Основные составляющие процесса резания и их параметры
|
Составляющие процесса |
Параметры | |
|
Наименование |
Обозначение | |
|
Кинематика |
Скорость главного движения Скорость движения подачи Толщина среза Ширина среза |
V S а b |
|
Пластическая деформация и разрушение |
Напряжения Относительный сдвиг Угол сдвига Сила стружкообразования |
, Rc |
Окончание табл. 12.3
|
Составляющие процесса |
Параметры | |
|
Наименование |
Обозначение | |
|
Трение, контактные явления |
Коэффициент трения Сила трения Высота нароста Передний угол |
FT HH |
|
Тепловые явления |
Температура резания Количество выделенной теплоты |
Q |
|
Химические процессы |
Химическая активность Химическое сродство Склонность к окислению |
– – – |
|
Электрические и магнитные процессы |
ТермоЭДС Сила тока Сопротивление зоны резания |
E I Rp |
Кинематика процесса резания – это закономерности относительного движения инструмента и заготовки без учета физических явлений, протекающих в зоне резания. При этом технологическая станочная система считается абсолютно жесткой и не зависящей от каких-либо физико-химических воздействий. Изучение и анализ кинематики резания имеет большое значение, поскольку при определенном соотношении скоростей абсолютных движений, которые совершаются при резании, кинематика определяет траекторию рабочего движения инструмента относительно детали.
Траектория рабочего движения совместно с геометрическими параметрами инструмента и скоростями абсолютных движений влияет на процесс стружкообразования, характер и интенсивность изнашивания и период стойкости инструмента. Кроме того, совокупность траекторий точек режущей кромки инструмента в процессе рабочего движения представляет собой поверхность резания, возникающую в процессе обработки, т.е. кинематика определяет форму поверхности резания и, как следствие, геометрию обработанной поверхности.
Упругие и пластические деформации срезаемого слоя являются одним из основных параметров процесса резания. Совместно с трением они обусловливают возникновение напряжений и деформаций в режущем лезвии, стружке и поверхностном слое детали, определяют уровень сил и работу резания.
Рис. 12.4. Схема процесса резания
Одним из важнейших явлений процесса резания является разрушение. Оно характерно для процесса стружкообразования и определяет характер работы режущего инструмента. При стружкообразовании разрушение может быть как основным, так и сопутствующим показателем. Основным оно будет при резании хрупких материалов, когда под воздействием передней поверхности инструмента непосредственно у режущей кромки образуется система трещин, развивается опережающая магистральная трещина и отделяется элемент стружки. При резании пластичных материалов разрушение происходит только после значительных упругих и пластических деформаций. Интенсивность их протекания зависит от схемы напряженного состояния, тепловых, химических и электромагнитных явлений и является основным параметром стружкообразования.
Как уже отмечалось, тепловые явления, сопровождающие процесс резания, являются одним из наиболее важных моментов в физико-химическом механизме этого процесса. Они определяют закономерности превращений энергии в различных процессах, сопровождающихся поглощением и выделением теплоты. Наиболее существенно при этом преобразование механической энергии в тепловую, вызывающее изменение температуры резания. Температурой резания устанавливается связь между химическим, структурным строением и физико-химическими свойствами исходного материала заготовки, с одной стороны, и стружки и поверхностного слоя обработанной детали – с другой.
Термоструктурные явления процесса резания вызывают изменения строения и физико-химических свойств обрабатываемого материала под действием сил и температур, возникающих при обработке. Наиболее интенсивно они протекают при энергонапряженных видах обработки, например, шлифовании, лезвийной обработке с высокими скоростями резания и т.д. При этом в результате действия высоких температур изменяется микроструктура поверхностного слоя, возникают значительные остаточные напряжения, микротрещины, изменяется дислокационная структура материала.
