714

мативные. В последнее время и у нас в стране, и за рубежом, все большее внимание специалистов привлекает диагностика механической обработки на основе анализа высокочастотных динамических явлений различной физической природы: акустической эмиссии (АЭ); электромагнитного излучения (ЭМИ); экзоэлектронной эмиссии (ЭЭЭ).

В качестве информативных диагностических признаков эмиссионные процессы обычно используют амплитудные, частотные

идругие 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 технологических 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

идругими 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.

141

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.

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–де- таль, 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;

142

4)специфические закономерности процесса трения при малых скоростях относительного скольжения (суппорта, головки и других узлов).

К физическим явлениям, вызванным совместным взаимодействием факторов, относятся:

1)явление координатной связи упругих деформаций системы

снесколькими 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 ее удельного веса в общем энергетическом балансе системы.

Основными средствами устранения вибраций или уменьшения их интенсивности, т.е. обеспечения устойчивости процесса резания, являются:

1)правильный выбор параметров системы станок–приспособ- ление–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 и обеспечивающих в целом наиболее рациональную схему нагружения системы станок–приспособление–инструмент–деталь;

4)улучшение динамических свойств системы станок–приспо- собление–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.

143

2.4.8. 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 · V nРz Kм Kϕ Kγ Kr Kh KСОТС, Н,

Ру = СPу t xPу · S yPу · V nРy Kм Kϕ Kγ Kr Kh KСОТС, Н,

Рх = СPх t xPх · S yPх · V nРх Kм Kϕ Kγ Kr Kh KСОТС, Н,

где СРz – постоянная, зависящая от обрабатываемого материала, учитывает стандартные условия резания, например, для стали 45: σb =

=75 кгс/мм2; γ = 10°; α = 8°; ϕ = 45°; λ = 0°; r = 2 мм; hз = 0,8…1,0 мм;

х, у, n – показатели степени для стандартных условий 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.

2.4.9. 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 складывается из работы упругой Аупр и пластической Апл деформации, работы скалывания и сдвига элементов стружки по плоскости сдвига Асд,

144

работы трения по передней Ат.п и задней Ат.з поверхностям инструмента. Можно записать для работы резания, что

А = Апл + Аупр + Асд + Ат.п + Ат.з.

Работа и мощность, затрачиваемые на резание, зависят от действующих составляющих силы резания и скорости резания.

Мощность, затрачиваемую на резание, называют эффективной мощностью. Она учитывает действие всех трех составляющих силы резания.

Поэтому можно записать:

Ne = Nz + Ny + Nx.

Если выразить силу в килоньютонах, скорость в м/мин, 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.

В направлении 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 (кВт):

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 η потребная мощность электродвигателя станка Nэ.д может быть определена по формуле

Nэ.д = Nе/η.

2.5.Контрольные вопросы и задания

1.Какие деформации и напряжения возникают в процессе резания?

2.В чем заключается физическая сущность процесса резания?

145

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 и шум?

15.Напишите эмпирические формулы для расчета составляющих силы резания.

16. В чем отличие работы и мощности резания от работы и мощности в физике?

Глава 3 ТЕПЛОФИЗИКА ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

3.1.Температура резания и тепловое поле

3.1.1.Источники образования тепла и распределение тепла между стружкой, инструментом и деталью

Опытами П.А. Ребиндера и Г.И. Епифанова установлено, что при резании конструкционных материалов более 99,5 % работы резания переходит в тепло. Таким образом, если работа резания или

146

любая ее составляющая выражена в кгс·м/мин, то соответствующее им количество выделяемого тепла

Е

Qi = 427i , ккал/мин.

На основании этого количество тепла, образующегося при резании, можно определить с помощью выражения

Q = Qд +Qт.п + Qт.з.

Расположение источников тепла представлено на рис. 82, а. Тепло деформации Qд образуется в зоне сдвигов на условной плоскости сдвига; тепло трения на передней поверхности Qт.п – в пределах площадки контакта между стружкой и инструментом шириной с; тепло трения на задней поверхности Qт.з – в пределах площадки контакта между поверхностью резания и инструментом. Образовавшееся тепло распространяется из очагов теплообразования к более холодным областям, распределяясь между стружкой, деталью и инструментом.

Рис. 82. Источники образования тепла в зоне резания (а) и распределения его в стружку, инструмент и деталь (б)

Между стружкой, деталью и инструментом устанавливаются следующие тепловые потоки (рис. 82, б). Часть тепла деформации Qд.с от условной плоскости сдвига переходит в стружку. Из зоны тре-

147

ния на передней поверхности в стружку переходит часть тепла трения, равная Qт.п – Qп, где Qп – тепло, уходящее в инструмент.

Таким образом, температура стружки Qс определяется суммарным тепловым потоком:

Qс = Qд.с + Qт.п – Qп.

