книги из ГПНТБ / Лазарев, Г. С. Устойчивость процесса резания металлов
.pdfМ И Н И С Т Е Р С Т ВО В Ы С Ш Е Г О И СРЕДНЕГО С П Е Ц И А Л Ь Н О Г О О Б Р А З О В А Н И Я Р С Ф С Р
В О Р О Н Е Ж С К И Й ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Г. С. ЛАЗАРЕВ
УСТОЙЧИВОСТЬ
ПРОЦЕССА
РЕЗАНИЯ
МЕТАЛЛОВ
АЛОСКВА « В Ы С Ш А Я Ш К О Л А » 1973 г.
}ЭКЗЕМПЛЯР
j Ч И Т А Л Ь Н О Г О , < 3 A M
В книге показано, что в процессе резания при упругих откло нениях вершины резца или оси детали от положения, которое они занимают в установившемся режиме работы, возникают динамиче ские силы — равнодействующие сил резания и сил упругости. Эти •силы необходимо учитывать при расчетах режимов резания, проч ности режущего инструмента н металлорежущего станка.
Совокупность динамических сил в окрестности рабочей части инструмента образует силовое поле. Структура динамических сило вых полей зависит от жесткости станка, режима резания н других условий обработки и определяет устойчивость процесса резания. Структурный анализ динамических силовых полей позволил уста
новить механизм |
возникновения |
различных типов вибрации |
— вы |
|||
сокочастотных и |
низкочастотных, |
а также механизм |
апериодической |
|||
неустойчивости |
(подрывания |
резца), |
нарушающих |
процесс |
резания. |
|
Н а ряде примеров показана |
методика |
расчета станка на виброустой |
||||
чивость. |
|
|
|
|
|
|
Книга предназначена для инженеров-технологов и конструкторов, занимающихся обработкой металлов резанием, она может быть ис пользована научными работниками, аспирантами и студентами выс ших учебных заведений.
Редакторы: проф., докт. техн. наук В. Н. Подураев,
проф., канд. техн. наук Л . К. Кучма.
Рецензенты: проф., докт. техн. наук В. Ф. Бобров,
канд. физ.-мат. наук А. Н. Вейссенберг.
(С) Заказ Воронежского политехнического института. 1973 год.
Григорий Соломонович Лазарев
У С Т О Й Ч И В О С Т Ь П Р О Ц Е С С А Р Е З А Н И Я М Е Т А Л Л О В
Редактор П. П. К о т о в Технический редактор Р. С. Р о д я ч е в а
Корректор Р. К. К о с и н о в а
Т-14155 Сдано в набор 22/V-73 г. Подп. к печати 4/Х-73 г. Формат 60х801/1 6 . Объем 11,5 печ. л. Уч-изд. л. 10.80.
Изд № УМО-5731. Тираж 1000 экз. Заказ 10452. Цена 62 коп. Москва. К-5Г.'Неглинная -ул..-д. 29/14,
Издательство «Высшая школа»
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
О Г Л А В Л Е Н ИЕ |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Стр. |
Предисловие |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
||||
Исходные |
положения |
структурной теории устойчивости процесса резания |
8 |
||||||||||||||||||||
Г л а в а |
|
I. Расчетная |
модель |
упругой |
системы станка |
|
|
15 |
|||||||||||||||
§ |
I. Упругая |
система |
резец — суппорт |
|
|
|
|
|
|
16 |
|||||||||||||
|
|
1. |
Вывод |
уравнений |
радиальной |
и ортогональной |
податливости . . |
16 |
|||||||||||||||
|
|
2. |
Анализ |
|
уравнения |
радиальной податливости |
|
|
|
18 |
|||||||||||||
|
|
3. |
Свойство |
уравнения |
радиальной |
податливости |
|
|
20 |
||||||||||||||
|
|
4. |
Экспериментальное |
определение |
параметров |
жесткости |
упругой |
|
|||||||||||||||
|
|
|
системы |
резец — суппорт |
|
|
|
|
|
|
|
|
21 |
||||||||||
|
|
5. |
Мгновенный |
полюс поворота |
упругой |
системы |
резец — суппорт . |
27 |
|||||||||||||||
|
|
6. |
Эллипс |
перемещений |
и диаграмма |
жесткости |
|
|
|
29 |
|||||||||||||
|
|
7. |
Податливость |
|
упругой |
системы |
резец — суппорт |
|
|
32 |
|||||||||||||
§ |
2. |
Упругая |
система |
деталь — опоры станка |
|
|
|
34 |
|||||||||||||||
§ 3. Расчетная модель упругой |
|
системы |
станка в относительном |
движении |
40 |
||||||||||||||||||
Г л а в а |
|
I I . Поле |
динамических |
сил |
в |
области вершины резца . . . |
44 |
||||||||||||||||
§ |
1. |
Поле |
силы |
упругости |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
