ВЛИЯНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ, ИЗНОСА ИНСТРУМЕНТА И ВИБРАЦИЙ НА ШЕРОХОВАТОСТЬ ПРИ РАСТАЧИВАНИИ

THE INFLUENCE OF DEFORMATIONS, TOOL WEAR AND VIBRATIONS ON THE ROUGHNESS WHILE BORING

Sergey Leonov

doctor of Technical Sciences, professor of Altay State Technical University named after I.I. Polzunov,

Russia, Barnaul

Erzhan Shayahmetov

phD Student, Kazakh National Research Technical University after K.I. Satpayev,

Kazakhstan, Almaty

АННОТАЦИЯ

Целью данной статьи является показать, как влияет деформация, износ инструмента, вибраций на шероховатость обработанной поверхности. Показаны аналитические выражения, моделирующие деформацию срезаемого слоя при резании, размерный износ инструмента. Анализ показал, что все эти процессы являются случайными составляющими при резании и применение стохастического имитационного моделирования является в данном случае вполне оправданным.

ABSTRACT

The purpose of this article is to show the impact of deformation, tool wear and vibrations on a roughness of processed surface. Analytical expressions of modeling deformation of the cut-off layer while cutting and dimensional tool wear are shown. Analysis has shown that all these processes are casual components while cutting and application of stochastic imitating modeling in this case fully justified.

Ключевые слова: качество поверхности, шероховатость поверхности, стохастическое моделирование.

Keywords: surface quality, surface roughness, stochastic modeling.

В работе [2] мы рассматривали возможность прогнозирования шероховатости поверхности при растачивании внутренней поверхности путем моделирования процесса. Имитационное моделирование и созданный алгоритм и программа позволило смоделировать процесс резания и формообразования поверхности. В данной работе хотелось бы рассмотреть роль случайных факторов на процесс образования профиля поверхности, это упруго-пластические деформации, износ инструмента и вибрации возникающих в процессе резания.

Как уже говорилось, реальные микронеровности обработанных поверхностей отличаются от расчетного профиля (рисунок 1).

Рисунок 1. Микропрофиль обработанной поверхности [4]

И разница между действительным профилем Rz и расчетным профилем Rzp, как раз и вызвана влиянием пластических деформаций, вибраций и износа инструмента. Доля упругих деформаций относительно невелика и зависит от свойств материала. Известно [5; 6], что сопротивление металлов пластическому деформированию определяется не только их химическим составом и структурой материала, но и условиями деформирования в процессе резания. Для процесса резания характерны высокие скорости деформации, также большей пластичности способствует нагрев металла при резании. Основные процессы при резании: деформация в срезаемом слое материала, трение стружки с передней поверхностью резца, дальнейшая деформация материала за линией среза. Деформация материала за линией среза обусловлена пластической деформацией в сторону вершин рисок, по вспомогательной режущей кромке в плане, из зоны пластической деформации. Материал как бы наплывает на риски и увеличивает высоту расчетного профиля. Сила пластического деформирования определяется степенью деформации срезаемого слоя (К_L). Если материал склонен к наростообразованию, то на обработанной поверхности происходит увеличение высоты неровностей за счет периодически срывающихся остатков нароста. Образование нароста достаточно описано в литературе [9, с. 105; 5, с. 135], где также даны рекомендации по их устранению.

Кроме того изменение высоты рисок вызывают микронеровности на лезвии инструмента, которые образуются или возрастают по мере износа резца. Различают следующие виды износа: размерный, линейный, относительный, массовый. При чистовых режимах обработки как в нашем случае, определяющим становиться размерный износ резца– h_P , который измеряется в направлении перпендикулярном обрабатываемой поверхности. Данный износ влияет на уменьшение (при растачивании) либо увеличение (при наружном точении) размера детали на величину 2h_P. Скорость размерного износа резца, приближенно можно принять для неизменного режима резания изменяющимся пропорционально глубине резания [3, с. 209; 4]. При подобном допущении этот процесс описывается как:

                                               (1)

где: z – координата профиля резца;

τ – время;

k – коэффициент скорости износа;

t – глубина резания.

