К вопросу повышения устойчивости процесса резания МРС
Эльхамрауи А., Назаренко Д.В.

Вопрос повышения устойчивости процесса резания был и остается актуальным до настоящего времени. Повышение устойчивости динамики станков, как видно в работе видного ученого Кудинова В.А. [1], зависит в первую очередь от жесткости упругой системы (УС) станка. Чем больше жесткость тем выше устойчивость процесса резания МРС. Эту точку зрения мы постарались рассмотреть подробно в данной работе.

В книге другого известного ученого Лазарева Г.С. [2-5] рассматривается вопрос повышения устойчивость процесса резания для станков с числовым программным управления (ЧПУ). По его мнению, одним из наиболее перспективных путей оптимизаций процесса механической обработки детали является создание систем адаптивного управления. Он отмечает, что станки с ЧПУ позволяют повысить устойчивость процесса резания, точность обработки и производительность, но по ряду причин в то время они не находили широкого применения в промышленности, а системы управления по виброустойчивости находилось в стадии исследования. Рассматриваемый в книге метод жесткого управления по виброустойчивости, несмотря на недостатки, позволяет, по мнению автора, обеспечить устойчивость процесса резания и повысить точность обработки детали МРС с ЧПУ.

До настоящего времени, вопрос устойчивости динамики станков является сложным, потому что исследования в области МРС требует рассмотрения устойчивости нескольких процессов, например: процессы резания, процессы трения, процессы в двигателе, упругой системе станка и т.д.

Цель работы заключается в повышении устойчивости МРС при резании. Таким образом, следующая работа основана на предложениях Кудиного В.А. [1] и Лазарева Г.С. [2-5].

Для развития этих представлений, предлагается следующий математический алгоритм, в котором находим объяснение тому, что устойчивость процесса резания зависит не только от повышения жесткости. На наш взгляд повышение устойчивости процесса резания зависит от некоторых параметров и режимов обработки детали.

Из уравнения Н.Н. Зорева [6] можно определить силу резания

Исходя из анализа уравнения (1) видно, что сила резания зависит от: сопротивления сдвигу в поверхности скольжения [Н/мм²]; площади срезаемого слоя S(y₂(t),y₃(t)) [мм²]; параметра, зависящего от усадки стружки ; переднего угла ; среднего угла трения на передней грани инструмента .

Из (1) можно найти выражение, которое позволяет определить коэффициент жесткости УС МРС

Анализ уравнения (2) позволяет сделать следующие выводы:

• коэффициент жесткости УС МРС зависит от силы резания и от площади срезаемого слоя;

• площадь срезаемого слоя в свою очередь зависит от параметров процесса резания (глубины резания и подачи), геометрии режущего инструмента (углов резцов и );

Следует отметить, что площадь срезаемого слоя зависит от физико-механических свойств инструмента, а также от формирования и свойств диссипативной среды.

В статье [8] была показана зависимость коэффициента жесткости от параметров процесса резания, физико-механических свойств инструмента и других свойств. Но цель настоящей работы показать какие параметры резания являются важными в повышении устойчивости динамики станков.

Из рис.1 видно, что представленная сила резания зависит от площади срезаемого слоя S(y₂(t),y₃(t)), скорости резания V_P, величины подачи S_P, глубины резания t_P и т.д.

Что касается повышения устойчивости процесса резания, как было показано в работах Кудинова В.А., то оно зависит от жесткости. На наш взгляд, это недостаток, означает, что если представленая сила резания постоянна и площадь срезаемого слоя варьируется, то коэффициент жесткости зависит от глубина резания, величины подачи, геометрии режущего инструмента (то есть от угла резца и переднего угла).

Таким образом, можно согласиться с Кудиновым В.А., если величина подачи и глубина резания меньше и углы резца постоянны, то коэффициент жесткости увеличивается и в результате этого устойчивость процесса резания МРС повышается.

