Анализ напряженно-деформированного состояния зоны стружкообразования методом фотомеханики с применением компьютерных технологий обработки данных

УДК 620. 171.5

АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЗОНЫ СТРУЖКООБРАЗОВАНИЯ МЕТОДОМ ФОТОМЕХАНИКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОБРАБОТКИ

ДАННЫХ

Г.Г. Позняк, А.С. Кошеленко, О.А. Сова, И.И. Янчевский

Кафедра технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов Российского университет дружбы народов 117198, Москва, ул.Миклухо-Маклая, 6

Рассматривается моделирование зоны стружкообразования и ее исследование с помощью метода фотомеханики. Анализируется новый метод исследования линий скольжения и построения поля изокпин с помощью современных компьютерных технологий и использования цифрового фотоаппарата.

Экспериментальным исследованиям в зоне стружкообразования (ЗСО) при резании посвящены многочисленные работы [2,3,4 и др.]. Несмотря на то, что эти исследования имеют более чем столетнюю историю, многие важные для теории и практики вопросы продолжают оставаться недостаточно проработанными. Экспериментальные работы по преимуществу используют косвенные методы: металлографический метод, метод микроанализа деформированного состояния, метод измерения микротвердости и др. В ряде работ применялся поляризационно-оптический метод [5] с использованием прозрачных моделей, обладающий такими преимуществами, как наглядность, реализация поэтапности нагружения, удобный и точный пересчет напряжений от модели к натуре и т.д.

Однако применение этого метода сдерживается присущими ему недостатками - трудностями в реализации распределенной нагрузки, особенно распределенной тангенциальной нагрузки, а также проблемами фиксации и обработки полученных результатов: непосредственно фиксируется только картина изохром, а изоклины (линии равных углов наклона главных напряжений) приходится вычерчивать вручную для каждого из фиксированных значений плоскостей поляризации. Дальнейшая обработка также производится вручную, изостаты (траектории главных напряжений) проводятся по картине изоклин, а по полученному полю изостат строится поле линий скольжения. Такой многоступенчатый путь (изоклины -изостаты - линии скольжения), содержащий ручную обработку на каждом этапе, приводит к накоплению ошибок на каждом этапе, и полученный конечный результат иногда аргументировано критикуется, так как в некоторых областях исследуемого пространства картина линий скольжения противоречит известным теоретическим положениям (особенно на линиях границы).

Рис.1. Схема формирования поляризационно-оптической модели

Настоящее экспериментальное исследование в значительной мере снимает указанные проблемы. С целью реализации нагружения, подобного действующему на передней поверхности режущего клина, были разработаны крупномасштабная поляризационно-оптическая

модель и специальный экспериментальный стенд. Масштаб модели (10:1) был выбран максимально возможным из условия размещения ее в оптическом поле. На рис. 1 показана схема стружкообразования, форма поляризационно-оптической модели и ее нагружение; пунктиром показано наложение модели. Область 1 моделирует стружку, область 2 - обрабатываемую заготовку, а область 3 служит для закрепления модели на стенде. Нагружающий стенд представлен на схеме рис. 2. Модель 9 зажимается с помощью фиксатора 10 на пол-зушке 11, установленной в направляющих качения на плите 17. В верхней части рамы 1 расположено устройство для создания усилий, имитирующих нормальную распределенную нагрузку на поверхности контакта стружки с передней поверхностью резца. Оно состоит из плиты 2, закрепленной на раме винтами 3 через проставки 4, и пяти нагружающих винтов 5, перемещающих плунжеры 6, размещенные в сепараторе 7. Усилие на модель передается через дисковые оптические динамометры 8. Сбоку смонтировано устройство для реализации тангенциальной составляющей на передней поверхности: винт 13, упорный подшипник 14 с крышкой 15. Для передачи усилия и его фиксации используется дисковый динамометр 16, установленный в кронштейне 12.

Задача уменьшения трудоемкости и увеличения точности решалась путем применения цифровой фотокамеры и специально разработанной технологии компьютерной обработки фотограмм. Экспериментальные исследования методом фотомеханики проводились на модернизированной установке ППУ-7, оборудованной цифровой фотокамерой рУ-4000 (разрешающая способность до 2560x1920 пикселей) с возможностью изменения масштаба изображения.