44 |
|||||||
§ |
2. |
Поле |
силы |
резания |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
49 |
||||||
§ |
3. |
Поле |
динамических |
сил (базовое |
поле) |
|
|
|
|
53 |
|||||||||||||
|
|
1. |
Образование |
динамических |
сил |
|
|
|
|
|
|
53 |
|||||||||||
|
|
2. |
Изодииампческое |
поле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5/ |
||||||||
|
|
3. |
Силовое |
поле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
59 |
|||||
|
|
4. |
Дорога |
|
неустойчивости |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
67 |
|||||||
|
|
5. |
Оценка |
|
эффективности |
структурной |
неустойчивости |
. . . . |
72 |
||||||||||||||
|
|
6. |
Формулы |
для |
расчета |
динамических |
сил |
|
|
|
73 |
||||||||||||
Г л а в а |
|
I I I . Структурная |
теория |
устойчивости процесса |
резания |
77 |
|||||||||||||||||
§ |
1. |
Основные |
|
теоремы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
77 |
||||||
§ |
2. |
Структурный |
критерий |
устойчивости |
|
|
|
|
|
83 |
|||||||||||||
§ 3. Анализ неравенств структурного |
критерия устойчивости . . . . |
85 |
|||||||||||||||||||||
Г л а в а |
IV. Влияние |
жесткости упругой системы станка и режимов об |
|
||||||||||||||||||||
работки на |
устойчивость |
процесса |
резания |
|
|
|
|
92 |
|||||||||||||||
§ 1. |
Основные параметры, определяющие структурную устойчивость про |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
цесса |
резания |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
92 |
|||||
|
|
1. |
Растачивание |
|
отверстия |
консольной |
оправкой |
|
|
93 |
|||||||||||||
|
|
2. |
Обработка нежесткой детали в центрах |
|
|
|
97 |
||||||||||||||||
|
|
3. |
Обработка |
деталей |
резцом |
с |
большим вылетом |
|
|
99 |
|||||||||||||
§ |
2. |
Влияние |
|
глубины |
резания |
на |
виброустойчивость |
|
|
|
102 |
||||||||||||
§ |
3. |
Влияние |
|
главного угла |
в |
плане |
резца на виброустойчивость . . . |
107 |
3
§ |
4. |
Влияние ориентации главных ocei'i жесткости |
упругом системы стан |
||||||||||
|
|
ка |
на инброустойчнвость |
|
|
|
|
|
|
||||
§ |
5. |
Влияние |
жесткости |
упругой системы |
станка |
на инброустойчнвость |
|||||||
Г л а в а |
V. |
Устойчивость |
процесса |
резания |
при |
некоторых |
специальных |
||||||
видах обработки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
§ |
I. Устойчивость |
процесса |
резания |
при |
точении |
широкими |
резцами |
||||||
§ |
2. |
Апериодическая неустойчивость |
процесса |
резания |
|
||||||||
•§ 3. |
Устойчивость |
процесса |
резания |
по |
длине |
детали |
|
§4. Устойчивость процесса резания в зависимости от способа установки резца в стайке
Г л а в а V I . |
Влияние физических |
явлений, сопровождающих |
стружкооб - |
|||||
разование, на |
устойчивость |
процесса |
резания |
|
|
|||
§ |
1. |
Влияние |
сил трения на устойчивость процесса |
резания . . . . |
||||
§ |
2. |
Влияние |
наростообразоваиия |
на |
устойчивость |
процесса |
резания |
|
§ |
3. |
Устойчивость процесса |
резания |
при обработке |
по следу |
|
•§ 4. |
Анализ |
работы |
силы |
резания |
при движении вершины |
резца по |
||||
эллипсу |
перемещений |
|
|
|
|
|
||||
Г л а в а |
V I I . Повышение |
устойчивости процесса резания и точности об |
||||||||
работки |
на |
токарных |
станках |
с программным управлением . . . . |
||||||
§ |
1. |
Обработка |
заготовки |
с |
формообразующим проходом |
. . . . |
||||
§ |
2. |
Обработка |
заготовки |
в один |
проход с программированной настрой |
|||||
|
|
кой |
по |
глубине |
резания |
|
|
|
ПРЕДИСЛОВИЕ
Перед технологом, создающим технологический процесс меха нической обработки современных металлов, стоит задача — на основе физических и механических свойств этих материалов, раз меров заготовки выбрать станок, разработать схему настройки, конструкции инструментов и режимы резания, обеспечивающие
