Вплив факторів на складові сили різання. Коливання при різанні

ЛЕКЦІЯ 8. Вплив факторів на складові сили різання. КОЛИВАННЯ ПРИ РІЗАННІ

8.1. Вплив оброблюваного матеріалу.

Чим більша міцність або твердість оброблюваного матеріалу, тим більший опір він спричиняє при обробленні, а значить, буде більшою і головна складова сили різання. Залежності, які відображають вплив фізико-механічних властивостей оброблюваного матеріалу при обробленні твердосплавними різцями мають вигляд

z = C1 в0,35 – при обробленні сталей;
z = C2 0,4 – при обробленні сірих чавунів.

Наведені залежності дають право використовувати наступні співвідношення:

для сталей

;

для чавунів

Якщо взяти за одиницю силу при обробленні незагартованої сталі з в = 750 МПа, то можна знайти поправочний коефіцієнт м для сталей з іншим значенням в:

Тоді, знаючи силу Pz1 для в = 750 МПа, легко знайти силу для іншого значення в

Pz = Pz1Kмz.

8.2. Вплив глибини різання і подачі.

При збільшенні глибини різання в два рази також в два рази збільшується ширина зрізу (рис. 8.1), а отже в стільки ж разів і площа поперечного перерізу та навантаження на різець:

Pz = C1 tXpz; xpz = 1.

При збільшенні подачі в два рази площа поперечного перерізу збільшується в два рази при незмінному значенні ширини зрізу. В нашому випадку збільшується в два рази товщина, а дійсна площа перерізу менше, ніж в два рази. Таким чином збільшуються тільки елементи, які діють на передню поверхню (менше, чим в два рази), а елементи, які діють на задню поверхню, залишаються приблизно такими ж.

Рисунок 8.1 – Схема до аналізу впливу глибини та подачі

на головну складову сили різання Pz

Важливе і те, що найбільші напруження і деформація по товщині зрізуваного шару мають місце біля кромки різця, тобто в шарах, близько розташованих від площини зсуву; по мірі віддалення шару від площини зсуву напруження і деформації поступово зменшуються, що зменшує і сили, які діють на різець з боку зрізуваного шару. Все це призводить до того, що із збільшенням подачі (а отже і товщини зрізу) в два рази головна складова сили різання збільшується менше, ніж в два рази:

Pz = C2 sYpz; ypz < 1.

При обробці сталі та чавуну звичайними прохідними різцями ypz = 0,75. При роботі відрізними і прорізними різцями ypz = 1, що пояснюється впливом радіуса кривизни різальної кромки при малій товщині зрізу.

Ширина зрізу b = t/ sin і товщина зрізу a = s sin впливають на сили різання аналогічно глибині і подачі.

Із наведених залежностей видно, що при точінні з однаковою площею зрізу головна складова сили різання буде менше у випадку більшої подачі та меншої глибини різання.

8.3. Вплив переднього кута (кута різання).

Чим більші негативні значення передніх кутів або кута різання = 90 – (рис. 8.2), тим трудніше різцю врізатися в заготовку, тим більша деформація зрізуваного шару при перетворенні його в стружку, тим більша і головна складова сили різання Pz.

Одночасно з Pz будуть збільшуватись і складові сили Рх, Ру. При цьому по мірі збільшення швидкості різання інтенсивність збільшення сил із збільшенням зменшується. При наявності фаски f > a (a – товщина зрізу) сили починають збільшуватись, при f > 3a їх необхідно визначати з урахуванням ф. При f a сили зменшуються незначно.

Рисунок 8.2 – Вплив переднього кута на головну складову сили різання Pz

8.4 Вплив головного кута в плані.

В випадку, коли радіус округлення різальних кромок при вершині різця r = 0, при вільному різанні (рис. 8.3) кут впливає на товщину і ширину зрізу відповідно залежностям a = s sin і b = t/ sin.

Рисунок 8.3 – Вплив головного кута в плані на головну складову

сили різання Pz

При збільшенні товщина зрізу a збільшується, а ширина b зменшується. В зв’язку з тим, що вплив ширини зрізу на силу Pz в порівнянні з товщиною домінує, Pz буде зменшуватись.

Зміна кута в плані впливає на осьову та радіальну складові сили різання відповідно до співвідношень (рис.8.4)

Px = PN sin; Py = PN cos.

Рисунок 8.4 – Вплив головного кута в плані на осьову

та радіальну складові сили різання Px, Py

Таким чином, із збільшенням головного кута в плані осьова складова сили різання збільшується, а радіальна – зменшується.

8.5. Вплив радіуса округлення вершини різця.