Рис.2. Стенд для исследования модели при двухкомионентной распределенной нагрузке.

Результаты экспериментов представлялись в виде серии цифровых фотографий, подвергавшихся дальнейшей компьютерной обработке по оригинальной методике.

Первый снимок каждой серии представлял собой модель, снятую в белом свете при круговой поляризации. Эта фотография необходима для выявления нулей. Остальные снимки серии также сняты в белом свете, но уже при плоской поляризации. Компьютерная обработка результатов состояла из нескольких этапов, цель которых - получение сетки изоклин в формате, доступном для дальнейшей обработки и построения поля изостат, а затем и поля линий скольжения: форматирование, предварительная подготовка изображения, изменение разрешения, четкости и других параметров фотографии.

! О 10

1 (У "20 О 60 80 70

\ ((

\ч - <5 о 50 О 40

\ \

\ \ \ \

\ \ \ <7 \ и) ! О ! О

Рис.З. Поле изоклин, полученное с помощью компьютерной обработки фотограмм

Первый этап обработки результатов - предварительная обработка и подготовка фотографий.

После импортирования снимков в программу АЩоСАБ производилась настройка панелей инструментов для создание новых слоев.. Чтобы фотографии не перемешивались и не перекрывали друг друга, для каждой из них должен быть создан отдельный слой. Кроме того, общий элемент построения - масштабная сетка - также требует отдельного слоя для того, чтобы она не перекрывалась фотографиями. Также в отдельном слое чертятся изоклины каждой фотографии. Это делается для удобства просмотра, изучения и возможной коррекции изоклин. Таким образом, в итоге необходимо создать двадцать один слой.

Рис.4. Поле изостат

Проделав эти операции Spline и Draw десять раз с разными фотографиями, получают поле изоклин для данного напряженного состояния модели. После этого, «заморозив» слои с фотографиями, оставляют лишь поле изоклин, на основе которых будет строиться поле изостат.

На рис.З показано поле изоклин, построенное описанным способом при нагружении модели, имитирующем одновременное действие нормальной и тангенциальной нагрузки на передней поверхности. Распределенная нагрузка имитировалась пятью сосредоточенными силами, рассчитанными по данным работы [6]. На основе этого поля было построено поле изостат (рис.4), а затем по полю изостат - поле линий скольжения (рис.5).

Анализируя опыт применения разработанной методики цифровой регистрации и компьютерной обработки фотограмм в поляризационно-оптическом эксперименте, можно заключить, что значительно уменьшается время выполнения собственно экспериментальной части за счет отказа от традиционной методики рисования изоклин на кальке, наложенной на матовом стекле фотокамеры. Кроме этого, повышается точность полей изостат и линий скольжения благодаря тому, что в исходном для их построения поле изоклин исключаются ошибки, неизбежные при ручной фиксации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бабенков И. С., Романова В. А. Поляризационно-оптический метод исследования напряжений. - М.: УДН, 1981, 51с.

2. Брике А.А. Резание металлов (строганием). - С.Петербург: 1896,163 с.

3. Дель Г Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости. - М.: Машиностроение, 1981, - 199 с.

4. Зворыкин К.А. Работа и усилие, необходимые для отделения металлической стружки // Технический сборник и вестник промышленности. - М.: 1893, - 76 с.

THE ANALYSIS TENSELY-DEFORMED CONDITIONS OF A ZONE OF CUTTING BY A METHOD OF PHOTOMECHANICS WITH APPLICATION OF COMPUTER TECHNOLOGIES OF DATA PROCESSING.

G.G. Pozniak, A.S. Koshelenko, O.A. Sova, I.I. Yanchevsky

Departament of Mechanical Engeneering, Machine Tools and Tooling Russian Peoples’ Friendship University

Miklukho-Maklaya St., 6, 117198 Moscow, Russia

Modeling a zone of cutting is considered and its research with the help of a method photomechanics. Is analyzed the new method of research of lines of sliding and construc tion of a field isoclines with the help modem computer technologies and use of the digital camera.