наиболее |
производительную |
и экономичную обработку. Для это |
|
го |
необходимо знание основных закономерностей, связывающих |
||
в |
первую |
очередь параметры |
системы станок--приспособление — |
инструмент — деталь (СПИД) с получаемыми результатами об работки: производительностью и точностью обработки, качест вом поверхности, стойкостью инструмента. В выяснении этой вза имосвязи большое место занимает успешное решение задачи обеспечения устойчивого процесса резания, т. е. устранение виб раций.
Основными характерными особенностями современных мето дов обработки резанием являются:
1) непрерывно возрастающая интенсификация выполнения про цессов резания вследствие увеличения нагрузки иа режущую кром ку (скоростное, силовое резание, рациональная конструкция и гео
метрия заточки инструмента, и т. п.), применение |
многолезвийных |
|
инструментов к комбинированных |
многсжиструментных настроек; |
|
2) автоматизация производства, |
в том числе |
использование |
программного управления и саморегулирующихся систем с элект ро-, гндро- и пневмоприводами;
3) обработка новых или усовершенствованных машинострои тельных материалов с высокими прочностными, жаростойкими, кор розионными свойствами.
Дальнейшее развитие указанных высокопроизводительных ме тодов механической обработки находится в прямой зависимости от создания методов обеспечения устойчивого процесса резания. Вибрации вызывают ухудшение качества обработанной поверхно сти, повышенный износ и выкрашивание инструмента, понижают точность и долговечность станка и приспособления и приводят к снижению производительности процесса резания.
Возникновение вибраций при обработке резанием характери зуется возмущающими силами и свойствами упругой системы; соотношение между этими параметрами определяет как возмож ность возникновения вибраций, так и их интенсивность, т. е. ампли туду и частоту.
5
Возмущающие силы в зависимости от физического существа
механизма возбуждения вибраций, действующего |
на систему |
СПИД, могут создать колебания различных видов п |
прежде все |
го вынужденные колебания и автоколебания («самовозбуждаю щиеся» колебания). Помимо этого, при отдельных видах механи ческой обработки существенное значение иногда приобретают дру гие виды колебаний, обусловленные изменением одного из пара метров системы СПИД, например, жесткости по времени (пара метрическое возбуждение колебаний), а также собственные зату хающие колебания, возникающие при мгновенном приложении и снятии силы, что происходит при врезании или выходе режущей
кромки инструмента из обрабатываемого |
материала. |
Настоящая книга содержит обстоятельное исследование упру |
|
гих свойств системы СПИД в процессе |
резания (главы I — I I ) , |
а также причин возникновения автоколебаний и средств их устра
нения за счет выбора рациональных свойств системы |
(главы |
I I I — |
V I I ) ; известно, что последнее направление является |
наиболее |
эко |
номически эффективным. |
|
|
Разработке теории автоколебаний при резании посвящен ряд капитальных исследований — Н. А. Дроздова, A. PL Каширииа, А. П. Соколовского, Д. Н. Решетова. В настоящей работе предла гается оригинальный метод анализа устойчивости процесса реза ния на основе рассмотрения поля динамических сил в области вер шины резца и использования структурного критерия устойчиво сти. Автор использует физическую модель возникновения автоко лебаний, обусловленную координатной связью упругой системы СПИД, имеющей минимум две степени свободы с процессом ре зания. Эта теория была разработана исследованиями В. А. Кудпнова (ЭНИМС) и И. Тлустого (ЧССР). В книге разработана ин женерная методика расчета виброустойчнвости; она подтверж дается экспериментально и иллюстрируется конкретными число выми примерами анализа типовых операций механической обра ботки.
