Повышение эффективности процесса тонкой лезвийной обработки при точении за счет анизотропных свойств режущего инструмента

обработка материалов резанием

УДК 621.9.014.8

Повышение эффективности процесса тонкой лезвийной обработки при точении за счет анизотропных свойств режущего инструмента

П. В. Леонидов, В. В. Максаров, Ю. Ольт, А. Н. Шарашов

Ключевые слова: анизотропия, демпфирующий инструмент, динамическая стабильность, многослойная демпфирующая державка, размерный износ, режимы резания, технологическая система, тонкое точение.

Сегодня в машиностроении существует большой класс изделий, автоматизация и управление механической обработкой которых требует особого подхода при решении задач по повышению эффективности процесса резания. Увеличение производительности токарной обработки, скоростей главного движения и подач, выполнение высоких требований по точности и качеству обрабатываемых поверхностей обуславливают необходимость проведения новых систематических исследований поведения технологической системы при тонком точении. Динамическая устойчивость технологической системы и снижение уровня вибраций, возникающих в процессе резания, являются залогом стабильности стружкообразования, благодаря которому обеспечивается выполнение этих требований, оцениваемых как особенно важные при автоматизации технологического процесса. Следует также отметить, что вибрации, возникающие в процессе механической обработки, существенно затрудняют эксплуатацию технологического оборудования, работающего в автоматизированном цикле, являются причиной преждевременного износа инструмента, аварий станков и приспособлений. Таким образом, задача обеспечения устойчивости технологической системы за счет снижения уровня автоколебаний оказывается одной из важнейших в области лезвийной обработки, она приобретает особую актуальность при чистовой обработке изделий на автоматических станках и станках с ЧПУ. Автоколебания при резании металлов, природа процессов стружкообразования при точении, важность обеспечения устойчивости технологической системы при механической обработке стали предметом изучения для ряда фундаментальных исследований, выполненных отечественными учеными: Л. С. Мураш-киным, С. Л. Мурашкиным, И. И. Ильницким, И. С. Амосовым, В. Л. Вейцем, Н. А. Дроздовым,

И. Г. Жарковым, В. А. Кудиновым, В. В. Мак-саровым, А. П. Соколовским, М. Е. Эльясбер-гом, И. Тлустым.

Проведя анализ классификации методов и способов обеспечения динамической стабильности технологической системы, можно утверждать, что все эти методы позволяют в той или иной степени повысить устойчивость технологической системы и разработанные на их основе способы находят успешное практическое применение в механической обработке. Однако в настоящее время не существует универсального метода, дающего возможность эффективно бороться с вибрациями, возникающими при точении [1].

С точки зрения динамической стабильности подсистема «инструмент» является наиболее уязвимой при чистовой токарной обработке. Вследствие воздействия на технологическую систему внешней периодической силы, которая вызывает колебательный процесс с частотой, равной частоте возмущающей силы, или сложные периодические процессы, обусловленные нелинейными свойствами системы, возникают собственные затухающие и вынужденные колебания, параметрически возбуждаемые колебания и автоколебания системы. Интенсивность вынужденных колебаний особенно велика в условиях резонансных режимов, которые не допустимы в качестве рабочих режимов при чистовой обработке на металлорежущих станках [2]. Одним из направлений повышения динамической устойчивости подсистемы «инструмент» является создание демпфированных инструментов с повышенной стойкостью, которые имеют упругие и демпфирующие элементы, причем последние не изменяют внешний вид самих инструментов. Для демпфированных инструментов характерны адаптация к переменному припуску, выравнивание нагрузок между режущими кромками, а также возможность предотвращения поломок.

№ 1 (55)/2010

К числу наиболее эффективных способов, позволяющих обеспечивать устойчивость парциальной технологической подсистемы «инструмент» при чистовой обработке тел вращения, относится создание демпфированного инструмента, который оснащен многослойной державкой, обладающей анизотропными свойствами. Особенность процесса точения таким инструментом заключается в снижении уровня автоколебаний, возникающих в процессе резания за счет упорядоченной разориентации текстуры анизотропных пластин сборной многослойной державки. Разориентация текстуры слоев позволяет эффективно рассеивать энергию колебательной волны на границе перехода между пластинами державки. Представленный метод дает возможность существенно повысить стойкость режущей кромки инструмента и расширить технологические возможности по выбору эффективных режимов резания, обеспечивающих выполнение требований по размерной и геометрической точности, качеству обрабатываемой поверхности.