Чим більший радіус округлення різальних кромок при вершині різця r, тим більша довжина криволінійної ділянки різальної кромки, тим більша деформація, а отже і головна складова сили різання Pz .Точки криволінійної ділянки мають менші значення кутів , тобто збільшення r подібне зменшенню кута ; тому при збільшенні r складова сили Py збільшується, а Px зменшується:

Pz = Czrx1; Pу = Cуrx2; Pх = Cх /rx3.

8.6. Вплив мастильно-охолоджувальної рідини.

Використання мастильно-охолоджувальних рідин (МОР) зменшує тертя на передній і задній поверхнях інструмента та полегшує процес стружкоутворення. Тому використання МОР дозволяє зменшити сили різання на 10-40 %.

8.7. Вплив швидкості різання.

Вплив швидкості різання на силу різання має немонотонний вигляд (рис. 8.5).

Це пов’язано з процесом утворення наросту, який змінює передні кути. При роботі в зоні відсутності утворення наросту збільшення швидкості різання зменшує сили різання за рахунок підвищення температури, яке викликає зменшення міцності оброблюваного матеріалу, зменшує коефіцієнт внутрішнього тертя. Крім того, збільшення швидкості різання зменшує і розмір зони деформування.

В межах 50-500 м/хв Pz = C/Vn, де n = 0,10-0,26.

Рисунок 8.5 – Вплив швидкості різання на силу Pz

8.8. Вплив зношування різця.

Загальним випадком зношування різця є зношування по задній і по передній поверхням. Найбільш характерним і обмежуючим є зношування по задній поверхні hз, яке характеризується висотою площадки із заднім кутом, що дорівнює нулю. Чим більша ця площадка, тим більше сила тертя різця по заготовці, і тим більша сила різання.

Загальні формули для розрахунку складових сили різання, які здобуті обробленням експериментальних даних і наведені в довідковій літературі, мають вигляд

Pz = 10Cpz txpzsypzVnzKpz, Н; (8.1)

Pу = 10Cpу txpуsypуVnуKpу, Н; (8.2)

Pх = 10Cpх txpхsypхVnхKpх, Н; (8.3)

де Cp – постійний коефіцієнт для окремої групи оброблюваних матеріалів;

Kp – коефіцієнт, який враховує відмінності умов оброблення (оброблюваного матеріалу, головного кута в плані, переднього кута, радіуса округлення кромок при вершині, зношування різця, мастильно-охолоджувальної рідини), для яких розраховується сила різання, від еталонних, для яких наведені значення складових формул (8.1– 8.3):

Kp = Kм K K Kr Kh Kмор.

8.9. Коливання в процесі різання

8.9.1. Причини виникнення коливань

Під час різання можуть виникати періодичні коливання окремих елементів системи “верстат-пристрій-інструмент-деталь” (ВПІД) великої частоти, які називаються вібраціями. Вібрації викликають погіршення якості обробленої поверхні, підвищене зношування і викришування інструменту, знижують точність та довговічність верстата і пристрою. Все це зменшує продуктивність оброблення.

Виникнення вібрацій при обробці різанням характеризується збурюючими силами та властивостями пружної системи; співвідношенням між цими параметрами визначають як можливість виникнення вібрацій, так і їх інтенсивність, тобто амплітуду і частоту.

Збурюючі сили в залежності від фізичної сутності механізму збурювання вібрацій можуть створювати коливання двох видів, а саме вимушені коливання і автоколивання (самозбурюючі коливання).

Вимушені коливання виникають внаслідок наявності в системі ВПІД зовнішньої періодичної сили, яка викликає коливальний процес з частотою, що дорівнює частоті дії збурюючої сили. Ці сили можуть бути поділені на дві групи:

перемінні сили, обумовлені процесом різання. Це, наприклад, сили, що виникають при видаленні нерівномірного припуску, переривчастому характері різання (обточування зубчастого ободу або спинок лопаток на турбіні);
перемінні сили, що виникають в системі ВПІД поза зоною різання. До цієї групи відносяться коливання, що викликані дефектами передач верстата (перекошування осей, зшивання пасів, похибки виготовлення зубчастих коліс, підвищені люфти і т. і.), дисбалансом частин, що обертаються – заготовок, пристроїв, інструментів (фрез, шліфувальних кругів), а також коливання, що передаються на верстат від інших машин, які працюють під час оброблення.

Загальною ознакою вимушених коливань є відсутність залежності інтенсивності дії збурюючої сили від процесу різання. Тому для погашення цих коливань необхідно ліквідувати причини, які викликають ці коливання.

Вимушені коливання можуть застосовуватись для поліпшення процесу різання – підвищення якості обробленої поверхні, зміни форми стружки, що утворюється при різанні. Коливання, які співпадають з напрямком подачі, ефективно подрібнюють стружку.