Т. е.  или скорость износа по физическому смыслу должна быть пропорциональна t. Коэффициент k определяется физико-механическими свойствами материала резца и детали, путем пройденным резцом за единицу времени или скоростью резания. Координата вершины резца в начале резания z=0, глубина резания t, отсюда для данного сечения z глубина резания в данный момент будет равна t-z. Данное дифференциальное уравнение позволяет получить динамическую стохастическую модель, которая позволяет прогнозировать размерный износ режущего инструмента.

На разницу между реальным и расчетным профилем влияют вибрации инструмента и заготовки, которые оставляют на обрабатываемой поверхности следы колебаний с амплитудой А. В ходе работы станка основные виды возникающих колебаний (или вибрации) это вынужденные, параметрические, релаксационные и самовозбуждающиеся или автоколебания. В ряде источников есть более упрощенная классификация колебаний на вынужденные и автоколебания. Колебания, возникающие в процессе резания и способы борьбы с ними достаточно полно описаны, этому посвящено много работ [4, с. 456; 3, с. 144]. Нас интересуют колебания с наиболее характерной формой и с наиболее сложной природой – это автоколебания. Они возникают при любом виде обработки и отсутствии видимых причин для этого. Колебания почти всегда приводят к изменениям толщины среза, это отражается на профиле обработанной поверхности. Наряду со стойкостью инструмента и производительностью обработки вибрации в сильной степени влияют на качество обработанной поверхности. В некоторых случая могут создаваться условия для перехода возникших колебаний в незатухающие автоколебания. Известно, что с увеличением амплитуд автоколебаний пропорционально ухудшаются параметры шероховатости, растет высота волнистости Wz обработанной поверхности. Это происходит не только при точении и растачивания, но и почти во всех других видах механической обработки (фрезерование, сверление, развертывание и т. д.) волнистость поверхности детали определяется величиной амплитуд и биениями вибраций (рисунок 2).

Рисунок 2. Зависимости волнистости – а (параметр Wz) и шероховатости –б (Ra) от амплитуды автоколебаний при точении [1]. 1– стали 08Х15Н5Д2Т; 2 – стали 12Х18Н9Т; 3 – титанового сплава Вт-9 (1–3 при f=140-190Гц); 4 – стали 08Х15Н5Д2Т при f =500–600 Гц

В реальной системе в процессе резания множество причин может вызвать автоколебания, однако наибольшее влияние оказывают механизмы возмущения автоколебаний в связке технологической системы станок-приспособление-инструмент-деталь (система СПИД). Все элементы системы СПИД отличаются упругими свойствами. Различают две основные системы вызывающие вибрации: система «деталь-опора» (низкочастотные колебания f=50–300 Гц) и система «инструмент-опора» (высокочастотные колебания f=800–3000 Гц). Обе системы замыкаются в зоне резания. Некоторые параметры системы «деталь-опора» и «инструмент-опора» были рассмотрены в работах [7; 8] соответственно.

Одной из теорий возникновения автоколебаний при резании металлов, является запаздывание изменения силы резания при изменении толщины срезаемого слоя. Этот эффект не так заметен при наружной однолезвийной обработке, и возрастает при отрезании и фрезеровании. На основании всего этого сегодня существует следующая модель развития автоколебаний при обработке лезвийным инструментом [1, с. 207]:

• Известно, что любое воздействие в процессе резания (соприкосновение инструмента с деталью при резании и др.) выводит упругую систему СПИД из равновесия и провоцирует колебания (вибрации) с амплитудой А в срезаемом слое материала.
• Возникающие затухающие собственные колебания вследствие отставания изменения силы резания от изменения толщины срезаемого слоя приводит к переходу собственных колебаний в автоколебания, при этом их поддерживает энергия, создаваемая за счет синхронно изменяющейся, но сдвинутой по фазе силы резания.
• Возникающие на обработанной поверхности вибрационные следы, начиная с второго оборота детали при точении передают при каждом колебании в систему дополнительную энергию (рисунок 3).
• Далее наступает равновесие между возбуждающей энергией и рассеиваемой при колебаниях энергией, т. е. устанавливается какой-либо уровень автоколебаний.