Для достижения этой цели требуется решить следующие задачи:

• разработать способ и инструмент, оснащенный многослойной анизотропной державкой;

• исследовать анизотропные свойства материала пластин державки;

• разработать динамическую модель технологической системы с учетом реологических особенностей стружкообразования для оценки устойчивости процесса резания с использованием демпфирующего инструмента;

• создать алгоритмы выбора режимов резания с применением разработанного инструмента для автоматизации их выбора в зависимости от требований к обрабатываемой поверхности при чистовом точении.

Рассмотрим сущность метода создания демпфирующего инструмента с многослойной державкой, обладающей анизотропными свойствами. Материал державки пластин, изготовленных из стали 45 (ГОСТ 1080-88), состоит из множества кристаллических зерен, ориентированных произвольно. В целом он изотропен или почти изотропен, его анизотропия проявляется в результате обработки давлением. Пластическая деформация прокаткой, не создающая полосчатости (неравномерности) микроструктуры, приводит к изменению направления волокон макроструктуры и образованию текстуры (рис. 1). Предлагаемую державку режущего инструмента (рис. 2) изготавливают из пакета пластин, собранных между собой по плоскостям (рис. 3), параллельным опорной поверхности державки. Они вырезаны из листового проката с продоль-

Рис. 1. Фрагменты включений, образующие ориентированную в направлении проката текстуру образца заготовки при увеличении в 200 (а) и 1000 (б) раз

Рис. 2. Экспериментальный резец с многослойной державкой

Рис. 3. Многослойная державка

ной 1, поперечной 3 и вертикальной 2 ориентацией по плоскости относительно направления их прокатки. Пластины собраны в пакет

1

2

с учетом угла разориентации текстуры [3]. При колебаниях, возникающих в процессе механической обработки, характеристика поведения стержня державки при малых деформациях описывается с помощью закона Гука, с учетом сопротивлений трения в неподвижных соединениях между пластинами и внутреннего трения в материале державки.

Неупругие эффекты, обусловленные наличием текстуры материала внутреннего трения и связанные с перемещениями дислокаций, вызывают необратимые гистерезисные потери энергии внутри металла державки при механических колебаниях. Из-за неполной упругости металлов линии диаграммы «напряжение — деформация» при нагрузке и разгрузке не совпадают, а образуют петлю гистерезиса (рис. 4). Ее площадь характеризует энергию, рассеянную за один цикл нагружения. Внутреннее трение связано со статическим гистерезисом, когда форма и площадь его петли не обусловлены временными релаксационными процессами и поэтому не зависят от частоты колебания, его амплитуды и материала державки [4]. Для достижения наибольшего демпфирующего эффекта разориентация текстуры деформации в двух соседних пластинах должна быть максимальна. Тогда колебательная волна при переходе границы раздела меняет свое направление, в результате чего происходит рассеяние энергии колебаний. При малой величине разориентации текстуры деформации диссипация энергии незначительна.

н/м

Поэтому в предлагаемом техническом решении пластины державки ориентируют таким образом, чтобы при переходе от одной пластины к другой текстура деформации изменялась на 90° ± 10° относительно действия на державку основной, тангенциальной, составляющей силы резания. Под действием силы резания в верхних слоях державки возникают преимущественно максимальные растягивающие напряжения Ср, а в нижних, опорных — сжимающие напряжения Ссж. Поэтому для стабилизации прочности различных зон и увеличения прочности и надежности всей державки необходимы дополнительные условия ориентации текстуры деформации в пластинах сборной державки относительно сил резания.

