Общая функциональная зависимость. производительности процесса резания. от технологических условий обработки

Для получения сравнительных количественных дан­ных по производительности процессов резания (например, точения) разных сталей необходим критерий, по которому можно было бы проводить соответствующие сравнения. Оценка сопротивления металлов пластическому деформи­рованию обычно производится по величине тех или иных напряжений, возникающих в зоне резания.

Критические точки напряжений, полученные при мед­ленных деформационных испытаниях, не соответствуют значениям напряжений при скоростных деформациях резанием [16]. Например, Н. Н. Зорев определял силу

тивление обрабатываемого металла сдвигу при относи­тельном сдвиге, равном 2,5.

Н. И. Ташлицким было установлено, что влияние механических свойств сталей на их обрабатываемость при точении быстрорежущими резцами следует оценивать по ее действительному пределу прочности. Было пока­зано, что действительный предел прочности, по-видимому, пропорционален возникающему в контактном слое про­дольной текстуры стружки и максимальному касатель­ному напряжению, от которого зависит удельная работа и, следовательно, удельное количество теплоты, выде­ляющейся в этом слое.

Аналогичные критерии, связанные главным образом с величиной касательных напряжений в зоне сдвига, приводятся и в других работах.

Обрабатываемый металл в зоне резания характери­зуется сложнопластическим состоянием, а сдвиг элементов металла и образование стружки являются результатом пластического течения металла в направлении наимень­шего сопротивления, сопровождаемого определенными величинами нормальных и касательных напряжений в этой зоне. Работы в области теории пластичности свидетель­ствуют, что основные физические закономерности этой теории применимы к любому виду сложнонапряженного состояния деформируемого металла с той или иной сте­пенью точности.

Теория больших пластических деформаций для оценки сложнонапряженного состояния металла использует обоб­щенный показатель напряженного состояния — интенсив­ность напряжений численная величина которой зависит от нормальных и касательных напряжений и больше каждой из них, т. е. величины касательных и нормальных напряжений являются численно частью величины интен­сивности напряжений. Таким образом, эта величина характеризует напряженное состояние во всех объемах металла, воспринимающих внешнее силовое воздействие инструмента, а не только в зоне сдвига. В связи с этим этот критерий более полно характеризует напряженное состояние во всей напряженной зоне резания и, следова­тельно, более правильно отражает сопротивление сталей деформации резанием.

Наряду с этим основной физический закон больших пластических деформаций (к которым относятся процессы резания металлов) ставит напряжения в зависимость от степени деформации et-, скорости деформации е(. и тем­пературы деформируемого металла U °С. Процессы реза­ния и шлифования металлов являются скоростными про­цессами, в которых скорость деформации на 6—10 по­рядков отличается от скорости деформации стандартных механических испытаний. Поэтому следует учитывать изменение напряжений в зоне резания от высокой ско­рости деформации особенно при высокой температуре. Тем более, что скорость деформации отражает не только скорость резания, но обобщает влияние комплекса тех­нологических условий обработки — геометрию инстру­мента (передний угол), свойства материала (расположе — 16 пие и величину зоны сдвига, степень усадки стружки и степень деформации).

Таким образом, теоретические положения теории пла­стичности дают в качестве критерия для оценки сопро­тивления пластическому деформированию интенсивность напряженного состояния стг. при скорости деформации

и температуре, присущих исследуемому процессу обра­ботки. Этим критерием на практике пользуются при прокатке и обработке давлением, находя практические пути экспериментального определения приближенных зна­чении этой величины по результатам простого испытания образцов на растяжение или сжатие. Очевидно, такой путь позволит приблизиться к более правильному пони­манию физических причин различной обрабатываемости материалов и получить более точные численные значения сил резания.

Переходя к теоретическому установлению логических связей, определяющих производительность процессов об­работки, рассмотрим пример обработки однолезвийным режущим инструментом, например резцом, как более простой по сравнению с шлифованием, где происходит одновременное взаимодействие многих зерен-резцов с об­рабатываемым металлом.

Для количественной оценки производительности обра­ботки разных сталей с учетом различных технологических условий (внешней силы резания, затупления инструмента) ниже выведена общая (для любых процессов резания) структура формулы, функционально связывающая про­изводительность обработки с рядом определяющих техно­логических параметров процесса.

В общем виде работа деформации Л0 для объема металла w по данным М. В. Сторожева составляет

•Ъ = j J J <V, dw,

W

а в движущейся вместе с инструментом системе координат эту формулу можно представить в следующем виде

Ы = 0)

W

где іV — мощность деформации;

о( — интенсивность напряжений в движущемся объ­еме деформируемого металла, которая по дан — 2 Корчак 17

ным работы [57 ] в наиболее полной мере харак­теризует сопротивление металла пластическому течению и выражается в общем случае через со­ставляющие напряжений разных направлений (для плоской схемы деформации):

е,- — интенсивность деформаций;

ег — интенсивность скорости деформаций.

Из формулы (1) мощность деформации для плоской схемы резания (см. рис. 29)

sin Pi ’

где ау — толщина среза;

Pi—угол сдвига;

т — средняя толщина зоны пластического сдвига.