Часть тепла деформации Qд.дет от условной плоскости сдвига переходит в деталь. Туда же из зоны трения на задней поверхности переходит часть тепла трения, равная Qт.з – Qз, где Qз – тепло, уходящее

винструмент. В результате этого интенсивность теплового потока

вдеталь Qдет = Qд.дет + Qт.з – Qз.

Температурное поле режущего клина инструмента устанавливается в результате действия суммарного теплового потока Qи с интенсивностью

Qи = Qп + Qз.

На основании этого можно составить выражение, описывающее расход образовавшегося при резании тепла:

Q = Qс + Qдет + Qи + Qср.

где Qср – количество тепла, уходящего в окружающую среду. Выражения в совокупности описывают тепловой баланс при резании материалов.

Поскольку образовавшееся тепло пропорционально совершаемой работе, количество тепла зависит от рода и механических свойств материала обрабатываемой детали, геометрических параметров инструмента и режима резания. На процентное распределение тепла между стружкой, деталью и инструментом главное влияние оказывают механические и теплофизические свойства материала детали и скорость резания.

В 1915 году Я.Г. Усачев установил, что наибольшее количество тепла переходит в стружку, составляя при обработке стали от 60 до 85 % от общего количества тепла. С увеличением скорости резания доля тепла, уходящего в стружку, увеличивается, а ее средняя температура растет. Исследования последних лет показали, что процент-

148

ное распределение тепла сильно зависит от рода обрабатываемого материала.

При постоянной скорости резания средняя температура стружки

ираспределение тепла между стружкой, инструментом и деталью зависят главным образом от работы, расходуемой на резание, и теплопроводности обрабатываемого материала.

Средняя температура стружки при обработке стали значительно выше, чем при обработке чугуна и особенно алюминия, что вызвано как большей работой пластического деформирования, так и работой трения на передней поверхности. Уменьшение количества тепла, уходящего в стружку, при обработке чугуна связано с элементным типом стружки при его резании. Вследствие более высокой теплопроводности алюминия по сравнению со сталью и чугуном тепло из зоны деформации интенсивно распространяется в деталь, тем самым резко уменьшая количество тепла, остающегося в стружке.

Количество тепла, уходящего в инструмент, очень мало и при резании любых материалов с любыми режимами обработки намного меньше количества тепла, уходящего в стружку и деталь. Основной причиной низкой интенсивности теплоотвода в инструмент является более низкая теплопроводность инструментального материала по сравнению с обрабатываемым. Уменьшение количества тепла, отводимого в инструмент, при обработке хрупких материалов связано также с элементным видом стружки, при образовании которой отсутствует постоянный контакт между стружкой и передней поверхностью.

Распределение тепла между стружкой, деталью и инструментом коренным образом изменяется при увеличении скорости резания: количество тепла, уходящего в стружку, возрастает, а уходящего в деталь и инструмент – уменьшается. Например, при точении стали 40Х со скоростью резания 20…50 м/мин в стружку уходит в среднем около 45 % тепла, а в деталь и инструмент – соответственно 47 %

и4,5 %; при скорости резания 100…300 м/мин в стружку уходит 75 % тепла, а в деталь и инструмент – соответственно только 22 %

и1,5 %.

149

Уменьшение доли тепла, переходящего в деталь при увеличении скорости резания, вызвано изменением соотношения между скоростью резания и скоростью распространения тепла из зоны деформации. Из очага теплообразования на условной плоскости сдвига (см. рис. 82) в деталь течет тепловой поток Qд.дет. Скорость распространения тепла зависит от градиента температур на условной плоскости сдвига и в детали и температуропроводности обрабатываемого материала. Если скорость резания, т.е. скорость, с которой режущий клин инструмента пересекает тепловой поток, мала, то тепло от условной плоскости сдвига беспрепятственно перейдет в деталь. По мере увеличения скорости резания клин инструмента все быстрее пересекает тепловой поток, и поэтому в деталь успевает перейти меньшее количество тепла и все большее количество тепла остается

встружке. Уменьшение доли тепла, уходящего в инструмент, при увеличении скорости резания связано с уменьшением ширины площадки контакта на передней поверхности, через которую тепло из стружки переходит в инструмент.

На теплосодержание стружки и ее среднюю температуру оказывает влияние режим резания: глубина резания, подача и скорость резания. При увеличении глубины резания удельное количество тепла

встружке уменьшается, при увеличении подачи практически остается постоянным, а при увеличении скорости резания возрастает. Увеличение глубины резания и подачи сопровождается уменьшением средней температуры стружки. При увеличении же скорости резания средняя температура стружки вначале интенсивно возрастает, а затем, после достижения скоростью резания определенного значения, рост температуры почти прекращается и она мало зависит от дальнейшего увеличения скорости. При этом средняя температура стружки стремится к некоторому пределу, величина которого определяется родом и механическими свойствами обрабатываемого материала, геометрическими параметрами инструмента, глубиной резания и подачей.

Несмотря на то, что доля тепла, уходящего в инструмент, очень

мала, средняя температура θ на передней поверхности инструмента

150