Известно, что прокатанный металл оказывает максимальное сопротивление растягивающим напряжениям в продольном направлении, а минимальное — в вертикальном относительно направления прокатки. И наоборот, прокатанный металл обладает максимальным сопротивлением сжимающим напряжениям в вертикальном направлении, а минимальным — в продольном. Сопротивление металла в поперечном направлении и растягивающим, и сжимающим напряжениям имеет промежуточные значения [5]. В связи с этим направление прокатки в опорной пластине ориентировано параллельно тангенциальной составляющей силы резания (рис. 5). В верхней пластине направление прокатки ориентировано параллельно радиальной составляющей силы резания, а плоскость прокатки располагается перпендикулярно тангенциальной составляющей силы резания. Направление прокатки в средней пластине параллельно действию осевой составляющей силы резания.

Ь, м

Рис. 4. Петля гистерезиса диаграммы «напряжение 8 — деформация Ь»:

Рис. 5. Разориентация направления текстуры Ьу, Ьн — упругая и неупругая деформации соответ- пластин державки в зависимости от составляющих сил резания Рх, Ру, Рг

-у н ственно

Разработана математическая модель технологической системы при чистовом точении резцом с многослойной державкой. Обеспечение устойчивости технологической системы при тонком точении является главным динамическим критерием ее качества, который позволяет обеспечить жесткие требования по шероховатости поверхности, геометрической и размерной точности обрабатываемой детали. Выбор схемы технологической системы связан, прежде всего, с выделением подсистем и выявлением структуры связей между ними, определением числа степеней свободы и вида обобщенных координат, необходимых для полного описания процессов, происходящих в рассматриваемой системе [6]. Математическая модель ее динамических свойств позволяет провести качественный анализ динамических процессов технологической системы в целом. Для выявления возможности управления процессом резания и анализа динамических свойств технологической системы необходимо осуществить переход от сложной многомерной модели к упрощенной динамической модели, которая эквивалентна исходной по своим спектральным характеристикам и предполагает использование обоснованного критерия близости в заданном частотном диапазоне. Этот переход был осуществлен с учетом слабой диссипативно-сти технологической системы и ограниченности частотного диапазона возмущений по методике профессора В. Л. Вейца.

Многомерная и упрощенная системы считаются эквивалентными, причем упрощенная модель является оптимальной, если выполняются два условия:

p

p

где W, — матрицы частотных характеристик исходной и упрощенной моделей соответственно; p(w, — метрика, задающая расстояние между W и в — малая, предварительно заданная величина допустимой ошибки.

Выполнение условий (1) и (2) обеспечивает близость амплитудно-частотных и фазовых характеристик обобщенной и упрощенной моделей. На рис. 6 представлена четырехконтурная динамическая модель технологической системы механической обработки, данная модель обладает малой размерностью, диссипативны-ми характеристиками, учитывающими конструктивное демпфирование и реологические процессы рассматриваемой глобальной модели. Последней соответствуют две подсистемы с четырьмя обобщенными координатами:

3

Рис. 6. Динамическая модель четырехконтур-ной технологической системы:

1 — оператор стружкообразования; 2 — подсистема «заготовка»; 3 — подсистема «инструмент»; х, у — оси инструмента; и, ш — оси заготовки; тх, ту, ти, тш — приведенные инерционные параметры; рх, Ру, ви, вш — коэффициенты рассеивания энергии; сх, Су,

— коэффициенты жесткости

• подсистема «заготовка» с координатами и, ш;

• подсистема «инструмент» с координатами х, у.

Реологическая модель технологической системы механической обработки (рис. 7) учитывает процесс первичной пластической деформации в зоне срезаемого слоя и процессы вторичной деформации и трения при движении стружки по передней поверхности режущего инструмента. Моделирование на основе кусочно-линейной аппроксимации процесса струж-кообразования позволило сформировать основы для построения дифференциальных уравнений, описывающих динамические свойства технологической системы механической обработки. Исходя из этого, поведение выбранной динамической четырехконтурной модели в соответствии с принятой реологической моделью стружкообразования удобно представлять в векторно-матричной форме

Tq + N(q)q = 0,

где q — матрица (п х 1), вектор-функция обобщенных координат системы; Т — диагональная матрица размера п х п; N(q) — матрица размера п х п. В рассматриваемой модели п = 10, при этом число контуров п соответствует размерности модели [7].