Учитывая, что мощность резания может быть выра­жена через равнодействующую силу резания Rs и ско­рость резания су (для шлифования) как N = RsVK cos р, получим равенство:

л ___ * ОиГП

ЯЛСО8р=01в,—р7.

где р — угол между Rs и направлением ик. При

с< v^k

11 —-і ■ =» . _ ,

КЗ я V3т

и, следовательно:

R v — а, аи—==—!‘а. д — а, аи k’. у К з cos Р sinPi у

Равнодействующую сил резания раскладывают при свободном резании, как известно, на две составляющие — тангенциальную / и радиальную Ру, функции которых различны в системе СПИД. Тангенциальная составля-
ницая Р, совершает совместно с главным рабочим движе­нием работу резания, загружая силовой привод станка. () [повременно с Р. в процессе резания действует состав­ляющая Ру, вызывающая упругие деформации и отжатия и системе СПИД, колебания которых оказывают наиболь­шее влияние на точность размеров и форму деталей.

II реальных условиях обработки равновесие внешних ши резания и сил сопротивления сталей пластическому ■іс<|к>рмированию непрерывно нарушается от действия многих внешних причин — колебаний припуска, износа инструмента, неравномерности свойств обрабатываемого материала. При этом происходит перераспределение упру — in’, перемещений в замкнутом силовом контуре системы 1 ПИД, что приводит к колебаниям размера обработки, па грузки на инструмент, изменению характера вибраций и прочим нарушениям нормального хода процесса об­работки.

Роль составляющих сил резания Рг и Ру как техно — дщ пческих факторов, ограничивающих дальнейшее на — I ружение системы СПИД, не равноценна. При резании па постоянной подаче вместе с колебаниями припуска мілеблютея Рг и Ру. Но если изменение Рг отражается юлько на колебаниях мощности, затрачиваемой силовым приводом станка, и не отражается на точности детали, то изменения величин Ру приводят к появлению дипамиче — • кпх отклонений от точных размеров и формы детали (и результате колебаний упругих перемещений системы < МИД), т. е., как правило, приводят к невозможности получить с одного прохода точную деталь.

Определяющая роль радиальной составляющей силы резания в управлении упругими перемещениями, точ­ностью и производительностью обработки через автомати­ческое управление режимами резания всесторонне пока — і. іпа в трудах Б. С. Балакшина [2, 3].

Так, в работе [3] показана связь упругих перемещений шмыкающего звена (у) размерной цепи системы СПИД (размер детали) с силой резания Р и жесткостью состав­ляющих систему элементов /:

y = f(P, D-

Уравнения такого вида, составленные для различных ішдов и конкретных условий обработки, позволяют пра — мпльно попять появление отклонений размера у, а сле­довательно, и появление погрешностей обрабатываемых

деталей вследствие изменения силы резания Р, жесткости станка (/„ — жесткость передней бабки и /3 — жесткость задней бабки), режущего инструмента (/р — жесткость режущего инструмента) и других действующих факторов [2]. Аналогичные явления с отдельными изменениями их характера имеют место при всех видах обработки деталей на станках и других видах оборудования (например, прессах), а также в процессе эксплуатации подавляющего, большинства современных машин.

Анализ равенства [3] показывает, что на появление отклонений размера партии обработанных деталей, изме­ряемого у всех деталей в одном и том же поперечном сече­нии, наиболее существенное влияние оказывает отклоне­ние силы резания, так как жесткость системы может быть практически принята постоянной для каждого из выбран­ных сечений детали, т. е.

Из этого равенства следует, что для уменьшения откло­нения размера динамической настройки Ад, для повы­шения точности размера партии деталей, т. е. для выпол­нения условия Ад = const, необходимо стабилизировать силу резания Р или чтобы АР = 0. Эти положения яв­ляются определяющими для операций механической об­работки, в частности для шлифования [2, 3]. Произво­дительность шлифования для определенных условий об­работки (характеристика круга, режимы, жесткость и состояние станка) ограничивается точностью геометри­ческих форм и размеров детали, а также требуемой шеро­ховатостью поверхности.

При определенной жесткости станка и детали требуе­мая точность и производительность шлифования могут быть обеспечены только при условии, что величина и колебания радиальной силы не будут превышать некото­рого определенного значения.

При работе с ручной подачей осуществляется управле­ние упругими перемещениями инструмента, поддерживая заданную чертежом точность обработки путем стабили­зации средней радиальной силы шлифования или силы прижима круга к детали. Таким образом, стабилизация силы Ру на протяжении времени цикла обработки детали приводит к автоматическому поддержанию заданной точ­ности и качества обработки (рис. 1).

В реальном (неуправляемом адаптивно) процессе обра­ботки все факторы могут быть переменны. Однако для изготовления детали, годной по техническим условиям чертежа, даже при ручном управлении станками, опре-

Рис. 1. Влияние колебаний радиальной силы на точ­ность и качество обработки при шлифовании с ра­диальной подачей

деленные технологические параметры поддерживаются в возможных пределах постоянными на предельно допу­стимом уровне. Обычно это сила резания в направлении размера детали, т. е. Ру. В адаптивном процессе обработки (САУ), как известно, поддерживается режим обработки па предельно допустимой стабилизированной силе, с авто-

матическим обеспечиванием наивысшей для данной си­стемы СПИД производительности процесса.