Для поліпшення процесу різання жароміцних сталей застосовують введення в зону різання коливань ультразвукової частоти в радіальному та тангенціальному напрямках. При ультразвуковому різанні значно поліпшується дія МОР за рахунок їх кращого проникання в зону різання.

Автоколивання виникають без зовнішньої періодичної сили, яка збурює коливальний процес. Частота коливань при цьому, як правило, не залежить від режимів різання, геометрії інструменту і дорівнює власній частоті системи.

Сутність виникнення автоколивань при обробленні різанням розглянемо, поділивши систему ВПІД на наступні складові частини (рис. 8.5):

джерело енергії;
механізм збурювання;
коливальна система;
стабілізатор амплітуд.

Джерело енергії – при обробці на металорізальних верстатах це електродвигун;

Механізм збурювання – це механізм, що збурює коливання в основній коливальній системі шляхом перетворення постійної в часі енергії зовнішнього впливу, а саме приводу верстата, в енергію коливального руху.

Рисунок 8.5 – Складові частини системи ВПІД

Причиною виникнення автоколивань при різанні є наступні явища:

запізнювання зміни сили відносно малого переміщення, особливості утворення застійної зони і наросту на різці, неоднакове зміцнення металу та зміна положення площини зрізу при коливаннях;
падіння величини сили різання з підвищенням швидкості різання;
залежність сили різання від швидкості радіального коливального руху і його напрямку (врізання, відхід);
специфіка процесу різання як одного із видів пластичного деформування при малих швидкостях різання, при яких утворюється елементна стружка.

Першою причиною виникнення автоколивань є первинний механізм збудження внаслідок дії координатного зв’язку системи, яка має декілька ступенів свободи, з процесом різання (рис. 8.6).

Будь-який елемент системи ВПІД має нескінченну кількість ступенів свободи. Збудження коливального процесу призводить до того, що різальна кромка описує в площині замкнуту траєкторію в вигляді еліпса. Якщо збурювання коливального руху відбувається проти годинникової стрілки, то при переміщенні від точки А до В сила різання діє проти напрямку руху різання і робота, яку виконує сила різання, зменшує енергію руху інструмента. Навпаки, на ділянці від точки В до А напрямок руху різання співпадає з рухом різця і робота сили різання збільшує енергію руху. Але робота, яка поглинається силами різання, буде меншою порівняно з роботою, яка віддається цими силами, тому що глибина різання при переміщенні від точки А до В буде меншою, чим від точки В до А. Тому при такому збурюванні за один цикл сила різання віддасть коливальному руху відповідну енергію, утворюючи стійкий коливальний процес.

Другою причиною збудження коливань є первинний механізм збудження, обумовлений залежністю сили різання від швидкості різання.

Коливальна система – це система, окремі елементи якої, включаючи робочий орган машини, виконують коливальні рухи. Параметри цієї системи – жорсткість, опір і маса – визначають частоту автоколивань. При обробці різанням такою системою є система “інструмент-оброблювана деталь” та пов’язані з ними вузли верстата і пристрою.

Рисунок 8.6 – Схема збудження автоколивального процесу

Механізм збудження і коливальна система знаходяться між собою в тісному взаємозв’язку. З однієї сторони, механізм збуджування генерує коливання в основній коливальній системі, перетворюючи енергію джерела, постійну в часі, в періодичну, тобто спрямовуючи її в коливальну систему визначеними порціями. Це – прямий зв’язок.

З іншої сторони, коливальна система керує роботою цього механізму збурювання, задаючи частоту і величину порцій енергії, що поступають у систему, в залежності від власних параметрів: жорсткості, опору і маси. Такий зв’язок називається зворотнім.

Стабілізатор амплітуд – це умова, при якій амплітуда коливань підтримується постійною в часі. При роботі будь-якої реальної системи енергія коливань постійно розсіюється із-за неминучих втрат. Зменшення енергії постійно компенсується джерелом, від якого деяка порція енергії за кожний період подається в коливальну систему. Отже, постійні за амплітудою коливання можливі тільки в тому випадку, коли кількість енергії Uвх, яка поступає за якийсь період, дорівнює енергії Uвит, яка витрачається в системі за той же самий час (рис. 8.7). Ця умова балансу енергії і є умовою існування сталих автоколивань при різанні. Значення амплітуди Аст, що відповідає рівнянню Uвх = Uвит, є сталим, тобто будь-яке випадкове відхилення системи від цієї амплітуди приведе до її повернення в положення енергетичної рівноваги. Дійсно, зменшення амплітуди А до значення меншого, ніж Ауст, дає Uвх > Uвит, що приведе до збільшення амплітуди. В випадку А > Аст будемо мати Uвх < Uвит, що супроводжується зменшенням амплітуди.

