книги / Обработка резанием с вибрациями книга

ЧйтЬ соотношение между площадями сжатия и сдвига, однако всегда 1с>1сж> так как огж> тс; обычно для ста­ ли, железа, вязкой бронзы %ЦеЖ—1,5-1-2,0; для твердой бронзы и чугуна 1е11сЖ=2ч-3. Таким образом, обычное

резание также характеризуется определенной периодич­ ностью,— связанной с образованием отдельных элемен­ тов стружки, она мала при образовании сливной струж­ ки и повышается при образовании суставчатой и еще более возрастает при элементной. Согласно уравнению К. Л. Зворыкина неравномерность движения резания

возрастает с увеличением отношения — ,толщины сре-

за а и при снижении угла сдвига fr. Это определяет условия перехода от сливной стружки к суставчатой И далее к элементной. Неравномерность процесса стружкообразования сильно зависит также от скорости реза­ ния — с увеличением последней она уменьшается. Это свидетельствует о различном влиянии скорости резания на изменение механических характеристик материала на сдвиг и на сжатие; вследствие этого их отношение уменьшается. На основании обработки эксперименталь­ ных данных М. В. Касьяна (сталь 35, а=54 мм, у=15°)

можно принять следующие эмпирические зависимости для определения числа элементов стружки, образую­ щихся на 1 мм ее длины:

Для стали 35 коэффициент С* =2,5. Из формулы видно, что толщина одного элемента стружки 1СВ и соот­

ветствующий ей, исходя из значения коэффициента усадки g, путь движения инструмента 1ра обратно про­ порциональны скорости резания ир, при этом частота

образования элементов стружки

Рассмотрим, сколь велико влияние вибрационного движения, заданного извне, на изложенный выше меха­ низм стружкообразования. При резании в каждый дан­ ный момент времени пластической деформации подвер­ гается малый объем металла, тем меньший, чем меньше толщина среза. Так, по данным T. Н. Лоладзе, толщина

элемента сливной стружки .находится в пределах =0,02-1-0,005 см. При наличии вибраций изменение ре­

жимов резания происходит в пределах четверти волны

колебаний — , развернутой по пути резания; значения

4

— для типовых режимов точения (ор= 120 M JMUH) с

4

вибрациями приведены в табл. 4. Из таблицы видно, что

Таблица 4

Период колебаний Т и соответствующая ему длина пути резания к при типовых режима* резания с вибрациями

в;

----------------- , крайне велико для низкочастотных колеcos (Р -у)

баний. В этом случае переменность рабочих углов и ско­ ростей резания изменяет условия каждого последующе­ го сдвига, однако на условия протекания каждого из них практически влияния не оказывает. Напротив, при резании с высокочастотными вибрациями переменность

юг

скоростей и углов резания соизмерима со временем про­ текания каждого сдвига; особенно это существенно при обработке с ультразвуковыми колебаниями. В этом слу­ чае на величину пути одного сдвига 1рз приходится

примерно половина волны колебаний.

Рассмотрим, как изменяются эти соотношения с из­ менением скорости резания; для этою воспользуемся данными М. В. Касьяна по обработке стали 35 с различными скоростями.

Графические зависимо­ сти, отражающие эти за­ кономерности, приведены на рис. 19. Из них вид­ но, что с ростом частоты вибраций t'a уменьшени­ ем скорости резания vv

интенсивность воздейстстаия вибрационного дви­ жения на процесс стружкообразования возра­ стает. Эта закономер­ ность может быть пред­

ставлена в виде выражения для х — коэффициента, определяющего интенсивность воздействия вибрацион­ ного движения на изменение процесса стружкообразова­ ния. Его значение определяется соотношением частот колебаний f, задаваемых извне, и частот образования элементов стружки f 9:

Следовательно, степень влияния вибрационного движения на процесс стружкообразования может сво­ диться как к количественному, так и к качественному его изменению.

Количественное изменение условий стружкообразо­ вания характеризуется только колебанием скоростей ре­ зания, рабочих углов и сечения срезаемого слоя вслед­ ствие дополнительного вибрационного движения инсг-

румента. Количественные изменения условий стружко­ образования определяют различные условия образова­ ния стружки по мере движения резания, не изменяя ка­ чественной картины этого процесса. Воздействие этого фактора имеет место при любых режимах вибраций.

Качественное изменение условий стружкообразования вследствие наложения дополнительного вибрацион­ ного движения может быть двух видов.

В первом случае образование отдельного элемента стружки происходит с переменными скоростью и угла­ ми резания. Воздействие этого фактора имеет место, когда четверть частоты возникших вибраций соизмери­ ма с частотой образования отдельных элементов струж­ ки при обычном резании. Как показал приведенный выше анализ, изменение процесса стружкообразования при возникновении вибраций определяется некоторым коэффициентом х» который возрастает с увеличением скорости резания, толщины срезаемого слоя, угла сдви­ га. Для типовых режимов обработки влияние этого фактора становится существенным, начиная с частоты вибраций 3000—5000 гц.

