книги / Резание материалов
..pdf
ностроительных заводах. Поэтому резко вырос уровень активности исследований в области контроля процессов механической обработки и инструмента в нашей стране и за рубежом. Диаграммы, изображенные на рис. 108, показывают, что основная деятельность разработчиков диагностических систем направлена на контроль износа инструмента или интенсивности его износа в любой текущий момент времени процесса обработки резанием.
Рис. 108. Использование различных диагностических признаков в анализе процессов, происходящих при механической обработке материалов резанием: 
– акустическая эмиссия; 
– силы резания; 
– вибрации и помехи; 
– температура; 
– другие признаки
Интенсивные исследования в области контроля станков и инструмента ведутся во всем мире: в США – НИСТ, национальная лаборатория Лоуренса в Ливерморе, Окриджская национальная лаборатория, Мичиганский университет, Иллинойский университет, Университет шт. Мэриленд, фирмы «Монтроникс», «Ингерсолл миллинг машин» и TPS; в Канаде – Национальный исследовательский совет Канады, Университет Британской Колумбии, Университет Виктории и фирма «Мемекс электроникс». В Европе в области контроля станков и инструмента есть активные программы: в Германии – RWTH Aachen, Университет Пассау, Институт Фраунгофера, фирмы «Роберт Бош», «Прометек», Исследовательский институт WZL и Ганноверский лазерный центр;
161
вИспании – фирмы «Текникер», «Соралюче», «Икерлан», «Данобат», «Идеко»; во Франции – фирмы Giat и Objectif; в Греции – фирмы «Грау» и «Эпсилон»; в Италии – фирмы «Фидия» и ТХТ;
вВеликобритании – Лидский, Бирмингемский и Ноттингемский университеты; в Швейцарии – фирмы «Кистлер Инструменте»
и «Гиндель Гирс»; в Венгрии – Венгерская академия наук. В Японии активные программы имеют следующие организации: Университет Нагойи, Университет Кобе, Университет Кейо, исследовательский центр материалов фирмы «Мицубиси», компания «Хитачи сейки машин тул» и фирма NTN.
В США использование систем данного класса позволило (в среднем):
на 30 % повысить производительность обработки;
на 50 % увеличить срок службы станков (в первую очередь элементов шпиндельной бабки);
на 30 % увеличить износостойкость инструмента.
Вчастности, использование таких систем позволило при создании самолета F18 сэкономить 1 млрд долл. за 10 лет.
Компании, успешно применяющие вибродиагностические системы в своем производстве: Boeing, Ingersoll, Tool Company, Caterpillar, General Electric, Rolls Royce, Kovosvit A.S. и др.
ВРоссии исследования процесса резания проводятся практически во всех технических вузах страны и в отраслевых НИИ машиностроения. В наибольшей степени это Станкин, ВНИИТС, завод «Салют» г. Москвы. Однако для измерения сил резания, температуры резания, вибрации, мощности применяются различные методы, приборы, датчики часто без преобразования электрического сигнала в цифровой, т.е. без использования персонального компьютера для анализа, записи и воспроизведения данных на современном уровне.
Особенности применяемых систем вибродиагностики.
Назначение вибродиагностики процесса решения:
– измерение и анализ частотных характеристик системы станок–приспособление–инструмент–деталь и ее отдельных элементов;
162
–измерение и анализ сигнала виброакустической эмиссии
взоне резания;
–вычисление на основании собранной информации оптимальных виброустойчивых режимов обработки, (скорости шпинделя, глубины резания, подачи).
Диаграмма стабильности (рис. 109) – основа алгоритма выбора оптимальных режимов резания. Диаграмма стабильности позволяет выявить зоны в пространстве параметров обработки (скорость шпинделя п – глубина резания t), работа в которых обеспечит наибольшую производительность, виброустойчивость процесса и, как следствие, требуемое качество обработки. Схемы измерений вибраций и шума при резании различных исследователей для выбора виброустойчивых режимов резания на станках с ЧПУ представлены на рис. 110 и 111.
Рис. 109. Типичная диаграмма стабильности
Очевидно, что эффективность диагностики в основном определяется информативностью используемых диагностических признаков, их зависимостью от условий обработки. Традиционно для диагностики процесса резания применялись его статические температурно-силовые параметры, в большинстве случаев недостаточно информативные. В последнее время и у нас в стране, и за рубежом все большее внимание специалистов привлекает диаг-
163
ностика механической обработки на основе анализа высокочастотных динамических явлений различной физической природы: акустической эмиссии (АЭ); электромагнитного излучения (ЭМИ); экзоэлектронной эмиссии (ЭЭЭ).
Рис. 110. Схемаполучениячастотныххарактеристиквибрацииинструмента (установленвшпиндель): 1 – шпиндель; 2 – фреза; 3 – акселерометр; 4 – импульсныймолоточек; 5 – кабелькАЦП; 6 – ноутбук; 7 – питание
Рис. 111. Анализ сигнала виброакустической эмиссии (шума) в зоне резания: 1 – микрофон; 2 – виброакустический сигнал; 3 – зона резания; 4 – ноутбук; 5 – микрофонный вход звуковой платы
Вкачестве информативных диагностических признаков эмиссионные процессы обычно используют амплитудные, частотные и другие энергетические параметры, связанные с волновым излучением.