Если площадь срезаемого слоя постоянна и представленная сила резания варьируется, то коэффициент жесткости зависит от сопротивления сдвигу в поверхности скольжения, параметра , который зависит от усадки стружки, от переднего угла и среднего угла трения на передней грани инструмента и .

Исходя из экспериментальных данных, предложенных Н.Н. Зоревым [6], можно построить график, позволяющий определить режим и параметры обработки когда процесс резания устойчив, используя точку зрения Кудинова В.А.

Рис.1. Изменение силы резания и коэффициента жесткости при увеличении скорости резания, материал - сталь СТ3.

ширина =2.5 [мм], толщина =0.223 [мм], S(y₂,y₃)=0.558 [мм²], t_P=2.5[мм], S_P=0.117[мм/об].

ширина =2.5 [мм], толщина =0.223 [мм], S(y₂,y₃)=0.558 [мм²], t_P=2.5[мм], S_P=0.117[мм/об].

S_P ширина =2.5 [мм], толщина =0.305 [мм], S(y₂,y₃)=0.763 [мм²], t_P=2.5[мм], S_P=0.117[мм/об].

ширина =2.5 [мм], толщина =0.305 [мм], S(y₂,y₃)=0.763 [мм²], t_P=2.5[мм], S_P=0.117[мм/об].

Исходя из экспериментальных данных на рис.1 видно, что сила резания увеличивается, при увеличении скорости резания, кроме того, увеличивается толщина срезаемого слоя.

Таким образом, можно согласиться с Кудиновым В.А., что чем больше сопротивление сдвигу в поверхности скольжения и чем больше передний угол и средний угол трения на передней грани инструмента , тем выше сила резания F_P. Тогда коэффициент жесткости повышается и в результате этого, повышается устойчивость процесса резания.

На основании выше изложенного, можно сделать следующие выводы:

1 - для стали СТ3, которая имеет следующее данные: ширина=2.5[мм], толщина =0.223[мм], S(y₂(t),y₃(t))=0.558 [мм²], t_P=2.5[мм], S_P=0.117[мм/об] можно сказать, что точка "В" является точкой, в которой, на наш взгляд, процесс резания может быть более устойчивым, потому что в этой точке коэффициент жесткости имеет большее значение;

2 - для стали СТ3, с параметрами: ширина=2.5[мм], толщина =0.305[мм], S(y₂(t),y₃(t))=0.763 [мм²], t_P=2.5[мм], S_P=0.117[мм/об] можно сказать, в точка "A" процесс резания более устойчив, потому что здесь коэффициент жесткости выше;

3 - коэффициент жесткости увеличивается, когда сила резания и скорость резания повышаются, но при значении V_P=11.88[мм/мин] и меньше они уменьшаются.

Библиографический список:

1. Кудинов В.А. Динамика станков. М., Машиностроение, 1967, 368c.

2. Лазарев Г.С. Автоколебания при резании металлов. М., Высшая школа М., 1971. 243с.

3. Лазарев Г.С. Исследование виброустойчивости резцов с неперетачиваемыми многогранными пластинами. Cб., "Производительная обработка металлов и неметаллических материалов резанием". Воронежский университет, 1965.

4. Лазарев Г.С. Исследование устойчивости динамического равновесия активных механических систем. Сб. "Исследование механизмов и металлических конструкций". Воронеж, ВПИ, 1969.

5. Лазарев Г.С. Устойчивость процесса резания металлов. М., "Высшая школа" 1973.

6. Зорев Н.Н. Исследования процесса резания металлов в США. Выпуск II, Обрабатываемость Металлов и Износ Режущего Инструмента, М., НИИ Маш., 1967.

7. Заковоротный В.Л. Исследование динамической характеристики резания при автоколебаниях инструмента // Известия Северо-Кавказского научного центра высшей школы. Сер. Технических наук. 1978. №2. - с.37-41.

8. Эльхамрауи А. Зависимость коэффициента резания от режимов обработки при точении. - "Диагностика и управление в технических системах". Ростов-на-Дону 1997