Автоколебания при резании

При автоколебаниях потери механической энергии вследствие ее рассеивания (демпфирования) периодически пополняются притоком энергии от источника, не обладающего колебательными свойствами. Например, в механических часах таким источником энергии является взведенная пружина или поднятая гиря, в электронных часах - батарейка. Одной из задач исследования автоколебаний при резании являлось выяснение природы источника энергии, поддерживающей автоколебания. Возникновение источника энергии, поддерживающей автоколебания при трении или при резании, является следствием неоднозначности зависимости силы от пути за период колебания. Это может привести к тому, что работы сил за каждую половину периода колебания будут разными, причем разность этих работ в зависимости от ее знака будет способствовать либо раскачиванию (Е > 0), либо демпфированию (Е < 0) колебаний (рис. 2).

Рис. 2. Схема возникновения энергии раскачивания колебательной системы при нелинейных зависимостях силы от перемещения

Одним из условий, необходимых и достаточных для того, чтобы энергия за период колебания была положительной, является падающая характеристика силы от скорости колебаний. К другим возможным причинам относят запаздывание силы по отношению к перемещению, а также «координатные связи» между колебаниями.

Существующие расчетные модели автоколебаний при резании строились на одной из упомянутых трех гипотез об источнике возбуждения автоколебаний при резании: падающей характеристике зависимости «сила - скорость резания» (А.И. Каширин, Р. Арнольд, Л.С. и С.Л. Мурашкины, В.В. Заре); запаздывании изменения силы от изменения перемещения (Н.И. Ташлицкий, В. А. Кудинов, М.Е. Эльясберг); возбуждении автоколебаний за счет координатной связи вертикальных и горизонтальных перемещений вершины резца относительно обрабатываемой детали (В.А. Кудинов, И. Тлусты).

Для поддержания постоянной амплитуды колебаний необходим некоторый дополнительный механизм - «клапан», регулирующий поступление энергии в колебательную систему. Роль такого клапана играет нелинейность зависимостей энергий демпфирования (E) и раскачивания (Е⁺) (см. рис.2).

При уменьшении амплитуды колебаний энергия, раскачивающая систему, становится больше энергии демпфирования. При этом амплитуда колебаний вновь возрастает. При увеличении амплитуды в сравнении с a_о энергия демпфирования превосходит энергию раскачивания и амплитуда вновь уменьшается (рис. 3).

Рис. 3. Схема регулирования амплитуды автоколебаний при нелинейных энергиях демпфирования и раскачивания системы

Представляет значительный интерес изучение раздельного влияния процессов трения на задней и передней поверхностях инструмента.

Для объяснения механизма возникновения колебаний в результате трения задней поверхности инструмента и детали может быть использована модель Ван дер Поля. Согласно этой модели сила трения F между подпружиненным с двух сторон грузом G и движущейся со скоростью v лентой уменьшается с увеличением скорости (рис. 4).

Рис. 4. Схема возбуждения колебаний силами трения в модели Ван дер Поля

Процессы на задней поверхности играют важную роль в возникновении автоколебаний при резании. Об этом свидетельствует, например, тот факт, что при тонких срезах вибрации возникают чаще, чем при толстых (рис. 5).

Рис.5. Влияние толщины срезаемого слоя на амплитуду (светлые точки) и частоту (темные точки) колебаний при точении

Вследствие падающей зависимости силы F от суммарной скорости движения ленты и колебаний груза ( v+ x_t ’) возникает энергия, необходимая для поддержания автоколебаний. Можно предположить, что сила трения на задней поверхности будет уменьшаться с ростом скорости колебательного движения по аналогии с моделью.

В тех случаях, когда вибрации определяются процессами на задней поверхности, виброустойчивость процесса резания может быть существенно повышена, если резец расположить передней поверхностью вниз и подавать под заднюю поверхность смазочно-охлаждающую жидкость (рис. 6). Это связано, по-видимому, с более эффективной схемой смазки и уменьшением силы трения. Другой причиной может быть более благоприятная схема сил (включая и вес верхних салазок суппорта), что способствует лучшему демпфированию.

Рис. 6. Схема точения с передней поверхностью, обращенной вниз, и с поливом СОЖ на задние поверхности инструмента

С увеличением ширины срезаемого слоя амплитуда автоколебаний возрастает прямо пропорционально ширине среза b (рис. 7). Это легко объясняется увеличением сил с ростом ширины срезаемого слоя.

Рис. 7. Влияние ширины срезаемого слоя на амплитуду и частоту колебаний при точении

Признаком колебаний, вызванных процессами в зоне стружкообразования и на передней поверхности инструмента, является волнистая (или зубчатая) свободная поверхность стружки. Эти колебания проявляются в повороте зоны стружкообразования и соответствующих изменениях усадки стружки и длины контакта стружки с инструментом.

