Исследование влияния параметров режима резания и режущего инструмента с учетом интенсивности напряженно-деформированного состояния в зоне стружкообразования на устойчивость процесса резания

Тип работы:
Диссертация
Предмет:
Процессы и аппараты
Страниц:
222


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Оптимальная эксплуатация существующих и модернизируемых и совершенствование внедрения новых конструкций металлорежущих станков и инструментов невозможны без проведения больших комплексных исследований в области динамики процесса резания. Одним из главных критериев обеспечения высокой точности и качества обработанной поверхности и повышения стойкости инструмента является устойчивость движения станков, определяющая условия и границы возникновения, а также интенсивность колебаний технологической системы. В связи с этим изучение устойчивости движения металлорежущих станков занимает центральное место в общем объеме НИР во всех крупнейших конструкторских и производственных организациях станкостроения как в Тунисе, так и за рубежом.

Значимость и актуальность этой проблемы обуславливаются также непрерывной интенсификацией процесса резания вследствие все более широкого применения в различных отраслях народного хозяйства новых конструкционных материалов с повышенными механическими характеристиками и особыми свойствами (жаропрочные, нержавеющие, высокопрочные и др.), обработка резанием которых затруднена, и одновременным внедрением новых металлорежущих станков и инструментов, позволяющих проводить обработку при весьма напряженных режимах резания. Обеспечение стабильной безвибрационной работы станков путем рационального выбора параметров режима резания и режущего инструмента, динамических характеристик технологической системы станков и средств автоматизации является также необходимым этапом при создании гибких автоматизированных производственных систем и робототехнических комплексов. Проведенные до сих пор исследования по проблемам динамики процесса резания и устойчивости систем станков, как

— 6 правило, учитывают влияние отдельных технологических параметров процесса резания, конструктивных особенностей технологической системы станков, способы обработки и т. д., и поэтому носят частный характер, что затрудняет распространение полученных результатов на другие виды обработки, режимы резания, обрабатываемые материалы. Интенсивность напряженно-деформированного состояния материала в срезаемом слое является комплексным показателем, который учитывает: влияние всей совокупности параметров режима резания и режущего инструмента- физико-механические свойства обрабатываемого материала- виды обработки и условия резания. Поэтому цель работы- исследование влияния параметров режима резания и режущего инструмента с учетом интенсивности напряженно-деформированного состояния в зоне стружкообразова-ния на устойчивость процесса резания, разработка на этой основе рекомендаций по интенсификации режимов повышения точности и качества обработки.

Основные научные результаты диссертации заключаются в следующем:

I) Получены аналитические выражения для определения величин приращения составляющих силы резания Рг и Ру при изменениях скорости резания с учетом характера зависимости между напряжениями и деформациями-

Z) Получены формулы -для определения величин крутизны характеристики силы резания-

3) Установлен характер зависимости силы сопротивления от параметров режима резания и режущего инструмента при вибрации-

4) Разработана более точная математическая модель переменных сил резания при колебаниях с полным учетом кинематических приращений глубины резания дt, подачи Дб, скорости резания

— 7 дУ, переднего Д^ и заднего ДОб/ угла инструмента-

5) Впервые получены условия устойчивости для системы с одной и двумя степенями свободы в зависимости от кинематических приращений йЬ, ДБ, дУ, д|Г, Д& amp-6/ при колебаниях с учетом напряженно-деформированного состояния.

В работе использовались экспериментальные и теоретические методы исследования, базирующиеся на основных положениях теории пластичности обработки резанием и теории нелинейных колебаний упругих систем.

Экспериментальные исследования выполнялись на токарно-вин-торезном станке модели 1К62 с использованием современной измерительной аппаратуры.

Результаты экспериментов обрабатывались аналитическими и графическими методами.

По результатам работы даны рекомендации по рациональному выбору параметров режима резания и режущего инструмента с целью повышения устойчивости технологической системы металлорежущих станков, а также по усовершенствованию их конструкции и повышению их динамического качества.