Внастоящее время метод АЭ получил наибольшее развитие
иприменение. По сравнению с ним диагностические возможности других эмиссионных процессов применительно к решению техно-
164
логических задач раскрыты существенно меньше. Метод АЭ основан на явлении генерации в твердом теле волн упругой деформации частотой 50…100 кГц при локальном динамическом изменении полей механических напряжений, обусловленном развитием дефектов, например, зарождением и ростом трещин, фазовыми превращениями и другими быстропротекающими процессами.
Простота установки датчика на станке и возможность метода АЭ регистрировать одновременно все энергоемкие физические процессы, происходящие в зоне резания, в том числе износ инструмента, постоянно привлекала исследователей как в нашей стране, так и за рубежом. Однако трудности, связанные с защитой принимаемого сигнала от случайных помех, с выделением параметров АЭ, генерируемых износом инструмента по задней грани и т.д., до недавнего времени сдерживали развитие метода АЭ.
Интерес к колебаниям при резании в более высоком частотном диапазоне появился в 80-е годы прошлого века в связи с проблемами автоматического контроля процесса резания на станках с ЧПУ, встраиваемых в ГПС.
Вибрационное диагностирование объектов проводится в три этапа: первичное описание вибрационного состояния объекта, выделение признаков и принятие решения.
На этапе поиска информативных признаков ограничивают число измеряемых параметров вибрации, шума и ударов. При этом из множества параметров, характеризующих вибрационный процесс, выделяют только те, которые прямо или косвенно характеризуют состояние объекта. По этим параметрам формируют информативную систему признаков, используемых при диагностировании.
Все известные физические явления, способные создавать первичное возмущение автоколебательного процесса, могут быть подразделены на три группы: явления, вызванные собственно процессом резания; специфическими свойствами упругой системы станок–приспособление–инструмент–деталь и совместным взаимодействием факторов, определяющих процесс резания и упругие свойства системы.
165
Кфизическим явлениям, обусловленным процессом резания, относятся:
1) специфичность протекания пластического деформирования, т.е. запаздывание изменения силы относительно малого перемещения, особенности образования застойной зоны и нароста на резце, неодинаковое упрочнение металла и т.д.;
2) падение величины силы резания с повышением скорости резания в определенном диапазоне;
3) зависимость силы резания от скорости радиального колебательного движения и ее направление;
4) особенности протекания процесса трения рабочих поверхностей инструмента о заготовку и стружку;
5) специфика процесса резания как одного из видов пластической деформации при малых скоростях резания.
Кфизическим явлениям, обусловленным специфическими свойствами упругой системы станок–приспособление–инструмент– деталь, относятся:
1) падение величины силы трения в отдельных соприкасающихся парах системы с ростом скорости относительного скольжения;
2) внутреннее трение в материале обрабатываемой заготовки;
3) зазоры и трение в подшипниках;
4) специфические закономерности процесса трения при малых скоростях относительного скольжения (суппорта, головки
идругих узлов).
Кфизическим явлениям, вызванным совместным взаимодействием факторов, относятся:
1) явление координатной связи упругих деформаций системы с несколькими степенями свободы и процессом резания;
2) взаимодействие автоколебаний, вызываемых зазорами и трением в подшипниках, с процессом резания.
Таким образом, в реальной упругой системе в процессе резания может быть большое число физических механизмов, вызывающих автоколебательный процесс. Оценка эффективности каждого из них при обработке резанием должна производиться на основе определения ееудельного веса вобщемэнергетическом балансе системы.
166
Основными средствами устранения вибраций или уменьшения их интенсивности, т.е. обеспечения устойчивости процесса резания, являются:
1)правильный выбор параметров системы станок–приспо- собление–инструмент–деталь, ее динамических характеристик: жесткости, сопротивления и массы;
2)рациональное построение схемы выполнения обработки резанием, обеспечивающее максимальное использование ее динамических свойств;
3)правильный выбор геометрии заточки инструмента и режимов резания, сводящих к минимуму действие возмущающих сил
иобеспечивающих в целом наиболее рациональную схему нагружения системы станок–приспособление–инструмент–деталь;
4)улучшение динамических свойств системы станок– приспособление–инструмент–деталь путем применения виброгасителей различных конструкций.
Анализ отечественного и зарубежного опыта показывает, что при использовании средств гашения вибраций прежде всего улучшается качество поверхности, повышается производительность обработки, возрастает стойкость инструмента.