Физической причиной таких колебаний, по-видимому, является «падающая характеристика» - убывающая зависимость предела текучести от температуры. При этом частота колебаний не зависит от параметров сечения срезаемого слоя, поскольку она определяется только массой и жесткостью колеблющейся системы.

Передний угол и скорость резания оказывают влияние на амплитуду колебаний в той мере, в какой они влияют на силы (рис.8).

Рис.8. Влияние скорости резания и переднего угла инструмента на амплитуду колебаний при точении стали

Способы ослабления или полного гашения автоколебаний при резании направлены на уменьшение работы сил, поддерживающих колебания и на увеличение работы сил сопротивления (демпфирования). Уменьшение энергии, поддерживающей колебания, достигается рациональным выбором режимов резания и геометрических параметров инструмента, применением смазки, использованием свойств нароста и застойной зоны. Одним их эффективных способов увеличения сил сопротивления является повышение жесткости технологической системы «станок-приспособление- инструмент-деталь». Другой способ состоит в применении виброгасителей, способных поглощать энергию и за счет этого увеличивать демпфирование.

Так, гидравлические виброгасители основаны на рассеивании энергии при протекании вязкой жидкости через дроссельное отверстие. Действие фрикционных виброгасителей основано на рассеивании энергии в пакетах тарельчатых пружин при трении их по сопрягаемым поверхностям. Виброгасящим эффектом обладает, например, простая свинцовая прокладка под резцом. В этом случае энергия расходуется на пластические деформации свинцовой прокладки. Аналогичный принцип используется в виброгасителях ударного типа: в полость виброгасителя помещают свинцовый цилиндр несколько меньшего диаметра и длины, чем размеры полости.

При возникновении вибраций свинцовый цилиндр ударяется о стенки полости. При ударах затрачивается энергия на деформацию цилиндра. Потери энергии демпфируют колебания.

Увеличение переднего угла и укорочение и стабилизация длины контакта стружки с инструментом снижают (или полностью устраняют) вибрации. Особенно эффективны эти меры при работе с толстыми срезами.

Физический смысл влияния переднего угла на автоколебания состоит в том, что при увеличении переднего угла уменьшается удельная работа деформации и, следовательно, уменьшается энергия, раскачивающая колебательную систему. В связи с этим устойчивые колебания наблюдаются при меньшей амплитуде колебаний. Аналогичное влияние оказывает и искусственное укорочение передней поверхности инструмента. В последнем случае эффект демпфирования усиливается также за счет того, что при возникновении колебаний зоны стружкообразования длина контакта стружки с инструментом остается неизменной, что приводит к уменьшению энергии, раскачивающей колебательную систему.

 

ОСОБЕННОСТИ ШЛИФОВАНИЯ

Шлифование - это процесс резания металлов, осуществляемый зернами абразивных или сверхтвердых материалов. Шлифованием можно практически обрабатывать любые материалы, так как твердость зерен абразива 22000...31000 HV, а алмаза 90000 HV. Для сравнения: твердость твердого сплава 13000 HV, цементита 20000 HV, закаленной стали 6000...7000 HV. Зерна абразива скрепляются специальной связкой в инструменты различной формы или наносятся на ткань (абразивные шкурки). В основном шлифование применяется как отделочная операция; она позволяет получать детали 7...9-го и даже 6-го квалитетов точности с шероховатостью до Ra = 0,63...0,16 мкм и меньше. В некоторых случаях шлифование применяется при обдирке отливок и поковок, при зачистке сварных швов, т. е. как подготовительная или черновая операция. В настоящее время применяют силовое шлифование для съема больших припусков.

Характерными особенностями процесса шлифования являются:

1) многопроходность, способствующая эффективному исправлению погрешности формы и размеров деталей, полученных после предшествующей обработки;

2) резание осуществляется большим количеством беспорядочно расположенных абразивных зерен, обладающих высокой микротвердостью; зерна, образующие прерывистый режущий контур, прорезают мельчайшие углубления, а объем металла, срезаемый в единицу времени, значительно меньше, чем при резании лезвийными РИ (одним абразивным зерном в единицу времени срезается объем, примерно в 400000 раз меньший, чем одним зубом фрезы);

3) процесс срезания стружки отдельным абразивным зерном осуществляется на высоких скоростях резания (30...70 м/с) и за очень короткий промежуток времени (в течение тысячных и стотысячных долей секунды);

4) абразивные зерна расположены в теле круга хаотически, в связи с чем чаще всего имеют отрицательные передние углы и углы резания, большие 90°;