Основные результаты работы могут быть рекомендованы для теоретического анализа динамики технологической системы металлорежущих станков, так и для рационального выбора параметров режима резания и режущего инструмента с целью повышения виброустойчивости.

— выводы и заключения.

— 28

Г л, а в, а П

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

МЕТАЛЛА, ПРЕВРАЩАЕМОГО В СТРУЖКУ ПРИ ОБРАБОТКЕ РЕЗАНИЕМ

2.1. Способ определения и основные свойства кривых деформационного упрочнения при сжатии и растяжении

Связь между напряжениями и пластическими деформациями устанавливается путем построения кривых деформационного упрочнения при любом сложном напряженно-деформированном состоянии тела, или, как их называют, диаграмм деформации. Последние отражают зависимость между величиной интенсивности напряженного состояния и величиной интенсивности деформированного состояния металлов в области больших пластических деформаций.

В области упругой деформации характер зависимости между напряжениями для всех пластических материалов является одинаковым — при возрастании величины упругой деформации возрастает величина напряжения.

В области пластических деформаций характер зависимости между напряжениями и деформациями для различных материалов является неодинаковым. Одни материалы характеризуются возрастанием величины напряжения с ростом пластической деформации, так называемым упрочнением, другие характеризуются тем, что величина напряжения остается постоянной при любом значении величины пластической деформации. Такие материалы называются идеально-пластическими.

В настоящей работе построение кривой деформационного упрочнения при сжатии выполнялось способом, разработанным в Ленинградском политехническом институте им. М. И. Калинина /36 /. Полученные в опытах на сжатие экспериментальные данные обрабатыва

— 29 ются в такой последовательности.

Сначала строится зависимость условного напряжения от усадки образца ке (рис. 2. 1), затем — кривая деформационного упрочнения как зависимость истинного напряжения от относительной деформации. Связь между усадкой образца Ке и относительной деформацией? определяется равенством к — / -, Ле ~е0-и ~ и ~ где ?0- первоначальная длина цилиндрического образца, 11- абсолютная деформация образца. Условное напряжение & amp-у вычисляется по отношению к начальной площади Ро образца. Зависимость напряжения от усадки ке сжатого образца представлена на рис. 2.1.

Чтобы получить линейную зависимость между С- /Те (рис. 2. 2) продолжим линию кривой в области пластической деформации до пересечения с ординатой С и обозначим точку пересечения Со, тогда значение (эу определяется уравнением

60 +П (/Се-/), (2*1) где 60- начальная ордината при /се= I,

П — угловой коэффициент в кг/мм2 в зависимости < 3* - /Се. Для того, чтобы из выражения (2. 1) получить уравнение крр-вой деформационного упрочнения, надо от напряжения 6* перейти к истинному напряжению С и от усадки образца к его относительной деформации? .

Из условия постоянства объема следует, что Р0 С0 где Р0 — начальная площадь, Рх и 6ж — текущая площадь и длина сжимаемого образца.

Так как -А- = ке ' то ^ = Ро /Се.

Рис. 2.1 Зависимость условного напряжения от усадки образца при сжатии

Тогда 5 = = ке = Са Ке •

Го ГХ

С учетом 2.1 подставляя Ке- ^ ?- получим са= во (1-е) + Пг или би^бо + (П-6о)б. (2. 2)

Из линейной зависимости 6 — ке, что при? = I, угловой коэффициент П этой зависимости численно равен истинному напряжению (эи. Линейная зависимость (2. 2) представляет собой уравнение упрощенной кривой деформационного упрочнения при сжатии, так как в них опущена область упругих деформаций.

Для построения кривой деформационного упрочнения достаточно экспериментальным путем определить две ее точки, а именно во (8 = 0, ке=!), П (& pound--1).

Относительная деформация при растяжении измеряется относительным сужением площади поперечного сечения у Ро-Гх

Го

Величина Ч* при растяжении, так же и при сжатии, может изменяться в пределах от У ^ I. При сжатии 6"а=Со + (П -- СГо) ?. При растяжении можно получить аналогичную зависимость (эа= Со + (П — Со) ^ (рис. 2. 3).