2.4.9. Эмпирические формулы для расчета составляющих силы резания
Теоретический расчет составляющих сил резания представляет собой весьма сложную задачу. В процессе резания необходимо учесть множество взаимовлияющих факторов – механические свойства обрабатываемого и инструментального материала, процессы упругой и пластической деформации, изменение условий трения и контактных процессов на передней и задней поверхностях инструмента, условия резания, геометрия инструмента и т.д. Поэтому приняты для практики данные многочисленных экспериментальных исследований, которые представлены в справочной литературе. Обобщенные формулы составляющих силы резания с учетом всех факторов имеют следующий вид:
Рz = СPz t xPz · S yPz · VPnz Kм K K Kr Kh KСОТС,
167
Р |
у |
= С t xPу · S yPу · V n |
K K K K K K , |
|
|
P |
P |
м r h СОТС |
|
|
|
у |
y |
|
Р |
х |
= С t xPх · S yPх · V n |
K K K K K K , |
|
|
P |
P |
м r h СОТС |
|
|
|
х |
x |
|
где СРz, СPу, СPх – постоянные, зависящие от обрабатываемого ма-
териала, учитывают стандартные условия резания, например, для
стали 45: b = 75 кгс/мм2; = 10 ; = 8 ; = 45 ; = 0 ; r = 2 мм; hз = 0,8…1,0 мм; х, у, n – показатели степени для стандартных ус-
ловий резания, например, х = 1,0; у = 0,75; n = 0,15; K – поправочные коэффициенты, учитывающие влияние отклонения от стандартных условий: прочности обрабатываемого материала, геометрии инструмента, износа инструмента и вида СОТС на составляющие силы резания.
2.4.10. Работа и мощность резания
Для разрушения материала срезаемого слоя и превращения его в стружку необходимо затратить определенное количество энергии и произвести работу резания. В общем виде работа резания W (в Дж или Н·м) может быть рассчитана по формуле
W = PzL,
где Pz – сила резания, действующая в направлении скорости резания, Н; L – путь, проходимый режущим инструментом, м.
Работа резания складывается из работы упругой Аупр и пластической Апл деформации, работы скалывания и сдвига элементов стружки по плоскости сдвига Асд, работы трения по передней Ат.п и задней Ат.з поверхностям инструмента. Можно записать для работы резания, что
W = Апл + Аупр + Асд + Ат.п + Ат.з.
Работа, затрачиваемая на резание, зависит от действующих составляющих силы резания и скорости резания. Можно записать эти виды работ при обработке резанием определенного пути резания за 1 мин в следующем виде:
W = PzV = PcVc + FпVп + FзVз,
168
где V – скорость резания, м/мин; Рс – сила сдвига, Н; Vc – скорость деформации сдвига, м/мин; Fп – сила трения по передней поверхности, Н; Vп – скорость движения стружки по передней поверхности, м/мин; Fз – сила трения на задней поверхности, Н; Vз – скорость движения обработанной поверхности относительно задней поверхности, м/мин.
Зная работу резания, можно рассчитать мощность резания. Мощность, затрачиваемую на резание, называют эффективной мощностью Ne. Она учитывает действие всех трех составляющих силы резания. Поэтому можно записать:
Ne = Nz + Ny + Nx.
Если выразить силу в килоньютонах, скорость в метрах на минуту, то мощность получим в киловаттах, подставив в формулу значения силы и скорости резания:
Nе = Рz V/1020 60 + Px S n/60 1000 1020 +
+Py Vy/60 1020.
Внаправлении силы Ру (при отсутствии вибраций) движение не совершается, а поэтому скорость и мощность равны нулю.
Осевая составляющая Рх достаточно мала и мощность от ее воздействия составляет 1…2 %, поэтому в расчете эффективной мощности Px не учитывается. Отсюда получим
Nе = Рz V/1020 60.
Знание требуемой эффективной мощности необходимо для определения возможности резания данной заготовки на данном станке, имеющем заданную мощность привода Nэ.д. С учетом коэффициента полезного действия кинематических цепей станка потребная мощность электродвигателя станка Nэ.д может быть определена по формуле
Nэ.д = Nе/ .
При расчетах Nэ.д коэффициент перегрузки Кп = 1,3…1,5.
169
Контрольные вопросы и задания
1.Какие деформации и напряжения возникают в процессе резания?
2.В чем заключается физическая сущность процессарезания?
3.Какие типы стружек при резании пластичных и хрупких материалов вы знаете?
4.Что такое усадка стружки?
5.Какие методы завивания и дробления сливной стружки вам известны?
6.В чем особенность физики явления наростообразования при резании материалов?
7.Как условия обработки влияют на высоту нароста?
8.В чем заключаются положительные и отрицательные стороны нароста?
9.Какие существуют методы борьбы с наростом?
10.Какая система сил действует на передней и задней поверхностях инструмента?
11.Как составляющие силы резания зависят от условий обработки?
12.Как геометрические параметры резца влияют на составляющие силы резания?
13.Какие методы определения сил резания вам известны?
14.Почему при обработке резанием возникают вибрации
ишум?
15.Напишите эмпирические формулы для расчета составляющих силы резания.
16.В чем отличие работы и мощности резания от работы
имощности в физике?
170