УДК 621-192.001.5

Исследование влияния процесса резания в металлорежущих станках на коэффициент затухания собственных движений режущего инструмента

Заковоротный В.Л., Эльхамрауи А., Назаренко Д.В.

Вопрос повышения качества, производительности и надежности металлорежущих станков (МРС) всегда был и остается актуальным для станковедения.

Исследование динамической устойчивости процесса резания, так или иначе, связано с рассмотрением взаимосвязи сил резания и движения режущих инструментов относительно обрабатываемой детали. Поэтому исследования влияния процесса резания на коэффициент затухания собственных движений режущего инструмента в настоящее время ограничивается рассмотрением устойчивости или в общем случае динамики механических систем металлорежущего станка.

Настоящая статья является продолжением ранее изданных работ [1-5], в которых рассматривались вопросы устойчивости процесса резания при различных технологических режимах и параметрах обработки детали в МРС. В этих работах не рассматривалось влияние процесса резания на колебания. Цель настоящей работы является найти и проанализировать зависимость коэффициента затухания от скорости резания - V_P, глубины резания - t_P и величины подачи - s_P, т.е. экспериментально получить функциональную зависимость вида: .

На кафедре АПП ДГТУ проводились эксперименты, целью которых являлось получить экспериментальную зависимость . Общий вид автоматизированного стенда для исследования динамических характеристик преобразующих систем МРС и процессов обработки приведен на рис.1.

Рис.1. Блок-схема экспериментального стенда.

Стенд состоит из следующих основных узлов:

- три датчика ускорений N1, N2 и N3, расположенных в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и установленных на режущем инструменте;

- молоток ДС1-N62;

- трехканальный усилитель;

- плата ввода-вывода с аналого-цифровым преобразователем типа L305;

- ПЭВМ IBM PC Pentium - 100;

При проведении эксперимента производилось возбуждение собственных колебаний режущего инструмента и датчики N1, N2 и N3 фиксировали затухающие колебания по трем направлениям X, Y и Z. Возбуждение собственных колебаний производилось ударом молотка в области режущего инструмента. В результате проведения экспериментов были получены зависимости виброускорения от времени для разных технологических режимов. Для удобного восприятия и успешной обработки результатов измерений возникла необходимость создания оригинального программного обеспечения. Для создания программного обеспечения использовался язык PASCAL 7-0. В результате предварительного анализа данных полученных от датчиков N1, N2 и N3 было выяснено, что можно выбрать один, наиболее информативный канал. Поэтому в дальнейшем производился анализ только одного канала (рис.2).

--(a)--

--(б)--

Рис.2 Пример импульсных реакций колебательных ускорений инструмента на -образные возмущения (а - без резания, б - при резании (точение стали СТ45: V_P=20 мм/мин, S_P=1,2 мм/об, t_P =0,1 мм).

На рис.2а и рис.2б приведены примеры колебательных реакций режущего инструмента на ударное -образное воздействие без процесса резания и с процессом резания соответственно. Эти примеры показывают, что коэффициент затухания при резании больше, чем при его отсутствии. Можно также отметить, что реакция системы на внешнее -образное воздействие является сложной, и она содержит несколько колебательных суперпозиций, определяемых множеством форм движения инструмента.

Для того чтобы определить коэффициент затухания при резании и без резания можно использовать следующий математический алгоритм. В теории механики используется следующее уравнение движения колебаний:

где m - масса механической системы; D - дифференциальный оператор ; h - коэффициент демпфирования (затухания); C - коэффициент жесткости системы; X(t) - смещение системы; F(t) - возмущающая сила.

Решение уравнения (1) имеет следующий вид:

Для того чтобы определить диссипативное влияние процесса резания добавим дополнительно к коэффициенту затухания h еще h_P обусловленным процессом резания, тогда уравнение движения принимает вид:

Уравнение (3) является уравнением движения системы и описывает реакцию системы на ударное возбуждение при резании и имеет следующее решение:

Для того чтобы определить коэффициент затухания можно использовать следующую формулу:

где - коэффициент затухания при резании; - коэффициент затухания без резания.

В результате экспериментального исследования и обработки получены числовые массивы данных, которые были обработаны традиционными алгоритмами статистического анализа. Таблицы 1-2 являются примером таких числовых массивов. Перед нами остается задача изучения зависимости коэффициента затухания от технологических режимов процесса резания в МРС (скорость резания; глубина резания и величина подачи).

Результаты исследования зависимости отображены на приведенных ниже графиках (рис 3-5).

Рис.3 Изменение коэффициента затухания в зависимости от скорости резания V_P.

На основании анализа графика (рис 3) можно утверждать, что в области низких скоростей (0-10 мм/мин.) быстро увеличивается до 0,070; в области скоростей от 10 до 80 мм/мин медленно уменьшается до 0,058; и далее незначительно возрастает. Данное поведение функции можно объяснить следующим образом: в низкоскоростной области по мере увеличения скорости резания увеличиваются градиенты напряжений и деформаций в зоне резания. В результате этого уменьшается объем пластической деформации и как следствие уменьшается выделение энергии, обусловленной процессом резания. Следовательно, уменьшается ее диссипативное влияние.

Рис.4 Изменение коэффициента затухания в зависимости от глубины резания t_P.

Анализ графика (рис 4) показывает, что при увеличении глубины резания опять быстро нарастает до 0,064. Это происходит в области глубины резания от 0 до 0,1 мм. В области глубины резания от 0,1 до 0,5 мм увеличивается значительно медленнее до значения 0,078. Возрастание коэффициента затухания можно объяснить резким возрастанием диссипативного влияния процесса резания при малом увеличении площади срезаемого слоя.

Рис.5. Изменение коэффициента затухания в зависимости от величины подачи S_P.

Анализ графика (Рис 5) позволяет сделать следующий вывод: коэффициент затухания нарастает с увеличением величины подачи S_P до 0,075 мм/об, после этого незначительно уменьшается. Это можно объяснить тем, что коэффициент затухания нарастает пропорционально с увеличением площади срезаемого слоя.

Библиографический список:

1. Эльхамрауи А., O. Потравко, Нелинейные связи, формируемые динамической системой резания. - В межвузовский сборник научных трудов - "Диагностика и управление в технических системах" c. 41-51. Ростов-на-Дону 1995.

2. Эльхамрауи А. Зависимость коэффициента резания от режимов обработки при точении. -"Диагностика и управление в технических системах" 50-57c. -. Ростов-на-Дону 1997.

3. Эльхамрауи А., Методика определения допустимых вариаций режимов резания по критерию виброустойчивости. - "Диагностика и управление в технических системах" c.119-126. Ростов-на-Дону 1996.

4. Эльхамрауи А. Экспериментально-аналитическое определение передаточной функции процесса резания при точении. - "Диагностика и управление в технических системах" Ростов-на-Дону 1997.

5. Эльхамрауи А., Назаренко Д.В. К вопросу повышения устойчивости процесса резания МРС. - "Диагностика и управление в технических системах". Ростов-на-Дону 1997.