Чтобы вычислить истинные напряжения 6и «Н. Н. Давиденко /14 / рекомендует формулу

6″ = & mdash-&mdash-ЩЧтг- > а П. Бриджмен / 9 / - формулу

Рис. 2.3 Упроченная кривая деформационного упрочения при растяжении

С Ос/о. ч ц= (/+2Ящ/гш) Рп (<+ ' (2'4) где ССр- среднее напряжение в шейке образца, равное & amp-ср = р / (л г? и)•

Р — растягивающая сила, текущий радиус контура шейки, текущий радиус шейки.

2.2. Экспериментальное определение кривых деформационного упрочнения при сжатии и растяжении

Экспериментальное определение кривых деформационного упрочнения при сжатии и растяжении для различных материалов проводилось ранее в ряде исследований /20, 21,43, 51 / и др.

В табл.2.1 приведены значения вг0 и П, полученные при испытаниях на сжатие и растяжение, кованной термообработанной стали 10Х16Н4Б, обладающей свойством идеально-пластического материала, а в качестве упрочняющего материала выбрана сталь 3, как один из наиболее широко применяющихся конструкционных материалов.

Из этих сталей были изготовлены образцы для испытания на сжатие и растяжение. Образцы вырезались из заготовок в трех взаимно-перпендикулярных направлениях — по оси деталей, в радиальном и тангенциальном направлениях в количестве трех штук для каждого направления. Образцы для испытания на сжатие представляли собой цилиндры с размерами с1×6 = 4×6 мм (с отношением С / Ы. =1,5). Торцы образцов шлифовались в специальном приспособлении, обеспечивающем перпендикулярность торцов к оси. Образцы для испытания на растяжение изготовлялись с размерами сС х Е = 5×27 мм. Испытания проводились на прессе Гагарина. При испытаниях на сжатие в целях уменьшения трения на торцах

— 34 применялась графитная смазка. Для избежания бочкообразности осадка образцлв доводилась до значения величины абсолютной деформации 30−40% от ихпначальной длины. Бочкообразноеть при этом не превышала 2 -г- 356. После снятия индикаторных диаграмм по изложенной выше методике были построены кривые деформационного упрочнения при сжатии. Кривые деформационного упрочнения при растяжении строились упрощенным способом /36 / по двум точкам, поскольку проведенные ранее исследования / 20,21 / и др. показали достаточно хорошее совпадение кривых деформационного упрочнения при растяжении построенных по двум точкам и на основании полного экспериментального исследования.

На рис. 2. 4*2. II показаны кривые деформационного упрочнения при сжатии для сталей ЮХ16Н4Б и Ст. З, а кривые деформационного упрочнения при растяжении для тех же сталей — на рис. 2. 12 и 2. 13.

Графики, показанные ва рис. 2. 4*2.8 построены на основании данных таблиц (1. 1), Приложения I. Как видно из приведенных графиков, все исследуемые материалы обладают упрочнением при растяжении, а при сжатии упрочняются незначительно.

Для стабилизации свойств материала заготовки из стали 10Х1Н45 были подвергнуты термической обработке — нормализации, которая проводилась при температуре 900−950° в течение 2-х часов с последующим охлаждением на воздухе. После нормализации были вырезаны новые образцы и проведены испытания на сжатие. Построение кривых деформационного упрочнения после термообработки (рис. 2. 6*2. 8) показало хорошее совпадение кривых для образцов, вырезанных в различных направлениях (разброс не более 6%). Поэтому дальнейшие исследования проводились на заготовке из этой стали.

Проведенные (в настоящей работе исследования по определению кривых деформационного упрочнения, а также работы других авто

ПоказатьСвернуть

Содержание

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Переменные силы резания при колебаниях

1.2. Причины возникновения вибрации и критерий устойчивости при резании металлов

1.3. Формулировка задач исследования. П. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРШОЗННО-ДЕФОШИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

МЕТАЛЛА, ПРЕВРАЩАЕМОГО В СТРУЖУ ПРИ ОБРАБОТКЕ

РЕЗАНИЕМ *

2.1. Способ определения и основные свойства кривых деформационного упрочнения при сжатии и растяжении.