Как правило, амплитуда автоколебаний непостоянна и периодически меняется, т. е. имеет форму биения. Теоретические методы расчета амплитуды автоколебаний сложны и их проверка экспериментальными способами показывает некоторые погрешности.

Рисунок 3. Влияние предыдущего вибрационного следа в процессе резания

Упрощенная математическая модель и аналитические выражения для расчетов описаны в трудах С.Л. Леонова, А.Т. Зиновьева. Получены одномассовые и двухмассовые модели динамической системы, более совершенной конечно можно считать модель системы с двумя степенями свободы, т. е. с колебаниями резца и детали. Колебания рассмотрены в направлении действия наибольшей по величине силе резания Pz (оси z). Рассматриваются два основных элемента технологической системы токарный резец и обрабатываемая деталь. Их уравнения движения представляют систему двух нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка:

                                  (2)

где: m_р – приведенная масса резца (имеется ввиду – масса деформирующейся части резца, приведенная к его вершине);

m_з – приведенная масса детали;

G_р,G_з – коэффициенты демпфирования резца и детали;

C_р,С_з–жесткость резца и детали;

Pz – сила резания;

– относительная скорость резания;

z_р,z_з – относительное перемещение резца и детали.

Модель позволяет прогнозировать автоколебания и рассчитывать процесс резания на устойчивость. Однако для данной модели необходимо определить их коэффициенты: приведенную массу, демпфирование и жесткость отдельных элементов технологической системы. Некоторые примеры расчета приведенной массы и жесткости для разных вариантов закрепления детали и режущего инструмента приведены в работах [7; 8].

Влияние этих всех параметров (деформация, износ инструмента, вибрации) не могут быть рассчитаны точно и являются случайными величинами. Поэтому применение именно стохастического имитационного моделирования для учета данных составляющих является уместным.

Список литературы:

1. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезв.ийным инструментом. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1986. 184 с.: ил.
2. Леонов С.Л., Шаяхметов Е.Я., Мендебаев Т.М. Стохастическое моделирование как способ прогнозирования качества поверхности на примере деталей ролика конвейера // Universum: Технические науки: электрон. научн. журн. 2016. № 7 (28). – [Электронный ресурс] – Режим доступа – URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/3453 (Дата обращения: 12.08.2016).
3. Леонов С.Л, Зиновьев А.Т. Основы создания имитационных технологий прецизионного формообразования / Алт. гос. ун-т им. И.И. Ползунова. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2006 – 198 с.
4. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. – М.: Машиностроение, 1982. – 320 с. ил.
5. Мазур Н.П., Внуков Ю.Н., Грабченко А.И. и др. Под общ. ред. Н.П. Мазура и А.И. Грабченко. Основы теории резания материалов: учебник [для высш. учебн. заведений] – 2-е изд., перераб. и дополн. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2013. – 534 с.
6. Суслов А.Г., Дальский А.М. Научные основы технологии машиностроения. – М.: Машиностроение, 2002.684 с. с ил.
7. Темиртасов О.Т., Гусейнова Л.Р., Манежанов Б.А., Шаяхметов Е.Я. Иимитационное моделирование механических и технологических систем. Сб. трудов международной научно-практической конференции «Перспективы развития машиностроения и транспорта в 21 веке». – Семей: ГУ имени Шакарима г. Семей, 2014. С. 96–101.
8. Шаяхметов Е.Я., Зимановский Г.А., Темиртасов О.Т. Исследование свободного колебания резца методом А.Н. Крылова Сб. трудов международной научно-практической конференции «Перспективы развития машиностроения и транспорта в 21 веке». – Семей: ГУ имени Шакарима г. Семей, 2014. С. 228–231.
9. Ящерицын П.И., Фельдман Е.Э., Корниевич М.А.. Теория резания: учеб. – 2-е изд., испр. и доп. – Мн.: Новое знание, 2006. – 512 с.: ил. – (Техническое образование)