Настоящая книга излагает результаты исследования автора, выполненные им после опубликования первой книги [43]. Автором
предлагается |
метод |
определения параметров жесткости |
отдель |
ных упругих |
систем |
резец — суппорт и деталь — опоры |
станка, |
основанный на анализе полярных диаграмм податливости. Полу ченные уравнения радиальной и ортогональной податливости си стемы резец — суппорт и деталь — опоры станка значительно уточ няют существующее представление об «эллипсе» жесткости и мгно венном полюсе поворота.
Структурная теория устойчивости процесса резания позволяет рассчитать и объяснить влияние различных параметров режима резания, геометрии заточки инструмента и жесткости упругой си стемы станка на устойчивость процесса резания и довести теорию до стадии технологического расчета. В частности установлено, что по длине обрабатываемой детали возможно существование крити-
6
ческой области автоколебаний, характеризующейся исключитель но низкой впброустойчнвостыо.
Полученные расчетные зависимости интенсивности автоколе баний удовлетворительно согласуются с известными данными и опытами автора. В книге разобраны практические задачи расчета устойчивости станка в процессе резания и выявлены условия, обес печивающие устойчивый режим работы. Знание динамических свойств системы СПИД позволяет автору анализировать и условия резания при наличии вынужденных колебаний, например, под дей ствием неуравновешенных центробежных сил.
Автоколебание при резании представляет собой с точки зре ния построения инженерной методики весьма сложную задачу. Причины возникновения автоколебаний, механизм этого явления остаются до сих пор не полностью установленными; до настоящего времени нет достаточно полной теории, несмотря на то, что во мно гих странах проблеме устойчивости процесса резания уделяется много внимания; только в последние годы по этому вопросу вы шло несколько монографий. Настоящая работа также не учитывает всего многообразия этого явления. Автором принимается один фи зический механизм возмущения автоколебаний, указанный выше. Весь анализ приведен применительно к одному виду обработки — точению. В качестве основного механизма демпфирования прини маются только силы трения в зоне резания. Ряд положений ав тора дискуссионен. Вместе с тем книга отличается методически четким изложением основных положений теории автоколебаний. Учитывая изложенное, она будет безусловно полезна как для ин женерно-технических работников металлообрабатывающих заво дов и НИИ, так и для студентов и аспирантов вузов.
Проф., докт. техн. наук В. Н. Подураеа
ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СТРУКТУРНОЙ ТЕОРИИ УСТОЙЧИВОСТИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ
В металлообработке есть проблемы, которые не нашли еще достаточно полного решения, несмотря на свою актуальность. Это в первую очередь относится к устойчивости процесса резания. Виб рации (автоколебания) часто возникают даже при работе на со временных металлорежущих станках.