Во втором случае образование отдельных элементов стружки характеризуется качественным изменением процесса пластического деформирования и разрушения. Как показывают теоретические и экспериментальные ис­ следования, это имеет место при частотах вибраций, близких к ультразвуковым.

Учитывая изложенное, для исследования процессов резания с вибрациями и их практического применения целесообразно разделение вибраций (рис. 20) на низ­ кочастотные (до 200 гц), приводящие только к количе­

ственному изменению условий стружкообразования и обычно используемые для дробления стружки, высоко­

них видов оказывают уже качественное влияние на ме­ ханизм стружкообразования и используются для улучшения обрабатываемости материалов. Их разделе­ ние на две группы обусловлено различными типами ви­ браторов, применяемых для получения вибраций с ча­ стотой 200—15000 гц и с частотой 15 кгц и выше (см. рис. 20).

Такое разделение вибраций по частоте на три груп­

пы удобно и для анализа вредных вибраций. Как из­ вестно, они также бывают низкочастотные (до 200 гц),

вызываемые при токарной обработке колебаниями си­ стемы заготовка — станок, и высокочастотные (1000— 2000 гц и более), вызываемые колебаниями системы

резец — станок.

Принятая для исследования процессов резания с ви­ брациями классификация колебаний по частоте не-

Рис. 20. Классификация вибраций по частоте на основании рас­ смотрения механики стружкообразования

сколько отличается от деления вибраций на инфразвуковые, звуковые (20 гц — 20 кгц) и ультразвуковые (см. рис. 20) ; однако в этом случае она отвечает физи­

ческим особенностям процесса резания с вибрациями определенного диапазона и принятым для этой цели ти­ пам вибраторов.

Изложенное выше определяет «прямое» воздействие вибрационного движения на процессе резания, так как оно оказывает непосредственное влияние на процесс превращения срезаемого слоя в стружку. Кроме того, вибрационное движение оказывает «косвенное» воздей­ ствие. Формы этого воздействия весьма многообразны, они будут рассмотрены ниже в связи с физическими особенностями резания с вибрациями и касаются изме­ нения процесса предварительного упрочнения материала

Надо отметить, что приведенная оценка степени влияния вибраций на процесс стружкообразования на основе сравнения частоты вибраций и частоты форми­ рования элементов стружки является приближенной. При достаточно высоких скоростях встречи инструмен­ та и заготовки при прерывистом характере резания происходит качественное изменение механизма струж­ кообразования. Однако для оценки степени влияния вибраций при изменении частот и амплитуд в больших диапазонах (от низкочастотных до ультразвуковых) проведенный анализ является достаточно достоверным.

Процесс стружкообразования определяется в первую очередь видом обрабатываемого материала, режимами резания, геометрией заточки инструмента и зависит от того, в какой степени процесс пластической деформации при стружкообразовании сопровождается разрушением материала срезаемого слоя и какой характер носят эти разрушения. Необходимым условием стружкообразова­ ния является доведение обрабатываемого материала прежде всего по линии среза до разрушения. При опре­ деленных условиях резания процесс разрушения охва­ тывает все сечение срезаемого слоя, образуя стружку непосредственно в зоне деформации в виде отдельных кусочков. Разрушение сталей и сплавов, в частности при повышенной температуре, сопровождающей процесс резания, происходит либо путем развития пластической деформации до некоторого критического состояния, либо путем образования и развития трещин, т. е. хруп­ кого разрушения. В обоих случаях на протекание этих процессов большое влияние оказывает диффузионная подвижность.

Процесс стружкообразования при резании с вибра­ циями во многих случаях сопровождается разрушением, охватывающим только часть срезаемого слоя. Так, при точении с осевыми низкочастотными вибрациями обра­ зуется сливная стружка, в этом случае разрушение происходит лишь по линии среза; остальной объем сре­ заемого слоя лишь претерпевает значительные пласти­ ческие деформации, при этом сильно упрочняясь. Из­ менение свойств обрабатываемого материала и условий резания, в том числе за счет возникновения вибраций,

приводит к изменению процесса стружкообразования. Эго выражается сначала в появлении в сплошной не-

прерывной стружке трещин, охватывающих лишь часть ее толщины, затем в пересечении трещинами всей тол­ щи стружки— образовании стружки скалывания. Исследования акад. С. А. Христиановича показали, что в этих условиях разрушение материала будет проис­ ходить не по линиям скольжения, т. е. линиям макси­ мальных касательных напряжений, а по линиям разры­ ва, которые являются огибающими линий скольжения. Поверхности разрыва являются геометрическим местом точек, соответствующих резким изменениям напряже­ ний, и физически соответствуют трещинам. Возникно­ вение трещины приводит к значительной концентрации напряжений; дальнейшее ее развитие требует относи­ тельно меньшего прироста силы. Если в этих условиях сопротивление сдвигу в части элемента срезаемого слоя, не охваченной трещиной, становится меньше усилия, необходимого для развития трещины, то обра­ зуется цельная стружка с частично разделенными ча­ стями; в противном случае образуется элементная стружка. Следовательно, поверхность разрыва при пе­ реходе от сливной стружки к стружке скалывания из­ меняет свое направление — от положения, параллель­ ного направлению движения резания, постепенно пово­ рачивает по часовой стрелке (при движении режущей кромки справа налево) вверх к обрабатываемой по­ верхности.