Система дифференциальных уравнений (3) описывает динамические процессы в технологической системе механической обработки

120 110 100

й 90

а

80-^ 70S 60

й50 I40

а

О 30 20 10

Неустойчиво

Рис. 7. Реологическая модель стружкообразо-вания в процессе резания:

1 — подсистема «заготовка»; 2 — подсистема «инструмент»; х, y — оси инструмента; u, w — оси заготовки; c, G, Р — квазиупругие и диссипативные коэффициенты

с учетом выраженности упругопластических свойств в динамике контактного взаимодействия инструмента с заготовкой и реологических особенностей процесса стружкообразо-вания в зоне активного пластического деформирования [8]. На основе системы уравнений, полученной по методике М. Е. Эльясберга, разработана программа многовариантных расчетов максимально допустимых значений ширины срезаемого слоя в зависимости от скорости резания. Исходные данные для проведения многовариантных расчетов определены с привлечением источников, к которым относятся:

• результаты моделирования упругих деформаций державки с использованием программного обеспечения Cosmos Work (рис. 8);

• табличные данные, представленные в руководящих материалах Опытного конструкторского бюро станков завода им. Свердлова (РМ 32 (1971); РМ 32-2 (1973); РМ 32-4 (1979); РМ 32-5 (1981));

• результаты экспериментальных исследований по определению значения приведенных к инструменту коэффициентов демпфирования dx и dy.

Определены границы области устойчивости технологической системы при точении резцом, оснащенным демпфирующей многослойной державкой (ДМД), и резцом с цельной державкой того же сечения (резец-аналог) (рис. 8) [9]. Расчетные виброперемещения

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 Ширина срезаемого слоя, мм

Рис. 8. Граница области динамической стабильности технологической системы при обработке резцом-аналогом 1 и резцом, оснащенным многослойной державкой 2

для подсистемы «инструмент» при обработке инструментом, оснащенным ДМД, показали снижение уровня автоколебаний в процессе резания. Проведенные экспериментальные исследования виброперемещений при обработке заготовки из стали 45 подтвердили правильность теоретической модели и доказали эффективность применения резцов с анизотропной демпфирующей державкой при чистовом точении. На рис. 9 показано изменение во времени т силы резания F при резании резцом-аналогом (кривая 1) и резцом, оснащенным ДМД (кривая 2). При резании демпфированным резцом за время Тдмд сила при врезании почти равна установившейся статической силе

F, Н

Рис. 9. Изменение во времени т силы резания F при резании резцом-аналогом (1) и резцом, оснащенным ДМД (2):

— статическая сила резания; ^ — динамическая сила резания; Тдмд — время врезания при обработке резцом, оснащенным ДМД; Т1 — время врезания при обработке резцом-аналогом

X, c

резания Fст, а при работе инструментом с цельной державкой импульс динамической силы резания Fд превышает статическую силу на 60-80 % за время входа х^ в зависимости от скорости резания. При установке преобразователя по оси х на многослойной анизотропной державке в процессе обработки получена амплитуда колебаний в 1,4-1,7 раза ниже, чем аналогичный параметр у цельной державки резца-аналога.

Проведены экспериментальные исследования с целью определить влияние снижения уровня автоколебаний на размерный износ режущей пластины инструмента и качество обрабатываемой поверхности при использовании резца, оснащенного ДМД [9]. Результаты расчетов относительного размерного износа 1о показали, что износ вершины режущей части пластины за один километр пути резания с применением резца, оснащенного ДМД, на 0,56 мкм (на 8,64 %) меньше, чем у резца-аналога. По результатам испытания (рис. 10, а—в) установлено, что по сравнению с резцом-аналогом резец, оснащенный ДМД, улучшает качество обработки в 1,7— 1,9 раза. Данный эффект наиболее заметен при изменении скорости резания.

Рассмотрены практические вопросы, связанные с контролем выбора режимов резания в зависимости от требований размерной и геометрической точности обрабатываемой поверхности при использовании инструмента, оснащенного ДМД. По результатам экспериментальных исследований (рис. 11) методом дробного факторного эксперимента получены функциональные зависимости фактического запаса точности обрабатываемой поверхности от параметров режимов резания. Функциональные зависимости фактического запаса точности по овальности фов (4), некруглости % (5) и конусности фк (6) получены как отношение допуска на обработку детали к полю рассеивания геометрических отклонений формы в зависимости от скорости резания V, глубины резания t и подачи й при использовании инструмента, оснащенного ДМД:

фов = 6,2 • 10'

фн = 83,09 • 106

,0,29 о0,22 6t й

V

2,14

0,0541

^0,041^2,14 ' 1

фк 61,31 t0,088s0,258v0,74.