При переменности всех факторов, действующих в про­цессе обработки, для установления закономерностей сле­дует часть из них отнести к задаваемым, управляемым или стабилизированным величинам, определяющим изго­товление годной (по техническим условиям чертежа) детали. Тогда появляется возможность исследовать влия­ние остальных факторов (неуправляемых и изменяющихся по объективным физическим условиям конкретных условий обработки) на производительность процесса. Следова­тельно, стабилизация радиальной силы по уравнению равновесия (2) позволяет оценивать влияние ряда техно­логических факторов на производительность процесса (па основе получения деталей одной точности).

Величина радиальной силы резания с учетом урав­нения (2) составит (см. рис. 29)

Pys = Rs sin 1) = о fly ■ = k&Qy, (3)

где — коэффициент, учитывающий долю напряжений, действующих в направлении силы PVt., для данной геометрии инструмента.

Оценивая производительность процесса шлифования по толщине среза ау, искомую зависимость можно за­писать

Эта зависимость справедлива в том случае, если инструмент не затупляется. Однако на зерне в процессе работы появляется площадка затупления по задней грани, непрерывно увеличивающаяся во времени /, (t), в соответствии с теми или иными закономерностями из­носа, характерными для рассматриваемых условий об­работки. Вместе с ростом площадки 13 на ней будут расти и силы радиального отжатия и трения, возникающие от напряжений под площадкой износа (на рис. 29 эта зона ограничена гиперболой). Таким образом в направле­нии радиального отжатия инструмента будут действовать две радиальных составляющих силы: РУз—от среза толщиной ау и Ру — от напряжений нормальных к пло­щадке износа /3. Последняя составляющая для плоской

схемы резания (см. рис. 29) может быть выражена Р»Гр = К2aiU (^)|

где k2— коэффициент, учитывающий долю напряжений, действующих под площадкой износа в направ­лении Ру.

Общая радиальная сила

Ру = Pys + PVip = k&fly k2otl3 (/).

При затуплении зерна круга и увеличении / величина толщины среза (ау) при Ру const уменьшается или при ау — const увеличивается Ру. Учитывая этот фактор, общая структурная зависимость взаимосвязи производи­тельности процесса шлифования (выраженная через тол­щину среза) с технологическими факторами приобретает вид:

„ _ РУ _ kfitlз (<) _

* *,о, *,а, ~

где k.2 — коэффициент, учитывающий геометрию инстру­мента и влияние /3 на увеличение Ру (при подаче s = const) или уменьшение s (при Ру — const); а—глу­бина резания.

А. Я. Малкин отмечал, что весь комплекс вопросов, изучаемых в современном учении о резании металлов, наиболее правильно будет разделить на два фактора. Первый фактор связан с изучением физико-механических и химических процессов, происходящих в материале при его механической обработке. Второй фактор заключается в изучении физико-механических и химических процессов, происходящих на поверхности режущего лезвия инстру­мента при различных внешних условиях.

Эти факторы нашли определенное отражение в фор­муле (6): обрабатываемость—в виде интенсивности на­пряженного состояния, зависящего от механических свойств материала при скорости деформации и темпера­
туре металла, характерных для исследуемого процесса обработки, а износ инструмента — в виде текущего зна­чения износа по задней грани, т. е. в функции времени — l3 (t). Установление общей зависимости (6) позволяет количественно определять меру относительного воздей­ствия тех или иных параметров процесса на производи­тельность обработки и прогнозировать изменение ее от изменения основных факторов.

Таким образом, формула (6) устанавливает в самом общем виде функциональную связь между производитель-

Рис. 2. Обобщенные факторы, влияющие на измене­ние относительной производительности шлифования

ностью процесса (в функции s) и тремя факторами: ра­диальной силой или силой любого другого направления, которая может быть использована для стабилизации или управления процессом; геометрией и величиной затупле­ния инструмента за время его работы и сопротивлением металла пластическому деформированию, оцениваемому интенсивностью напряжений в условиях температурно­скоростных интервалов деформаций, присущих рассма­триваемому процессу обработки.

Перечисленные факторы являются обобщающими (рис. 2), так как основаны на многих из возможных изме­нений исходных технологических параметров процесса обработки. Действие любых частных факторов (например, СОЖ на стойкость инструмента, свойств материала на силы) может быть исследовано под углом влияния их на производительность обработки деталей одной точности (при Ру = const) через обобщенные факторы, входящие в формулу (6).

Использование обобщенных факторов позволяет мате­матически формализовать взаимосвязь различных тех­нологических условий обработки. Полученная зависи­мость отражает самые общие физические (в контактной зоне) и технологические (в системе СПИД) связи между наиболее общими, определяющими производительность обработки, факторами. При исследовании конкретных процессов резания металлов формула (6) будет соответ­ствующим образом изменяться в зависимости от особен­ностей процесса нагружения инструмента, деформации (или иного вида разрушения) металла и поведения режу­щего инструмента.