В свою очередь, термоструктурные изменения физико-механи-ческих свойств обрабатываемого материала оказывают обратное воздействие на тепловые и влияют на электрические и магнитные явления процесса резания. Так, на изменения в микроструктуре затрачивается значительное количество теплоты и, как следствие, стабилизируется уровень температур в зоне резания, несмотря на возрастание, например, скорости резания. Различия в микроструктурах материала влияют на его удельное электросопротивление, магнитную проницаемость, коэрцитивную силу и другие электромагнитные свойства.
Химические явления протекают вследствие возникновения на контактных площадках химически чистых (ювенильных) поверхностей. Они находятся в активном состоянии и существенно влияют на протекание процесса резания. Одной из причин этого является образование оксидных пленок, которые существенно снижают коэффициенты трения на контактных площадках, изменяют условия наростообразования и ряд других параметров процесса резания. Такой химический процесс, как диффузия, в значительной степени определяет интенсивность изнашивания и уровень стойкости режущего инструмента. Широкий диапазон химических явлений наблюдается в результате использования технологических сред. При этом изменяются как параметры процесса резания, так и эксплуатационные свойства поверхностного слоя детали. Интенсивность протекания химических явлений в значительной степени взаимосвязана с уровнем температур в зоне резания.
Электрические и магнитные явления обусловлены несколькими процессами, среди которых интенсивный нагрев зоны контакта и образование термоЭДС в замкнутой цепи станок – приспособление – инструмент – деталь возникновение ЭДС самоиндукции и др. Зону стружкообразования можно рассматривать как термоэлемент, создающий термоЭДС. Она зависит от пары инструментальный – обрабатываемый материал, а также от режимов резания, определяющих уровень температур в зоне резания, т.е. нагрев горячего спая температуры. Характер зависимостей E = f (V, s, t) такой же, как у известных зависимостей = f (V, s, t). Это свидетельствует о тесной взаимосвязи тепловой и электрической подсистем резания.
Таким образом, качество системы резания независимо от метода обработки определяется ее механическими, тепловыми, электрическими, магнитными, химическими и другими свойствами. В соответствии с этим систему резания можно разделить на ряд частных подсистем: механическую, тепловую и т.п. Все они являются замкнутыми, т.е. выход последнего элемента связан со входом в первый. Закономерности функционирования таких систем рассматривает теория автоматического регулирования.
Процесс резания с позиций теории автоматического регулирования. Цель оптимизации процесса резания заключается в обеспечении определенной функциональной зависимости между его переменными параметрами. Процесс резания характеризуется большим количеством первичных и вторичных параметров и всегда протекает нестабильно вследствие изменения припуска и физико-механических свойств обрабатываемого материала, изнашивания инструмента, деформаций в технологической системе и других факторов. Поэтому только применение систем автоматического регулирования обеспечивает оптимальные условия в течение всего периода обработки.
В теории автоматического регулирования различают разомкнутые и замкнутые системы. Если изменение выходной величины не вызывает каких-либо изменений входной, система называется разомкнутой. Системы, характеризующиеся замкнутым циклом передачи воздействий, называются замкнутыми.
Передача воздействия выходного элемента на входной осуществляется с помощью обратной связи. Если в системе действует одна такая связь, система называется одноконтурной, а если несколько – многоконтурной.
Обработка резанием относится к объектам многоконтурного регулирования, поскольку имеет большое число регулируемых параметров, изменение каждого из которых вызывает изменение других. Однако для изучения свойств отдельных элементов, преж-де всего процесса резания, систему условно можно считать разомкнутой. В этом случае, разорвав две связи, определяющие взаимодействие данного элемента с другими, можно рассмотреть его свойства отдельно, путем установления зависимости между параметрами на входе и выходе системы.
Структурная схема системы резания (см. рис. 12.3, 12.4) представляет собой разомкнутую систему, так как управляющее воздействие на процесс резания и вторичные параметры поступает только со стороны первичных параметров. Объектом регулирования по этой схеме являются все первичные параметры, каждый из которых может быть использован для оптимизации процесса резания. Однако, в первую очередь, в качестве регулятора используют изменение режимов резания. Регулирование процесса обработки в этом случае заключается в том, чтобы, исходя из знания параметров детали, метода обработки, схемы резания и технологической среды, путем изменения режима резания получить необходимые показатели функционирования системы.
