Принципы регулирования направления вектора внешнего воздействия при лезвийном разрушении материала в режиме реального времени

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

УДК 621.9

ПРИНЦИПЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ВЕКТОРА ВНЕШНЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ ЛЕЗВИЙНОМ РАЗРУШЕНИИ МАТЕРИАЛА В РЕЖИМЕ

РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Г.В. Шадский, В.С. Сальников, О.А. Ерзин

Предложенный подход к диагностике состояния упругопластического деформирования материала в зоне резании базируется на анализе спектральных составляющих. Подтверждено, что фазы состояния зоны хорошо коррелируются с колебаниями сил резания. Установлено, что наиболее информативными с точки зрения степени ее дефектности являются первая, третья и пятая гармоники. Показано, что контролируемый параметр и характеристики диагностической системы оказывают существенное влияние на адекватность воспроизведения состояния зоны резания. Предложенный подход открывает широкие перспективы для анализа условий резания, в том числе с цель его интенсификации.

Ключевые слова: упругопластическое деформирование, релаксационные процессы, силы резания, режущий клин, диагностический сигнал, спектральные составляющие, искажение сигнала.

Известная динамическая картина процесса резания, описывающая устойчивую последовательность поэтапного разрушения удаляемого с заготовки слоя металла, иллюстрирует периодическое, причем в противофазе, изменение составляющих Р2 и Ру

сил резания [1,4].

На основании приведенных выше рассуждений можно предположить, что при неизменных углах режущего клина оно может быть объяснено только изменением условий трения на его передней поверхности. Зависимости составляющих и равнодействующей сил резания от угла трения стружки по передней поверхности режущего клина, построенные по изменению составляющих Р2 и Ру сил резания:

Рг = ^ со5

соз(р + 9-у)зт 9 7 соз(р + 9-у)зт 9

приведены на рис. 1. Они подтверждают, что тангенциальная и осевая составляющие сил резания изменяются в противофазе, а равнодействующая имеет ярко выраженный минимум. Данное обстоятельство принято в качестве основополагающего принципа регулирования направления вектора внешнего воздействия: изменяя составляющие сил резания путем управления передним углом режущего клина, обеспечить минимум модуля равнодействующей силы.

Для моделирования возмущений при циклическом характере стружкообразо-вания предложено в первом приближении использовать гармонический закон изменения угла трения по передней поверхности режущего клина:

рО) = ро + Ар ),

гдеро, Ар -среднее значение и амплитуда изменения угла трения стружки по передней поверхности режущего клина соответственно.

Рис. 1. Зависимости составляющих и равнодействующей сил резания от угла трения стружки по передней поверхности режущего клина

С учетом этого возмущения, составляющие и равнодействующая сил резания изменяются во времени по периодическому закону

Рис. 2. Изменение составляющих и равнодействующей сил резания во времени

Как отмечалось выше идеальным законом управления является закон, основанный на компенсации возмущений, вызванных изменения угла трения по передней поверхности режущего клина, адекватным изменением его переднего угла.

7 = 7о - ),

где Кр - коэффициент обратной связи по углу трения.

Полученные результаты моделирования (рис.3) подтверждает высокую эффективность данного алгоритма управления. Он позволяет существенно снизить амплитуду колебаний составляющих сил резания (более, чем в 3 раза). В тоже время среднее значение равнодействующей силы остается неизменной.

Рис. 3. Изменение составляющих и равнодействующей сил резания во времени при управлении передним углом режущего клина

586

Очевидно, такой закон управления технически не реализуем, поскольку контроль угла трения по передней поверхности режущего клина в процессе стружкообра-зования не возможен. Предложено использовать первую гармонику изменения равнодействующей сил резания (рис. 4):

Я1

Ю /ю ю /ю

ЛК1 =— | Я(/) зш(ю/ )Ж; БК1 =— | Я(/)соз(ю/)Ж;

2р о 2р о

2р / Ю

2р о

Рис. 4. Изменение переменной составляющей равнодействующей сил резания

и ее первой гармоники во времени

Закон управления передним углом режущего клина в этом случае можно записать следующим образом:

7 = 7 о - ВД

где Кр - коэффициент обратной связи по равнодействующей сил резания.

Пренебрегая инерционностью элементов системы стружкообразования, произведено ее моделирование при различных значениях коэффициента обратной связи. Результаты моделирования представлены на рис.5.

а в

Рис. 5. Изменение составляющих и равнодействующей сил резания во времени: а - К=0,5; б - К=0,9

Из полученных результатов можно видеть, что управление передним углом по предложенному алгоритму обеспечивает изменение колебательности сил резания, однако, достичь целевого результата даже путем изменения коэффициента обратной связи не удается.

Для целей управления может быть использована зависимость

Я

у = р - агщ (-^ • ООБ^ - Ф + 5Ф)).

р

Р,

2

ф.

Однако для идентификации, входящего в него угла трения по передней поверхности режущего клина, необходимо использовать элементы машинного обучения, что делает их вычислительно громоздкими и требующими большого объема предварительных экспериментальных данных. Наиболее перспективным для целей оперативного управления является алгоритм, полученный на основании приведенных выше линеаризованных выражений для составляющих сил резания Р,, Ру, которые в этом случае

выступают как контролируемые параметры.

Ду

(Р,

К

К

\

Ру ) -

_ V

К

ур

К

ур

Кгу

К К

ур

К

уу

Ру*о - расчетные значения составляющих сил резания в точке линеаризации

где Р*о, Уо, Ро.

Таким образом, для управляемости процесса резания путем изменения переднего угла режущего клина необходимо проводить оперативный контроль составляющих сил резания.

