву. Кут зсуву зростає при збільшенні швидкості різання, що пов’язане з запізнюванням пластичної деформації. При невеликій швидкості різання зона пластичної деформації OAB (рис. 15.2) має відносно великі розміри. При великій швидкості різання зрізуваний шар настільки швидко проходить через поле напружень, що пластичні деформації не встигають пройти на межі OA зони деформації, проходять правіше від неї: там, де діють значно більші напруження. Внаслідок цього нижня межа OA переміщується в положення OA'. Теж саме відбувається і на верхній межі OB зони деформації, але, оскільки правіше від неї напруження зменшуються, то частинки зрізуваного шару продовжують деформуватись на малій відстані від межі OB. Внаслідок цього верхня межа переміщується на значно меншу відстань, порівняно з нижньою; зона первинної деформації OA'B' стає вужчою та повертається за напрямком годинникової стрілки. Зменшення розмірів та поворот зони викликають збільшення кута зсуву і зменшення ступеню деформування зрізуваного шару.

Рисунок 15.2 – Вплив швидкості різання на кут зсуву

при постійному куті дії (вільне різання міді: =20; = 2330)

Побічний вплив швидкості різання на процес утворення стружки проявляється в її впливі на кут дії за рахунок зміни середньої величини коефіцієнту тертя, а якщо оброблюваний матеріал схильний до утворення наросту, то і за рахунок зміни фактичного переднього кута. Зміна середньої величини коефіцієнту тертя при зміні швидкості різання пов’язана як з впливом її на середні величини нормальних контактних напружень, так і зі зміною температури на передній поверхні, яка впливає на опір зсуву в шарі стружки, що контактує. При різанні матеріалів, не схильних до утворення наросту, збільшення швидкості різання безперервно поліпшує процес утворення стружки, зменшуючи відносний зсув і питому роботу утворення стружки.

Вплив механічних властивостей оброблюваного матеріалу. Безпосередній вплив на процес утворення стружки механічних властивостей оброблюваного матеріалу полягає в збільшенні кута зсуву, пов’язаного із збільшенням опору зсуву матеріалу в зоні утворення стружки при постійних передньому куті та куті дії. Відповідно до цього зменшується ступінь деформації зрізуваного шару.

Якщо наріст при різанні відсутній, то побічний вплив властивостей оброблюваного матеріалу на процес стружкоутворення проявляється в зміні кута дії внаслідок зміни середнього значення коефіцієнта тертя. При постійній температурі на передній поверхні середня величина коефіцієнта тертя для різних оброблюваних матеріалів змінюється відносно мало, тому що при збільшенні опору матеріалу пластичній деформації одночасно збільшуються як дотичні, так і нормальні контактні напруження. При постійній швидкості різання із збільшенням опору матеріалу пластичним деформаціям середня величина коефіцієнта тертя зменшується, що зменшує коефіцієнт укорочення стружки та відносний зсув. При наявності наросту побічний вплив оброблюваного матеріалу на процес стружкоутворення доповнюється впливом наросту через зміну фактичного переднього кута.

Вплив товщини зрізуваного шару. Товщина зрізуваного шару впливає на процес стружкоутворення тільки побічно. Якщо наріст відсутній, то вплив товщини зрізуваного шару пов’язаний із зміною середньої величини коефіцієнту тертя, яка внаслідок збільшення середніх нормальних контактних напружень на передній поверхні зменшується при збільшенні товщини зрізуваного шару. Тому, чим товстіший зрізуваний шар, тим менший відносний зсув і питома робота стружкоутворення. При наявності наросту товщина зрізуваного шару додатково впливає через зміну фактичного переднього кута інструмента.

Між процесами в зоні первинної деформації і на передній поверхні інструмента існує тісний та взаємообумовлений зв’язок. Будь-яка зміна умов тертя в межах площадки контакту впливає на протікання деформаційних процесів і характер стружкоутворення. Навпаки, зміна умов стружкоутворення через зміну температури та швидкості стружки впливає на контактні явища на передній поверхні. Таким чином, будь-яка зміна напруженого стану в одній із зон викликає відповідну зміну напруженого стані в другій зоні. Якщо за будь-яких причин зміниться середній коефіцієнт тертя на передній поверхні, то із-за зміни напруженого стану в зоні контакту стружки зміниться величина сили стружкоутворення R і моменту M (рис. 15.3), з якими інструмент діє на стружку.