Рисунок 8.7 – Умова існування сталих коливань

При обробці сталей по мірі збільшення швидкості різання амплітуда збільшується, досягаючи максимуму, після чого починає зменшуватись. Таким чином, існує швидкість, при якій амплітуда коливань максимальна.

Збільшення товщини зрізу зменшує амплітуду коливань, збільшення ширини веде до різкого її збільшення.

По мірі зменшення позитивного значення переднього кута і збільшення його негативного значення амплітуда різко зростає.

Головний кут в плані впливає на амплітуду слабо. Його вплив непрямий через ширину і товщину зрізу.

Задній кут при великому значенні на амплітуду впливає незначно. При зменшенні за межі 3 амплітуда зменшується.

Збільшення радіусу округлення перехідної кромки збільшує амплітуду.

Методи боротьби з коливаннями:

підвищення жорсткості системи ВПІД за рахунок використання люнетів, зменшення проміжків, раціонального компонування верстата;
використання віброгасників;
вибір раціональних геометричних параметрів інструменту;
вибір оптимальних режимів різання;
виконання фасок на задній поверхні, які гасять вібрації.

8.9.2. Динамічна характеристика різання

Динамічна характеристика різання як елемента динамічної системи верстата являє собою залежність сили різання від відносного зміщення заготовки та інструмента, яке обумовлює цю силу.

Використовуючи цю характеристику, можна розрахунком визначити вплив режимів різання, геометрії інструменту і оброблюваного матеріалу на динамічні процеси, що проходять в верстатах і, зокрема, на умови виникнення автоколивань при різанні.

Динамічна характеристика процесу різання може бути побудована тільки для умов, коли процес різання є власно сталим, тобто для умов утворення зливної стружки.

Розглянемо, згідно В.О. Кудінову, лінійні зміщення в напрямку трьох осей координат XYZ при вільному прямокутному різанні (рис. 8.8).

Рисунок 8.8 – Схема зони різання при утворенні зливної стружки

Зміщення по нормалі до поверхні різання (в напрямку осі Y) викликає зміну: товщини a шару, що видаляється; швидкості ковзання стружки по передній поверхні різця; переднього кута, а також заднього кута.

Зміщення по дотичній до поверхні різання в напрямку швидкості різання (по осі Z ) викликає зміну швидкості різання.

Зміщення по дотичній до поверхні різання (по осі X) викликає зміну швидкості різання і швидкості переміщення стружки по передній поверхні стружки, але, як показує практика, мало впливає на силу різання і може не враховуватись.

Для названих відносних зміщень динамічна характеристика процесу різання, з урахуванням сил на передній і задній поверхнях леза, має вигляд:

де Kp – коефіцієнт різання, Kp = K b;

T – величина, що визначається за формулою T =T – T;

Tp – величина, що визначається за формулою Tp =;

b – ширина зрізу;

p – символ диференціювання;

y – переміщення в напрямку осі Y.

В свою чергу:

Tр – постійна часу стружкоутворення

;

T – постійна часу переднього кута

;

T – постійна часу заднього кута

В наведених формулах постійних часу стружкоутворення, переднього та заднього кутів:

m – безрозмірна координата, що визначає положення сили, яка діє на умовній площині зсуву;

n – безрозмірна координата, що визначає положення сили, яка діє на передній поверхні різця;

a0 – деяке задане значення товщини зрізу, від якого розглядається зміна товщини стружки;

KL0 – деяке задане значення коефіцієнту укорочення стружки;

V – швидкість різання;

K – коефіцієнт;

H – коефіцієнт пропорціональності;

K – питома сила різання, тобто сила, яка діє на одиниці площі поперечного перерізу шару, що зрізається;

h – висота фаски на задній поверхні різця.

Було встановлено, що для умов, які охоплюють область низькочастотних автоколивань (0 < f <10 Гц), вплив змінювання переднього і заднього кутів незначний. Одначе при обробленні з малим зсаджуванням матеріалів, що мають невелику пластичність, а також в області високих частот вплив змінювання переднього кута стає суттєвим. Вплив заднього кута також збільшується по мірі затуплення інструменту. І те і друге приводить до збільшення постійних часу переднього і заднього кутів.

Використання поняття постійної часу стружкоутворення є дуже суттєвим в динамічній оцінці процесу різання. Воно встановлює прямий зв’язок з величиною укорочення стружки і зворотну залежність від швидкості різання, враховує вплив властивостей оброблюваного матеріалу, режимів оброблення і геометрії інструменту на умови виникнення автоколивань та динамічні процеси різання.

V/KL0