а) Яа, мкм

1,5 -

1,3 -1,1 -0,9 -0,7 -0,5 -

б) Ва, мкм

3,0

2,5 2,0 1,5

1,0

0,5

в) Яа, мкм 1,8 -,

1,7 -1,6 -1,5 -1,4 -1,3 -1,2 -1,1 -1,0

0

0,5

— 70

100

130

160

190

V, м/мин

0,05

0,10

0,15

0,20 0,25

Я, мм/об

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30 Ь, мм

Расчетные значения функций ф = (V, 8, Ь) позволяют прогнозировать величину факти-

Рис. 10. Зависимость шероховатости поверхности от скорости резания V (а), подачи Я (б) и глубины резания Ь (в):

1 — резец-аналог; 2 — резец, оснащенный ДМД

ческого запаса точности при отклонениях геометрической формы обрабатываемой поверхности в зависимости от заданных режимов резания при использовании резца, оснащенного ДМД, а также дают возможность произвести сравнительный анализ зависимости фактического запаса точности от режимов резания при чистовой токарной обработке резцом, имеющим ДМД, и резцом-аналогом. Увеличение режимов резания приводит к изменениям фактического запаса точности

1

2

I I б) + 11 + 5

2

3

+ 4 + 4.

I I

4

+3 II II

0

— 1 +2

2

III III + 1

-5

+2

III III

0

4

Рис. 11. Профилограммы зафиксированных отклонений поперечных сечений экспериментальной заготовки при обработке резцом, оснащенным ДМД (а), и резцом аналогом (б) (масштаб 1000:1). Параметры обработки: скорости резания V = = 133,14 м/мин, частота вращения шпинделя n = = 800 об/мин; подача S = 0,1 мм/об; глубина резания t = 0,2 мм; 1 — масштабная сетка полярной системы координат для построения циклограммы;

2 — окружность, описывающая профилограмму;

3 — профилограммы отклонений в поперечных сечениях обрабатываемой заготовки. Римскими цифрами обозначены сечения: I—I — у шпинделя; II—II — по центру заготовки; III—III — у задней бабки

при обработке резцом c ДМД и резцом-аналогом. Фактический запас точности при обработке резцом новой конструкции выше, чем при работе резцом-аналогом при тех же режимах резания.

Выводы

1. Решение вопроса обеспечения динамической стабильности технологической системы путем снижения уровня автоколебаний парциальной системы «инструмент» при токарной обработке имеет большое значение, поскольку оно позволяет увеличить период стойкости режущей кромки резца и производить точение на повышенных режимах резания при безусловном выполнении высоких требований к качеству обрабатываемой поверхности, размерной и геометрической точности при чистовом точении.

2. Анализ технико-экономических показателей существующих методов и способов обеспечения динамической стабильности парциальной подсистемы «инструмент» при тонком точении показал, что наиболее эффективным является метод использования токарных резцов, оснащенных анизотропными, многослойными, демпфирующими державками.

3. Разработан метод повышения устойчивости процесса резания при чистовом точении, основанный на использовании анизотропных свойств пластически деформированной конструкционной стали и явления диссипации колебательной волны при переходе раздела между разорентированными по текстуре пластинами державки инструмента. На основании изученных физических анизотропных свойств стального проката создан инструмент, оснащенный многослойной демпфирующей державкой.

4. Предложена обобщенная математическая модель процесса стружкообразования, позволяющая описать процесс с учетом упруго-пластических свойств в динамике контактного взаимодействия инструмента с заготовкой и реологических особенностей парциальной системы «инструмент».

5. Предложена упрощенная, эквивалентная исходной по спектральным характеристикам математическая модель технологической системы механической обработки, позволяющая описывать динамические процессы с учетом упругопластических свойств и реологических особенностей процесса стружкообразования. Она необходима для анализа поведения технологической системы механической обработки при точении демпфирующим инструментом.