Для збереження рівноваги повинна змінитися величина сили Rс і моменту Mс, з якими зрізуваний шар діє на стружку, але це змінить напружений і деформований стан в зоні первинної деформації. Зміна деформованого стану в зоні викличе зміну температури і контактних напружень в зоні тертя і, як наслідок, зміну напруженого стану і таке інше. В процесі різання за рахунок саморегулювання в зонах і встановлюється такий напружений стан, при якому виконується умова рівноваги стружки.

Рисунок 15.3 – Сили і моменти, які діють на стружку

15.2 Різання як процес взаємодії елементів технологічної системи

зі складними імовірнісними діями

Процес різання являє собою складний комплекс фізико-хімічних явищ. Умови здійснення процесу різання визначаються кінематичною схемою різання (вона характеризує елементи зрізуваного шару, а також умови його видалення) пружними та пластичними деформаціями оброблюваного матеріалу, його руйнуванням в зоні різання, тертям, тепловими явищами, хімічними, електричними та магнітними явищами і іншими факторами.

На структурній схемі оброблення (рис. 15.4) показаний взаємозв’язок між вихідними первинними параметрами (факторами стану): матеріал, форма і розміри обробленої поверхні, якість і точність оброблення; верстат Вт, пристрій Пр, інструмент Ін, схема оброблення Сх, режим оброблення Рж, технологічне середовище Тс і вторинними параметрами, які визначають результати виконання механічного оброблення. До них відносяться експлуатаційні характеристики деталі, в тому числі точність оброблення Тч і якість поверхні Яп, стійкість Ст і міцність Мц інструмента, продуктивність Пр і економічність оброблення Ек.

Первинні параметри задають конструктор в вигляді креслення деталі та технолог: дані про заготовку, включаючи спосіб її виготовлення; величину припуску, що вилучається; спосіб оброблення, тип, потужність, точність і жорсткість верстата, пристрій, схему налагодження операції, конструкцію інструмента, режими оброблення, вид і спосіб підводу технологічного середовища.

Вторинні параметри характеризуються технологічними показниками. Вони визначаються як результат дії процесу різання, яке здійснюється при заданій системі ВПІД, на деталь. До них відносяться: експлуатаційні характеристики деталі, в тому числі досягнута точність оброблення та якість поверхні; стійкість і міцність інструменту; довговічність верстата та пристрою. Ці параметри в значній мірі визначають досягнуту продуктивність та економічність.

Одним із показників оброблення є стабільність вторинних параметрів. Розсіювання значень вторинних параметрів обумовлене збурюючими факторами, які діють в системі різання. Вони поділяються на систематичні та випадкові. Систематичні фактори обумовлюються характером руйнування оброблюваного матеріалу, а випадкові, наприклад, нестабільністю фізичних характеристик інструментального матеріалу (густини, міцності, пористості, пружності) та оброблюваної заготовки (різна твердість, нерівномірність припуску і таке інше).

Процес різання є ланкою, яка пов’язує первинні та вторинні параметри, що визначаються сукупним впливом кінематики процесу різання і багатьох фізичних явищ; при цьому вкрай рідко тільки один із них має вирішальне значення. В структурній схемі оброблення процес різання можна розглядати як механізм системи регулювання, який пов’язує систему ВПІД з технологічними параметрами, що досягнуті в результаті оброблення. Необхідно відзначити, що ця система регулювання працює з розімкнутим ланцюгом дії. Наступним етапом удосконалення керування процесом різання є побудова систем автоматичного регулювання, які працюють з замкнутим ланцюгом дії.

Функціональні зв’язки між окремими елементами структурної схеми оброблення різанням обумовлюють значення основних функцій fі, які в сукупності формують математичну модель оброблення. Серед них основними є функція Fпр, яка пов’язує первинні параметри з процесом різання, та Fрв, яка пов’язує процес різання з вторинними параметрами. Кінцевим результатом досліджень є знаходження функції Fпв, яка пов’язує первинні параметри із вторинними. Вирази функцій fі складаються із низки математичних залежностей, які пов’язують окремі фізичні явища, що складають процес різання.

Оптимізацію процесу оброблення виконують шляхом аналізу його математичної моделі, тобто сукупності описуючих його функцій, з метою пошуку екстремуму або заданого значення одного чи декількох параметрів. Як правило, цю задачу виконують різними методами з використанням ЕОМ.

Верстати з програмним керуванням і адаптивними системами дозволяють забезпечувати керування системою різання згідно заданому критерію з урахуванням випадкових коливань значень одного або декількох параметрів стану системи.

ВЗАЄМОЗВ’ЯЗОК І ВЗАЄМООБУМОВЛЕНІСТЬ ОСНОВНИХ ЯВИЩ ПРОЦЕСУ ЛЕЗОВОГО ОБРОБЛЕННЯ РІЗАННЯМ