Тогда схему механической обработки, приведенную на рис. 12.4, можно трансформировать в другую (рис. 12.5), в которой из элементов технологической системы (первичных параметров) выделены в качестве регулятора элементы режима резания.
Взаимодействие регулятора с основной системой позволяет рассмотреть замкнутую систему процесс резания – технологическая система. В эту систему введены «искусственные» обратные связи 1…7.
Цепь воздействия автоматической системы управления можно разделить на две части – внутреннюю и внешнюю по отношению к процессу резания. На рис. 12.5 видно, что внутренние воздействия характеризуются связями, показывающими действие одного физического явления на другое. Технологическая система и режим резания оказывают на процесс резания внешнее воздействие, при этом технологическую систему можно рассматривать как ряд подсистем: механическую, тепловую и электрическую.
В настоящее время возможно использование различных вариантов процессов управления системой резания.
Под процессом управления системой резания понимается организация действий различных ее компонентов с целью достижения требуемой точности, шероховатости и производительности обработки. Возможны следующие методы управления (рис. 12.6): информационное, автоматизированное и автоматическое.
В информационной системе управления станочник наблюдает за качеством деталей и состоянием технологической системы, анализирует свои наблюдения, обдумывает целесообразность внесения каких-либо изменений в ход обработки и осуществляет их путем воздействия на органы управления. В частности, станочник устанавливает оптимальные режимы резания и производит настройку и поднастройку станка.
В автоматизированной системе управления качество заготовок, состояние системы, параметры процесса и детали контролируются приборами. Оператор в этом случае воздействует на процесс резания и обрабатывающую систему с помощью специальных механизмов и устройств.
Технологическая система Процесс резания
Кп
Си
Пи
Пр
Эк
Динамическая
Тепловая
Электрическая
Подсистемы
tи
tи
s
Рж
Рис. 12.5. Структурная схема автоматической системы управления процессом резания
О
Тч
В автоматической системе управления воздействие на процесс резания и технологическую систему производится также с помощью специальных устройств, но анализ показаний приборов и принятие решения осуществляются электронной системой без участия оператора. К наиболее широко используемым автоматическим (адаптивным) системам управления относятся стабилизирующие контролируемые параметры (сила, температура, точность, шероховатость); компенсирующие те или иные погрешности системы (например, износ инструмента); оптимизирующие режимы обработки.
а)
б)
в)
Рис. 12.6. Схема систем управления процессом резания: a) информационной; б) автоматизированной; в) автоматической; З – заготовка; ТО – технологическая операция; Д – деталь; РУ – рукоятка управления; О – оператор; Н – наблюдение; У – управление; ПП – подналадочная подсистема; ИУ – исполнительное устройство; НП – наладочная программа; ИП – измерительный прибор; БУ – блок управления; УА – управляющий автомат; ДЧ – датчик; Cг – сигналы; К – команды
Адаптивные системы управления создаются для обработки определенных деталей из конкретных материалов. При изменении условий обработки требуется вносить изменения в электронную систему управления, иногда достаточно сложные. Это затрудняет использование таких систем в единичном или мелкосерийном производстве.
В настоящее время более широкое распространение, чем адаптивные, получили гибкие системы, управляемые с помощью микропроцессорной техники или ЭВМ. Такие системы могут функционировать в автоматическом режиме, обладая свойством автоматизированной переналадки при обработке деталей произвольной номенклатуры. Основной составляющей такой системы является гибкий производственный модуль. Это станок с програм-мным управлением (как правило, числовым), оснащенный автоматизированными устройствами для выполнения требуемых технологических операций, загрузки заготовок, снятия детали и отвода стружки, смены инструмента, измерений и контроля, диагностики отказов компонентов модуля в работе. Перспективным направлением гибких модулей является встраивание в них систем адаптивного управления технологическим процессом.