6. Имитационное моделирование динамических процессов технологической системы при механической обработке инструментом, оснащенным ДМД, позволило оценить влияние диссипации анизотропных свойств пластин державки на устойчивость процесса резания при чистовом точении. Теоретические и экспериментальные исследования с использованием предложенных моделей подтвердили стабильность процесса механической обработки при использовании резца, оснащенного ДМД.

7. Проведены экспериментальные исследования в области изучения влияния демпфирующих свойств инструмента на параметры износа его режущей кромки и качество обрабатываемой поверхности.

8. Выполнены экспериментальные исследования в области параметров размерной и геометрической точности обрабатываемой поверхности, которые дали возможность получить методом дробного факторного эксперимента функциональные

2

2

обработка материалов резанием

МЕТ^^БРД^к)!

зависимости, позволяющие контролировать эффективность выбора режимов резания в зависимости от требований размерной и геометрической точности обрабатываемой поверхности при использовании инструмента, оснащенного ДМД.

Литература

1. Васильков Д. В., Вейц В. Л., Шевченко В. С. Динамика технологической системы механической обработки. СПб.: ТОО «Инвентекс», 1997. 230 с.

2. Вейц В. Л., Максаров В. В., Лонцих П. А. Динамика и моделирование процессов резания при механической обработке. Иркутск: РИО ИГИУВа, 2000. 189 с.

3. Максаров В. В., Коломин П. Ю. Повышение динамической стабильности технологической системы за счет анизотропных свойств режущего инструмента // Проблемы машиноведения и машиностроения. Межвуз. сб. Вып. 32. СПб.: СЗТУ, 2004. С. 147—150.

4. Микляев П. Г., Фридман Я. Б. Анизотропия механических свойств металлов. М.: Металлургия, 1988. 224 с.

5. Ашкенази Е. К., Ганов Э. В. Анизотропия конструкционных материалов: Справочник. Л.: Машиностроение, 1980. 148 с.

6. Вейц В. Л., Максаров В. В. Об упрощенной динамической модели технологической системы механической обработки резанием. Ч. 1: Общие положения // Машиностроение и автоматизация производства: Межвуз. сб. Вып. 17. СПб.: СЗПИ, 1999. С. 3—9.

7. Вейц В. Л., Максаров В. В. Динамика и управление процессом стружкообразования при лезвийной механической обработке. СПб.: СЗПИ, 2000. 160 с.

8. Вейц В. Л., Максаров В. В. Об упрощенной динамической модели технологической системы механической обработки резанием. Ч. 2: Исследование параметрического влияния // Машиностроение и автоматизация производства: Межвуз. сб. Вып. 17. СПб.: СЗПИ, 1999. С. 10—17.

9. Эльясберг М. Е. Автоколебания металлорежущих станков. Теория и практика. СПб.: Изд. ОКБС, 1993. 180 с.

10. Талантов Н. В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента. М.: Машиностроение, 1992. 240 с.

УДК 621.922

Определение периода стойкости шлифовального круга на основе его технологического эксплуатационного паспорта

Д. В. Ардашев

Ключевые слова: технологический эксплуатационный паспорт, испытания шлифовального круга, период стойкости круга.

Введение

Обычно режимы шлифования назначаются по нормативным справочникам [1, 2], в которых для каждой обрабатываемой детали указываются свои требования по точности и шероховатости и рекомендуется характеристика шлифовального круга. Однако в настоящее время, когда номенклатура выпускаемой продукции меняется часто и быстро, обработку деталей, различающихся требованиями по точности, шероховатости и др., производят с помощью круга одной характеристики и на одном станке. В связи с отсутствием рекомендаций по эксплуатации шли-

фовальных кругов в меняющихся условиях режимы шлифования назначаются субъективно, исходя из опыта наладчика или рабочего-шлифовщика.

Проектирование операций шлифования кругом одной характеристики возможно лишь при наличии объективной информации о его эксплуатационных возможностях. Для решения этой задачи на кафедре «Технология машиностроения» Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) совместно с Уральским НИИ абразивов и шлифования был разработан технологический эксплуатационный паспорт шлифовального круга, в котором содержится комплекс эксплуатационных