Значительный вклад в проблему устойчивости процесса реза ния внесли В. А. Кудинов и И. Тлустый, которые независимо друг от друга разработали «теорию координатной связи», расчетная схема которой послужила отправным пунктом при разработке структурной теории устойчивости, изложенной в книге автора «Ав токолебания при резании металлов» [43]. Предлагаемая работа яв ляется дальнейшим развитием структурной теории устойчивости при резании металлов, которая основана на анализе динамических си ловых полей в области вершины резца. В устойчивом режиме ре зания, когда автоколебания отсутствуют, равнодействующая всех сил, приложенных к рабочей части инструмента, равна нулю. В противном случае резец не был бы в покое, а совершал уско ренное движение. Две группы сил обеспечивают равновесие ин струмента— силы резания и силы упругости (восстанавливающие силы). При токарной обработке силы упругости возникают в ре зультате деформации упругой системы резец — суппорт под дей ствием сил резания. Равнодействующая сил упругости в устано вившемся режиме работы Т0 равна и противоположно направлена равнодействующей сил резания Ро. Однако это равновесие соблю дается лишь в одном-единственном положении вершины резца, которое определяется параметрами жесткости станка и режимом обработки. Это значит, что когда период врезания прошел к на ступил период установившейся работы, условия резания опреде ляют единственное положение равновесия, когда деформация си
стемы |
резец — суппорт приводит к возникновению силы упруго |
сти Т0, |
уравновешивающей активную силу Ро. |
Установившийся процесс резания протекает без изменения кинематической настройки системы СПИД (станок—приспособ ление— инструмент — деталь). Однако случайные факторы — срыв нароста, неравномерность припуска на обработку и др. — могут привести к отклонению вершины резца из положения равновесия. Такое отклонение естественно рассматривать для любого равно весного положения механической системы, имеющей одну пли
8
несколько степеней свободы. И устойчивость равновесия опреде ляется теми новыми значениями сил, которые возникают в откло ненном положении. Так, маятник имеет два положения равнове сия — нижнее и верхнее (рис. 1а. б), для которых равнодействую щая силы веса и реакции стержня маятника равна нулю. Однако в нижнем положении равновесия, при случайном отклонении маят ника, возникает равнодействующая сила F, стремящаяся возвра тить маятник в положение равновесия. В то же время в верхнем положении, при любом малом отклонении маятника, равнодейст вующая силы веса и реакции связи стремится увеличить откло нение.
Можно определить и построить силы F для ряда |
отклонен |
ных положений маятника. Линия АВ, в каждой точке которой си |
|
лы F являются касательными, называется силовой линией. Легко |
|
видеть, что в случае устойчивого положения равновесия |
силовая |
линия образует сходящуюся систему сил (рис. 1,с). Если положе
ние равновесия |
неустойчиво |
(рис. 1, б), |
силовая линия |
CD |
обра |
|||
зует расходящуюся систему сил. |
неуравновешенной силы F |
|||||||
На рис. 1,3 |
показано образование |
|||||||
и силовой линии ЕИ |
на примере груза, |
подвешенного |
на |
пружине. |
||||
Если груз отклонить |
из положения равновесия, то в |
любой |
точке |
|||||
М образуется неуравновешенная сила F, |
равная векторной |
сумме |
||||||
силы тяжести Р и силы упругости Т. Направление сил F на сило |
||||||||
вой линии ЕН |
указывает, |
что положение |
равновесия |
устойчиво. |
В рассматриваемых примерах система обладает одной сте пенью свободы и, кроме того, сила тяжести и сила упругости яв ляются консервативными, т. е. колебаний с нарастающей ампли тудой в таких системах возникнуть не может. Однако принцип образования силовых линий и связь устойчивости равновесия с ти пом силовых линий здесь совершенно очевидна.
Анализ сил, приложенных к резцу, в процессе резания пока зывает, что как только вершина резца получит какое-либо малое •смещение из положения равновесия (установившегося режима ра боты), возникает равнодействующая силы резания и силы упруго сти, не равная нулю.
Для определения равнодействующей достаточно рассчитать силу резания и силу упругости в отклоненном положении верши ны резца, а затем векторно сложить эти силы. Для этого при рас чете силы резания рассматривается новое (отклоненное) положе ние вершины резца, как положение установившегося режима ра боты, для которого изменилось лишь сечение срезаемого слоя. При этом не учитывается влияние на силу резания таких явлений, как запаздывание силы резания от перемещения или падающая харак теристика силы трения. Это значит, что для отклоненного положе ния определяется статическое значение силы резаиия, т. е. то зна чение, которое может быть замерено динамометром при устано вившемся режиме работы или получено расчетом по известным экспериментальным зависимостям для нового значения площади •срезаемого слоя металла в отклоненном положении вершины резца.
9