Результаты приведенных ниже технологических ис­ пытаний показали, что обрабатываемость материалов улучшается при интенсивных вибрациях, обеспечиваю­ щих изменение характера резания на прерывистое при периодически повторяющемся процессе врезания с до­ статочно высокой скоростью встречи инструмента и за­ готовки. Для исследования процесса стружкообразования в этих условиях была создана специальная лабора­ торная установка. Она представляет собой копровое устройство, имеющее основание с двумя колоннами, по которым скользит резцедержавка с инструментом. Обрабатываемый образец в виде пластинки крепится в приспособлении, закрепленном на основании. При сбра­ сывании с определенной высоты резцедержавки с инст­ рументом в конце участка падения происходит встреча с обрабатываемым образцом, при этом на определен­ ном пути выполняется процесс резания в виде строга­

нин, ка что полностью расходуется приобретенная кине­ тическая энергия. Специальные жесткие упоры позво­ ляют относительно просто мгновенно остановить про­ цесс резания на любой стадии стружкообразования.

Эксперименты проводились при обработке образцов из сталей 45, Х18Н9Т, ЭИ-8И (1Х21Н5Т) на пластин­ ках толщиной 2,5—3,0 мм. Исследование характера

процесса стружкообразования по торцевой поверхно­ сти образца при ударном воздействии на него инстру­ мента показало, что в момент встречи передняя по­ верхность режущего клина инструмента пластически деформирует расположенный впереди ее материал за­ готовки, затем в этой зоне образуется трещина, после чего происходит смещение образовавшегося элемента по линии среза. Смещение зависит от условия обра­ ботки: оно может изменяться от мало заметного сдвига до полного отделения элемента. Во всех случаях полу­ чалась элементообразная форма стружки различного вида.

Образование элементной формы стружки при обыч­ ном резании свидетельствует об ухудшении условий стружкообразования, росте его энергоемкости, что объясняется рассмотренными выше особенностями обыч­ ного процесса стружкообразования, когда решающее значение имеют достаточно равномерно протекающие сдвиговые деформации, приводящие к образованию сливной стружки. Рост размеров отдельных элементов,

за счет такого изменения условий обработки, при кото­ ром возрастает прежде всего удельный вес напряжений сжатия. Однако роста интенсивности явлений разрыва, т. е. образование трещин заметных размеров, при обыч­ ном резании не происходит. Все это приводит к увели­ чению энергоемкости процесса, количества выделяю­ щегося тепла со всеми вытекающими отсюда отрица­ тельными последствиями, ухудшающими показатели процесса резания в целом.

Исследования, проведенные при резании на копро­ вой установке при задании режимов в широком диапа­ зоне скоростей (36—200 м}мин), толщины среза (0,1— 2,0 мм) и углов заточки (у от —15 до +15°), показали, что в ртдичие от обычного процесса типовой формой

образующейся стружки для этого вида резаний яв­ ляется элементообразная. Очевидно, для урйовий обработки с ударным, периодически повторявшимся взаимодействием режущего клина инструмента и обра­ батываемого материала такой вид стружки является наиболее характерным. Его образование обусловлено динамическим режимом нагружения, которое, как из­ вестно, приводит к большей концентрации напряжений по ослабленным местам и перераспределению напряже­ ний в зоне опережающих деформаций.

Наиболее сильным концентратором напряжений яв­ ляется режущая кромка. В момент встречи с большей скоростью режущего клина инструмента и обрабаты­ ваемого материала напряжения растяжения (которые могут быть большими и при обычном резании (52]) ста­ новятся определяющими по сравнению с касательными. Это приводит к образованию поверхности разрыва, т. е. резким изменениям напряжений, физически соответст­ вующим трещине. Возникновение трещины приводит к концентрации напряжений у ее вершины, вследствие этого дальнейшее распространение трещины не требует значительной силы, т. е. сила, необходимая для реза­ ния, уменьшается. Направление ее развития совпадает с огибающей линией скольжения, однако пересечь всю толщу срезаемого слоя она не может вследствие дей­ ствующих в ней весьма больших сжимающих напряже­ ний. Поэтому в определенный момент напряженное со­ стояние в зоне трещины достигает равновесного состоя­ ния, после этого происходит обычный сдвиг элемента стружки. Следовательно, размеры образующихся эле­ ментов стружки определяются величиной трещины.

Дальнейшие экспериментальные исследования на копровой установке позволили установить оптимальные в энергетическом отношении режимы резания (табл. 5). Они проводились путем сбросов резцедержавки с инст­ рументом с различной высоты, при этом инструмент не выходил из обрабатываемой заготовки и останавли­ вался на определенной длине обработки. Измерение пути резания в зависимости от энергии удара позволило установить, что удельная энергоемкость процесса реза­ ния Е, т. е. затраченная энергия, приходящаяся на еди­ ницу пути резания, зависит от кинетической энергии А\

резцедержавки с инструментом в момент встречи ее с

по