5) большие скорости резания и неблагоприятная геометрия режущих зерен способствуют развитию в зоне резания высоких температур (1000... 1500 °С);

6) управлять процессом шлифования можно только изменением режимов резания, так как изменение геометрии абразивного зерна, выполняющего роль резца или зуба фрезы, практически трудноосуществимо;

7) абразивный инструмент может в процессе работы самозатачиваться, что происходит, когда режущие грани зерен затупляются, что вызывает увеличение сил резания, а следовательно, и сил, действующих на зерно; в результате затупленные зерна выпадают, или вырываются, из связки, раскалываются, и в работу вступают новые острые зерна;

8) шлифованная поверхность образуется в результате одновременного действия как геометрических факторов, характерных для процесса резания лезвийными РИ, так и пластических деформаций, сопровождающих этот процесс.

При изучении механизма образования шлифованной поверхности основное внимание уделяют вопросу образования шероховатости и волнистости. С геометрической точки зрения шероховатость образуется в результате копирования на обрабатываемой поверхности траектории движения режущих абразивных зерен. Пластические деформации, происходящие в процессе резания, сильно искажают микрорельеф, получающийся в результате действия геометрических факторов. При этом надо иметь в виду следующее:

1) для большего приближения к действительному процессу стружкообразования следует рассматривать врезание зерен в шероховатую поверхность, а сами зерна считать хаотично расположенными во всем объеме круга (рис. 1); шлифование должно рассматриваться как явление пространственное, а не плоскостное; в зоне резания обрабатываемая элементарная поверхность (например, на участке 1) за время ее контакта с шлифовальным кругом соприкасается не с одним рядом зерен, а с несколькими;

2) чем меньше неровности абразивного режущего контура, тем ближе он подходит к сплошному режущему лезвию и тем менее шероховатой получается обработанная поверхность; одинаковый режущий контур можно создать уменьшением номера зернистости или увеличением времени абразивного воздействия, например путем понижения скорости вращения детали или уменьшения продольной подачи за один оборот изделия;

Рис. 1. Схема образования шлифованной поверхности:

1 - исходная шероховатая поверхность до шлифования; 2 - шлифовальный круг; 3, 4, 5, 7 - первый ряд абразивных зерен (сплошные линии), находящихся на одной образующей; 6 - второй (соседний) ряд зерен (штриховые линии); 8 - профиль шлифованной поверхности после выхода ее из зоны контакта с кругом

3) упорядоченный режущий рельеф достигается алмазной правкой; в процессе шлифования по мере разрушения и выпадения отдельных зерен упорядоченный режущий рельеф нарушается; режущие кромки располагаются хаотически, и процесс стружкообразования протекает по схеме, показанной на рис.1; при шлифовании в режиме самозатачивания круга процесс стружкообразования идет в основном по той же схеме;

4) абразивные зерна в процессе врезания можно разделить на режущие (например, зерна 3, 7); скоблящие, если они врезаются на столь малую глубину, что происходит лишь пластическое выдавливание металла без снятия стружки (на схеме они не указаны); давящие (зерно 5) и нережущие (зерно 4); в реальном процессе шлифования примерно 85...90 % всех зерен не режет, а так или иначе пластически деформирует тончайший поверхностный слой, т. е. наклепывает его, из-за чего микротвердость могла бы значительно возрасти, но этому противодействует явление возврата (отдыха), происходящего из-за высокой температуры резания; тем не менее при тонких процессах шлифования и особенно при выхаживании эффект наклепа резко возрастает, а шероховатость уменьшается; скоблящих и давящих зерен становится больше, и они упрочняют поверхностный слой;

5) на величину шероховатости влияет не только зернистость, но и связка абразивного инструмента, оказывающая полирующий эффект, который больше проявляется при меньших скоростях вращения круга (о характеристиках абразивных инструментов сказано в разделе «Инструментальные материалы»).

Доказано, что по убывающей степени влияния на уменьшение шероховатости шлифованной поверхности основные технологические факторы можно распределить в таком порядке: выхаживание - алмазная правка круга - скоростное шлифование - уменьшение величины зерен круга - варьирование режимными факторами - влияние материала связки - влияние химического состава и качества СОЖ. Установлено, что шлифованная поверхность не может представлять собой массу параллельных рисок как точное вос­произведение или след движения абразивных зерен. В результате больших удельных давлений при резании и возникающих при этом пластических деформаций поверхностные слои металла вытягиваются и образуют надрывы с поперечными скоплениями металла. В результате значительного разогрева тончайшего слоя имеет место «размазывание» размягченного металла по обработанной поверхности. Эти явления сильно изменяют рельеф поверхности по сравнению с рельефом, образованным чисто геометрическими факторами.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: