Моделирование процесса разрушения витка стружки при точении пластичных материалов

Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч. 1 УДК 621.002:536.2

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ВИТКА СТРУЖКИ ПРИ ТОЧЕНИИ ПЛАСТИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Д.С. Зябрева, С.Я. Хлудов

Рассмотрены особенности процесса разрушения витка сливной стружки при точении пластичных материалов. Установлены необходимые условия для обеспечения стружколомания в процессе точения.

Ключевые слова: разрушение витка стружки, срезание припуска, метод, способ, форма стружки, поверхность резания, задняя поверхность.

Процессы стружкозавивания и разрушение витка стружки, протекающие одновременно, имеют разную физическую природу [1]. Стружко-завивание - процесс, обусловленный неравномерностью пластической деформации по толщине и ширине срезаемого слоя. Разрушение витка стружки - результат дополнительного воздействия на уже сформированную стружку.

При обработке вязких металлов и сплавов образуется сливная лентообразная стружка, которая наматывается на инструмент и на заготовку, вызывает вынужденные остановки оборудования, ухудшает качество обработанной поверхности, приводит к преждевременным поломкам режущего инструмента. Актуальным становится вопрос разрушения витка стружки, получения ее в форме, устраняющей все ранее перечисленные проблемы.

Использование в современном машиностроении автоматизированных станочных систем сделало актуальной проблему управления процессом разрушения витка стружки.

Изучению особенностей процесса разрушения витка стружки посвящены работы многих исследователей [1 - 4]. Одни авторы при описании процесса разрушения витка используют термин «стружкодробление», а других - «стружколомание».

Дробление - разрушение витка стружки, которое осуществляется непосредственно в месте дополнительного воздействия без предварительной обработки заготовки.

Ломание - это разрушение витка стружки в месте, расположенном на некотором расстоянии от места приложения воздействия.

Разделение - разрушение стружки в процессе резания за счет создания стружкоделительных элементов, например, с помощью предварительной обработки заготовки.

В ходе анализа существующих методов и способов разрушения витка стружки разработана следующая классификация (рис. 1).

Рис. 1. Классификация методов и способов разрушения витка стружки

В настоящее время наиболее естественным и распространенным методом разрушения витка стружки является ломание при использовании существующих или создания новых форм специальной передней поверхности режущей пластины.

В работе [1] было установлено, что разрушение витка стружки это следствие дополнительного воздействия на него со стороны препятствий. При первом же обороте заготовки стружка, перемещаясь по естественной траектории, сталкивается с каким-либо препятствием: поверхностью резания; обрабатываемой поверхностью; обработанной поверхностью или задней поверхностью резца. В этом случае взаимодействие стружки с препятствиями это необходимое условие ее разрушения. Препятствия, расположенные на значительном удалении от точки отрыва стружки от передней поверхности, существенного влияния на процесс разрушения ее витка не оказывают.

В процессе преобразования припуска в стружку, последняя может принимать различные формы и размеры. В работе [2] приведена классификация форм стружки. Анализ приведённых форм показал, что только для случая, когда стружка имеет форму прямой, разрушение витка не осуществляется. Поэтому для обеспечения стружколомания ее форма должна быть отличной от прямой.

При врезании резца в материал заготовки постепенно увеличивается толщина и ширина срезаемого слоя. Изменение толщины и ширины срезаемого слоя сопровождается изменением условий стружкообразования, что выражается в поэтапном преобразовании формы стружки. При точении

стали 45Х резцом, оснащенным СМП 8КМ0120408-вМ (Ког1оу - Южная Корея), в момент врезания толщина аст стружки изменяется от нулевого (рис. 2, кадр 1) до максимального значения (рис. 2, кадр 9).

Рис. 2. Формирование многовитковой стружки в форме винтовой

спирали в момент врезания

В этом случае, формирование стружки включает следующие этапы: формирование прямой стружки (рис. 2, кадр 2); формирование стружки в форме плоской спирали (рис. 2, кадр 3); формирование стружки в форме цилиндрической спирали (рис. 2, кадр 4 — кадр 6);

формирование стружки в форме винтовой спирали (рис. 2, кадр 7 — кадр 9).

Переход от одной формы стружки к другой сопровождается изменением шага и среднего радиуса ее витка. При переходе от прямой стружки к стружке в форме плоской спирали средний радиус витка изменяется от бесконечности до определенного значения.

Трансформация формы стружки от плоской спирали к цилиндрической спирали вызывает некоторое увеличение радиуса. Переходу от цилиндрической спирали к винтовой предшествует соскальзывание стружки

с передней поверхности (рис. 2, кадр 6), что в свою очередь увеличивает радиус витка. При дальнейшем увеличении толщины стружки, имеющей форму винтовой спирали (рис. 2, кадр 7 - кадр 9), наблюдается уменьшение среднего радиуса.

Если в процессе врезания при отрыве от передней поверхности в точке А стружка приняла форму винтовой спирали, то ее внутренний край контактирует с обрабатываемой и задней поверхностями соответственно в точках В и С (рис. 3).

Рис. 3. Контакт стружки в форме винтовой спирали с обрабатываемой и задней поверхностями

Реакцией обрабатываемой поверхности на контакт со стружкой является сила Ро, которую можно разложить на две составляющие: силу РоК, направленную перпендикулярно обрабатываемой поверхности; силу Рот, направленной по касательной к обрабатываемой поверхности в сторону вращения заготовки.

Сила Рок стремится оттолкнуть, а сила Рот - подхватить стружку. Первая сила стремится изменить направление схода и увеличить радиус витка стружки, а вторая - уменьшить радиуса ее витка. Необходимо отметить, что контакт внутреннего края стружки с обрабатываемой поверхностью точечный. Внутренний край стружки имеет минимальную толщину и является наиболее гибкой частью сечения стружки. При этом обрабатываемая поверхность имеет большую скорость движения, чем стружка. Все это приводит к тому, что условия контакта между ними не устойчивые и постоянно изменяются.

Реакцией задней поверхности на контакт со стружкой является сила Рз, которую также можно разложить на две составляющие: силу РзК, направленную перпендикулярно задней поверхности; силу Рзт, направленную параллельно задней поверхности в сторону к обрабатываемой поверхности

заготовки. Сила стремится оттолкнуть стружку, а сила Рзт - препятствует ее движению. Стружка контактирует с задней поверхностью своим внутренним краем. При этом, задняя поверхность имеет скорость перемещения значительно меньшую, чем скорость стружки. Поэтому, взаимодействие стружки с задней поверхностью имеет более стабильный характер, чем с обрабатываемой поверхностью.

Если точка В располагается выше линии центров заготовки, то под воздействием силы Р0 происходит подхват стружки. В результате точка В перемещается в положение ниже линии центров. Момент перемещения точки В из одного положения в другое сопровождается упругой деформацией, что вызывает вначале увеличение, а затем уменьшение радиуса витка на участке от точки А до точки В. При адаптации зоны стружкообразова-ния на такое воздействие на виток стружки может привести к изменению направления ее схода.

Если точка С располагается относительно точки В на расстоянии, меньшем среднего радиуса витка стружки, то под воздействием силы Р3 точка С переместится вниз от режущей кромки, а точка В - наоборот ближе к ней. Такие перемещения вызывают упругую деформацию витка стружки в точке В и изменяют положение оси ее траектории винтового движения.

При дальнейшем формировании стружки под действием силы тяжести и центробежной силы происходит раскачивание свободного конца стружки (рис. 4), которое в дальнейшем переходит в сложные колебательные движения относительно базовой плоскости, образованной тремя опорными точками А, В и С контакта стружки с передней, обрабатываемой и задней поверхностями (см. рис. 2).

а б в

Рис. 4. Фрагменты формирования стружки в форме винтовой спирали: а -увеличение радиуса витка; б - разрушение витка стружки; в - формирование неориентированного участка стружки

350

В зависимости от условий схода многовитковой стружки могут иметь место два различных явления - гашение или усиление колебательных движений стружки [4]. В первом случае, формируется винтовая спираль большой длины, а при встрече с конструктивными элементами станка или другими препятствиями она либо разрушается на отрезки различной длины, либо формирует «путаный» клубок.

Во втором случае, например, при движении свободного конца стружки в направлении к обрабатываемой поверхности и задней грани СМП, за счет упругих деформаций происходит разворот ее витка. Ось винтовой спирали принимает положение перпендикулярное к базовой плоскости ABC. Точка В перемещается вниз и в сторону от режущей кромки, а точка С - вверх и в сторону от вершины СМП. В таком положении виток стружки воспринимает силы реакции со стороны препятствий в плоскости его наибольшей жесткости.

Взаимодействие стружки с задней поверхностью и обрабатываемой поверхностью имеет точечный контакт. Данные условия являются более благоприятными для возрастания усилия Рз до величины, обеспечивающей торможение витка на задней поверхности.

При уменьшении скорости движения стружки на участке между точками В и С и одновременном воздействии вновь образующихся слоев стружки, произойдет увеличение радиуса витка на участке от точки А до точки В (рис. 4, а).

В этом случае, на контактной стороне внутреннего края стружки возникают сжимающие напряжения, а на свободной стороне ее внешнего края - растягивающие. При достаточно высокой жесткости и малой гибкости стружки на свободной стороне ее внешнего края образуется трещина, что приводит к разрушению целостности витка (рис. 4, б).

Если напряжения в стружке не превысили предельную деформацию, а увеличение радиуса витка привело к потере его устойчивости (аналогично потере устойчивости витка винтовой пружины), действие сил со стороны препятствий исчезает и формируется неориентированный участок («путанка», - рис. 4, в). Такой процесс характерен для стружки с малой жесткостью и большой гибкостью.

Таким образом, необходимыми условиями для ломания многовит-ковой стружки в форме винтовой, цилиндрической и плосковинтовой спирали являются наличие не менее трех точек контакта с обрабатываемой поверхностью, задней и передней поверхностями инструмента, а также внешнее воздействие на виток, достаточное для возрастания силы реакции со стороны задней поверхности до величины, обеспечивающей торможение стружки.

Список литературы

1. Хлудов С.Я. Механизмы стружкодробления при точении: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. 152 с.

351

2. Васин С.А., Хлудов С.Я. Проектирование сменных многогранных пластин. Методологические принципы: монография. М.: Машиностроение, 2006. 352 с.

3. Исследование условий процесса дробления стружки при точении / О.И. Борискин, Н.А. Волчкова, С.В. Зябрев [и др.] / Актуальные научные вопросы: реальность и перспективы. Ч. 5. Изд-во «Бизнес-наука - общество», Тамбов, 2012. С. 29-31.

4. Обеспечение дробления стружки при чистовом точении / Д.П. Аулова, А.В. Благовещенский, В.В. Сандгартен, [и др.] // Известия ТулГУ. Сер. Технологическая системотехника. Вып. 15. Тула: ТулГУ, 2006. С. 35-39.

Зябрева Дарья Сергеевна, асп., polyteh2010@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Хлудов Сергей Яковлевич, д-р техн. наук, проф., polyteh2010@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

MODELLING OF PROCESS OF DESTRUCTION OF THE ROUND SHAVINGS WHEN

TURNING PLASTIC MA TERIALS

D.S. Zyabreva, S.Ya. Hludov

The features of process of destruction of coil of the downlow shaving are considered at sharpening ofplastic materials. Necessary terms are certain for providing of chip breaking in the process of sharpening.

Key words: destruction of coil of shaving, cutting away of allowance, method, process, form of shaving, cutting surface, back surface.

Zyabreva Darya Sergeevna, postgraduate, _polyteh2010@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Khludov Sergei Yakovlevich, doctor of technical science, professor, poly-teh2010@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University