2.2. Экспериментальное определение кривых деформационного упрочнения при сжатии и растяжении

2.3. Характер зависимости между напряжениями и деформациями в процессе резания.

Ш. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛЫ РЕЗАНИЯ

ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ (ТОЧЕНИИ).

3.1. Экспериментальное определение зависимости силы резания от скорости резания и переднего и заднего угла инструмента.

3.2. Определение величины изменения силы резания при изменении параметров режима резания и режущего инструмента.

3.2.1. Определение величины изменения силы резания при изменении скорости резания.

3.2.2. Определение величины изменения силы резания при изменении переднего и заднего угла инструмента

3.3. Учет характера силы сопротивления при исследовании динамики процесса резания.. -.

3.3.1. Экспериментальное определение силы сопротивления при относительном колебательном движении резца и заготовки.

3.3.2. Определение зависимости силы сопротивления от параметров режима резания при радиальном движении резца.

3.3.3. Учет характера силы сопротивления при исследовании автоколебаний в процессе резания '

17. АНАЛИЗ ДИНШШЕСКОЙ СИСТЕМЫ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО СТАНКА

ОРИЕНТИРОВАННОЙ ПО НАПРАВЛЕНИЮ.

4.1. Нелинейное уравнение колебаний в системе с одной степенью свободы

4.2. Анализ устойчивости автономной системы при наличии нелинейного демпфирования

4.3. Анализ системы с одной степенью свободы ориентированной по направлению в линейном приближении. ИЗ

4.4. Исследование устойчивости системы с двумя степенями свободы, ориентированной по направ-леншо.

У. КРИТЕРИИ УСТОЙЧИВОСТИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИИ ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ.

5.1. Экспериментальное определение параметров технологической системы токарного станка IK

5.1.1. Определение жесткости узлов станка а) Определение жесткости суппорта б) Определение жесткости суппорта с установленным динамометром УДМв) Определение жесткости заготовки

5.2. Определение собственной частоты логарифмического декремента, приведенных масс и коэффициентов сил сопротивления, пропорциональных скорости элементов колебательной системы. 132 • 5.2.1. Определение собственной частоты колебаний и логарифмического декремента элементов колебательной системы.

5.2.2. Определение величин приведенных масс и ноэф-фициентов сил сопротивления

5.3. Расчет критериев устойчивости в направлении системы суппорта.

5.4. Экспериментальное исследование вибрации при токарной обработке

ОСНОВНЫЕ вывода.

Список литературы

1. бАлексеев А. Г. Колебания инструмента при обработке материалов в системе с 2-ш степенями свободы, ВИНИТИ & quot-Депонированные научные работы& quot-, Выпуск 6, 1983.

2. Алексеев Г. А. Автоколебания резца при нанесении штрихов & quot-Точное приборостроение& quot-, Вып. З, изд. ЛГУ, 1878, с. 72−75.

3. Амосов И. О. Осциллографическое исследование вибрации при резании металлов & quot-Точность механической обработки и пути ее повышения& quot-. М. -Л., 1951, с, 414−477.

4. Амосов И. С. и Скрачан В. А. Точность вибрации и чистота поверхности при токарной обработке. /Под ред.М.А. Ансерова-тМ. :) Л.: Машгиз, 1958, с. 39−70.

5. Арфауи Амор, Ерихов М. М. Исследование влияния интенсивности напряженно-деформированного состояния в зоне стружкооб-разования на устойчивость технологических систем металлорежущих станков. ВИНИТИ, 13 391−1985 г.

6. Арфауи Амор, Петков П. П. Учет характера силы сопротивления при исследовании автоколебаний в процессе резания. ВИЫИТЙ & quot-Депонированные научные работы& quot-, & 347- 1984.

7. Армарего А., Браун Р. Х. Обработка металлов резанием, пер. с англ,, М., Машиностроение, 1977, с. 325.

8. Большаков М. А., Куниным Н. Ф. Элластичное сжатие в книге В. Д. Кузнецова & quot-Физика твердого тела& quot-. Изд. & quot-Красное знамя& quot-, 1941, 32 с.

9. Брежмен П. Исследование больших пластических деформаций и разрыва. М., 1955.

10. Василенко Н. В. Теория колебания при резании металлов.1. Киев, 1975, 69 с.

11. Вибрации в технике. Справочник в 6-ти томах. Том 2. Колебания нелинейных механических систем. /Под ред.И.И. Блех-мана. -М.: Машиностроение, 1979, 351 с.

12. Вибрации в технике. Справочник в 6 томах. Том 3. Колебания машин, конструкций и их элементов. /Под ред. Ф.М. Димет-берга и К. С. Колесникова. -^!.: Машиностроение, 1980, 544 с.

13. Городицкий Ю.й. О колебаниях при резании металлов.- В кн.: Динамика систем. Горький, 1974, вып. З, с. 58−88.

14. Давиденков H.H., Спиридонова Н. И. Анализ напряженного состояния в шейке растянутого образца. -«Заводская лаборатория& quot-, т. II, вып. 6, 1945.

15. Дроздов H.A. К вопросу о вибрации станка при токарной обработке & quot-Станки и инструменты& quot-, 1937, JS 22, с. 10−16.

16. Заре В. В. Исследование вибрации при точении. Автореферат дис. канд. техн. наук, ЛПИ, 1957, 26 с.

17. Зорев H.H. Вопросы механики процесса резания металлов. Машгиз, 1956, — 241 с.

18. Ильницкии И. И. Колебания в металлорежущих станках и пути их устранения. Свердловск: Машгиз, Свердл. отд-ние, 1958,144 с.

19. Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов. /Под ред.В. Й. Дикушина и Д. И. Решетова. -М.: Машгиз, 1958, 293 с.

20. Истомин В. Ф. Экспериментальное исследование влияния температуры на деформационное упрочнение при растяжении и сжатии. Труды ЛПИ Stb 314, JI., изд. Машиностроение, 1970, с. 2832.

21. Истомин В. Ф. Экспериментальное определение кривых деформационного упрочнения при растяжении и сжатии. Труды Ш Н, JS 250, изд. Машиностроение, 1965,

22. Каширин А. И. Исследование вибрации при резании металлов. -М.: изд. АН СССР, 1944, 132 с.

23. Кедров С. С. Колебания металлорежущих с танков. -& iexcl-^. "-Машиностроение"-, 1928, — 199 с.

24. Кондо, Ковано и Сато & quot-Характер самовозбуждающихся вибрации, обусловленных многократным регенеративным эффектом: & quot-Конструирование и технология машиностроения& quot-. Труды американского общества инженеров и механиков. Том 103, 3, изд. «Мир», I9CI, с. 146−152.

25. Ковалев М. М. Исследование устойчивости системы заготовки. Суппорт ЕТИБ & quot-Машиностроение"-, $ 2, изд. ШШ, 1962, -с. 50−61.

26. Кудинов В. А. Динамическая характеристика резания. Станки и инструменты, 1963, $ 10, с. 17−19.

27. Кудинов В. А. Теория вибрации при резании.- Передовая технология машиностроения, изд. АН СССР, 1955, с. 47.

28. Кудинов В. А. Динамика станков. 4Д.: Машиностроение, 1975, 365 с.

29. Кучма I.K. Экспериментальные исследования вибрации при резании на токарном станке. Ст. «Новые исследования в области резания металлов& quot-. M-I., Машгиз, 1948, с. 28−32.

30. МанжоСГ.А. Исследование вибрации в условиях скоростного точения и изыскания методов борьбы с ними. Сб. & quot-Точениев механической обработке и пути ее повышения& quot-. М. -Л.: Машгиз, 1951, с. 47−52.

31. Меррит 0. К вопросу об автоколебаниях металлорежущих станков. Труды А0ИМ, серия & quot-Конструирование и технология машиностроения& quot-, 1965, JS 4, ч. 1, с. 215−231.