Известные экспериментальные исследования [2, 3, 5, 6] показывают, что уменьшение переднего угла приводит к увеличению всех составляющих сил резания (рис. 6).

Р ЦЛ, кгс

20 10 0 -10

Рис. 6. Силовые характеристики процесса резания при точении стали 40

Поскольку влияние на них переднего угла не одинаково, то можно сделать вывод, что, изменяя передний угол, можно изменять направление равнодействующей сил. Анализ приведенных экспериментальных зависимостей показывает, что область рациональных (допустимых) значений управляющего воздействия лежит в интервале 5О> у

>-5О.

Для более глубокого понимания сущности явлений, происходящих при резании материалов, а, следовательно, для более корректного и адекватного формулирования принципов регулирования направления вектора внешнего воздействия на зону упруго-

588

пластического деформирования необходимо исследовать закономерности ее разрушения на уровне перемещения микроэлементов цепочки, образованной на линии максимальных напряжений - в мгновенной плоскости сдвига.

Работа выполнена в рамках проекта РФФИ 16-48-710339 р_а «Развитие теории высокоэффективных процессов направленного разрушения материалов, основанных на принципах пространственно-временной адаптации вектора воздействия по состоянию упругопластического деформирования зоны предразрушения» и при со финансировании Правительством Тульской области, договор ДС/76.

Список литературы

1. Бобров В.Ф. Сидельников А.И. Особенности образования суставчатой и элементной стружки при высоких скоростях // Вестник машиностроения, 1976. № 7. С.61-66.

2. Волков Д.И., Проскуряков С.Л. Разработка модели процесса резания с учетом цикличности формирования стружки. // Вестник УГАТУ. Машиностроение. Уфа: Изд-во УГАТУ, 2011. Т. 15. №3(43). С. 72-78.

3. Резников А.Н., Резников Л. А. Тепловые процессы в технологических системах. М.: Машиностроение, 1990. 288 с.

4. Шадский Г.В. Один из аспектов дискретного представления процесса струж-кообразования / Г. В. Шадский, О.А. Ерзин, С.В. Сальников, / СТИН - 2017. №8. С. 2429.

5. Шадский Г.В. Диагностика состояния зоны предразрушения в технологических системах операции / Г.В. Шадский, В.С. Сальников, О.А. Ерзин / Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2017.Вып. 9. Ч. 1. С. 261276.

6. Шадский Г.В. Возможности контроля состояния зоны упругопластического деформирования материала при направленном его разрушении / Г.В. Шадский, О.А. Ерзин, С.В. Сальников / Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2017.Вып. 12. Ч. 2. С. 3-11.

Шадский Геннадий Викторович, д-р техн. наук, профессор, chief.gennadiischadscky@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Сальников Владимир Сергеевич, д-р техн. наук, профессор, vsalni-kov.prof@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ерзин Олег Александрович, канд. техн. наук, erzin 79@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

DIAGNOSTICS OF THE CONDITION OF THE ZONE OF PREDESTRUCTION IN THE TECHNOLOGICAL SYSTEMS OF OPERATION

G.V. Shadsky, V.S. Salnikov O.A. Erzin

The offered approach to diagnostics of a condition of elasto-plastic deformation of material in a zone cutting is based on the analysis of spectral components. It is confirmed that phases of a condition of a zone are well correlated with fluctuations offorces of cutting. It is

589

established that the most informative from the point of view of degree of her deficiency are the first, third and fifth harmonicas. It is shown that controlled parameter and characteristics of diagnostic system exert significant effect on adequacy of reproduction of a condition of a zone of cutting. The offered approach offers broad prospects for the analysis of conditions of cutting, including about the purpose of his intensification.

Key words: elasto-plastic deformation, relaxation processes, cutting forces, the cutting wedge, a diagnostic signal, spectral components, distortion of a signal.

Shadsky Gennady Victorovich, doctor of technical science, professor, chief.gennadiischadsckv@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Salnikov Vladimir Sergeevich, doctor of technical science, professor, vsalni-kov.prof@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Erzin Oleg Aleksandrovich, candidate of technical science, docent, erzin 79@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.83

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ НА ДИАМЕТР ШЕВЕРА-ПРИКАТНИКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС

С КРУГОВЫМ ЗУБОМ

С. Л. Рахметов

Приводится анализ исследования влияния ряда геометрических ограничений, оказывающих непосредственное влияние на расчет основных параметров шевера-прикатника для каждого вида внеполюсного зацепления в отдельности. Выявлены и проанализированы причинно-следственные связи между геометрическими параметрами обрабатываемого колеса и инструмента, представлены рекомендации по выбору оптимальных решений при шевинговании-прикатывании среднемодульных колес с круговым зубом.

Ключевые слова: шевер-прикатник, круговые зубья, цилиндрические колеса, радиус кривизны зуба, внеполюсное зацепление.

Плеяда исследователей - ученых ТулГУ активно занималась изучением процессов формообразования венца комбинированного режуще-деформирующего инструмента с круговым зубом, при этом, основные результаты работ по данной тематике отражены в публикациях [1 - 8]. Однако вопросу определения диаметра инструмента

2гао и изучения его зависимости от диаметра обрабатываемого колеса 2га\ достаточного внимания уделено не было. Также не были изучены аспекты, связанные с формированием рассматриваемого параметра для обеспечения условия внеполюсного станочного зацепления инструмент-заготовка. Эти вопросы являются весьма актуальными, т.к. задают тем самым область конструкторско-технологических ограничений, определяющих возможность эффективного изготовления шевера-прикатника в условиях инструментального производства[9, 1о].

59о