32. Мурашкин С. Л., Мурашкин Л. С. Прикладная нелинейная механика станков,-Л. Машиностроение, 1977, — 192 с.

33. Мурашкин Л. С. Исследование динамики процесса резания. Докторская дис. ЛЗШ им. М. И. Калинина, 1958.

34. Мурашкин Л. С. Вид напряженно-деформационного состояния металла превращаемого в стружку, НТИБ & quot-Машиностроение"-, й 6, изд. ЛШ'1, 1958, с. 33−35.

35. Мурашкин Л. С. О положении главных осей при резании металлов. Труды ЛПИ в 298, изд. Машиностроение, Л., 1968, с. 37−40.

36. Мурашкин Л. С. Упрощенный способ определения кривой деформационного упрочнения при сжатии. Труды ЛПИ, гё 191, М. -Л.: Машгиз, 1957, с. 27−29.

37. Мурашкин Л. С. К вопросу о расчете силы резания. НТИБ & quot-Машиностроение"-, $ 4, изд. ЛПИ,-1959, с. 35−38.

38. Мурашкин Л. С. Развитие теории резания металлов, труды ЛПИ & quot-Машиностроение"-, 1967, й 282, с. 79−103. &bull-39. Мурашкин Л. С. Об устрйчивости системы СПИД, — труды ЛПИ & quot-Машиностроение"-, 1969, гё 309, с. 234−239.

39. Опиту Г. Современная техника производства, пер. с нем. -М., & quot-Машиностроение"-, 1975, 279 с.

40. Пановоко Л. Г. Внутренние трения при колебаниях упругих систем. М., Физиатгиз, 1960, — 240 с.

41. Переломов Н. Г. Экспериментальное определение кривых деформационного упрочнения при растяжении и сжатии. НТИБ, & quot-Машиностроение"-, й 2, изд. ЛПИ, 1962.

42. Петков П. П. Исследования динамики процесса резания идеально-пластического материала. Дис. на соискание ученой степени, к.т.н. Л., 1974.

43. Подураев В. Н. Автоматически регулируемые и комбинированные процессы резания. -М.: Машиностроение, 1977, 303 с.

44. Соколовский А. П. Курс механики машиностроения. М-Л.: Маш-гиз, 1947, т. 1, 435 с.

45. Соколовский А. П. Жесткость в технологии машиностроения, М. -Л.: Машгиз, 1946, 252 с.

46. Стрелков С. П. Введение в теорию колебания. -М.: Наука, 1964, 440 с.

47. Ташлицкий Н. И. Первичный источник энергии возбуждения колебаний при резании металлов. & quot-Вестник машиностроения& quot-, I960, № 2, с. 22−26.

48. Трустый И. Автоколебания в металлорежущих станках. -М.: Машгиз, 1956, 359 с.

49. Фаттахи X. Исследование устойчивости в точности одношпин-дельного токарно-револьверного автомата. Диссерт. на соиск. ученой степени к.т.н., Л., 1972.

50. Харкевич A.A. Избранные труды в 3-х томах & quot-Линейные и нелинейные системы".М.: Наука, 1973, т. 2, 566 с.

51. Эльясберг М. Е. Основы теории автоколебаний при резании металлов. & quot-Станки и инструменты& quot-, 1962, № 11, с. 3−7, МО, с. 3−8.

52. Эльясберг М. Е. Об устойчивости процесса резания металлов. Известия А Н СССР, ОНТ, № 9, 1958, с. 26−28. 54• f{bno6cL A.N. The mechanism о/ toot uibzaticm & iquest-лthe Cuiiog- of stcti, «PzoceecCings о/ ?he 7nstctatanr) of Mechan исаб Enqineezs», N'3, 19%.

53. TJoLS KatoS. ChcCtte/v viozccbton o-f Laihe Too? s. I

54. Trans. ASME, 1956, vot 78, pp. 56* Lee F. And shaj-J-ег 3. «JowtncLI о/ АррШ-mecanios& quot-, vol ta, pp. t/05-W3.

Заполнить форму текущей работой