Динамика косоугольного резания с касательным движением лезвия

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДИНАМИКА КОСОУГОЛЬНОГО РЕЗАНИЯ С КАСАТЕЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕЗВИЯ

Аннотация

резание лезвие механический косоугольный

Приводится математическая модель определения основных механических характеристик резания с касательным движением лезвия, которым описывается срезание припуска круглым принудительно вращающимся инструментом. Разработана методика расчета сил при косоугольном резании для наиболее сложного и общего случая механической обработки, подтвержденная результатами экспериментов. Поскольку расчетное определение сил при косоугольном резании произведено впервые в мировой практике и такая задача до сих пор не была решена даже для наиболее простых вариантов традиционной обработки, результаты работы имеют теоретическое значение и могут широко использоваться в динамических расчетах процессов резания как подвижными, так и неподвижными лезвиями.

косоугольное резание, лезвие, касательное движение, стружкообразование, угол среза, деформация, нормальные силы, касательные силы

Annotation

THE DINAMICS OF OBLIQUE ANGEL CUTTING WITH TANGENTIAL EDGE MOVEMENT

L.А. Guick, D.I. Shurygin, E.D. Beilina, A.Ju. Lesnichenko

The paper gives mathematical model of defining basic mechanical cutting characteristics with tangent edge movement by which stock allowed is being machined by means of round tool forced to rotate. Calculation methods for defining forces at oblique angel cutting have been determined for most complex and general machining. Since calculation definition of forces at oblique angel cutting has been done for the first time in the world practice and such a tool hasn't been solved even for the more simple variants of conventional machining, these results are of theoretical importance and may be widely used in dynamics calculations of cutting processes by means of both moving and fixed razor.

Основная часть

Работа посвящена фундаментально-прикладным исследованиям механики наиболее сложного и общего случая косоугольного резания с касательным движением лезвия. Механика считается исходным, базовым разделом теории резания. Ключевыми её вопросами являются определение деформаций срезаемого слоя, расчёт сил, удельной работы и мощности резания. Для решения этих задач в традиционных случаях используется модель прямоугольного свободного резания. Силовые характеристики обычно рассчитываются по методике проф. Н.Н. Зорева [1], которая обеспечивает удовлетворительную точность по сравнению с результатами соответствующих экспериментов. Однако, даже для традиционного косоугольного свободного резания, до сих пор методика расчёта силовых и энергетических характеристик процесса в мире не разработана. Причиной этого является отсутствие прямой функциональной связи искомых зависимостей от рабочего кинематического переднего угла инструмента, как это имеет место при прямоугольном резании [2,3]. Итак, процесс косоугольного резания недостаточно изучен, что обусловливает важность и актуальность поставленной задачи.

Особенно актуальна разработка модели динамики косоугольного резания с касательным движением лезвия, имитирующего работу круглого принудительно вращающегося инструмента. Экспериментальное определение сил в случае принудительного вращения круглого инструмента весьма затруднительно и не может осуществляться традиционными техническими средствами. В рассматриваемом случае наличие дополнительного перемещения лезвия инструмента вдоль режущей кромки приводит к изменению (или видоизменению) закономерностей стружкообразования, справедливых для обычного резания.

Этот довольно необычный процесс может быть сведен к более обычному упрощенному виду, если действие инструмента рассмотреть относительно постоянной точки на обрабатываемой детали [4,5]. Тогда деталь в процессе обработки представляется неподвижной, а инструмент совершает главное движение резания со скоростью V и касательное перемещение со скоростью V_k вдоль собственной режущей кромки, расположенной в общем случае под углом о к вектору V. В результате векторного сложения двух указанных движений относительное перемещение любой точки режущей кромки по поверхности резания происходит в направлении суммарного вектора скорости V_e, результирующего движения резания, составляющего с вектором V некоторый угол д (1).

Для упрощения искомых зависимостей первоначально целесообразно изучать процесс свободного резания инструментом с прямолинейной режущей кромкой, при котором во всех ее точках обеспечивается постоянство скоростных (V; Vk ; Ve ) геометрических параметров, а также одинаковая толщина срезаемого слоя а [4]. На основании приведенных выше рассуждений можно получить идеализированную схему срезания стружки для общего случая резания с касательным движением лезвия инструмента, показанную на рис. 1. Эта схема тождественна варианту строгания широким резцом в направлении вектора Ve узкой (шириной b) пластины, боковые стороны которой расположены под непрямым углом д к указанному вектору скорости результирующего движения резания.

Рис. 1 Схема резания стружки при резании с касательным движением лезвия инструмента

На рис. 1 показаны два последовательных положения инструмента относительно обрабатываемой детали, полученные при перемещении фиксированной точки m режущей кромки в конечное положение р за время контакта фк. Срезанная при этом стружка движется по передней поверхности инструмента со скоростью Vс в направлении, в общем случае наклонном по отношению перпендикуляра к режущей кромке под углом н, зависящим, как известно, при традиционном резании в основном от кинематического угла наклона режущей кромки лк.

В работах [1,2] и других установлено, что сдвиговые деформации материала при стружкообразовании происходят в плоскости движения стружки по передней поверхности и инструмента в обрабатываемом материале. В рассматриваемом случае направление этой плоскости определяется вектором Ve скорости результирующего движения резания, расположенным, как показано выше, под углом к боковой стороне стружки. Поэтому при резании с перемещением рабочих участков лезвия инструмента степень пластической деформации не может характеризоваться продольным укорочением стружки.

Для оценки пластической деформации стружки при резании с касательным движением лезвия инструмента в работе [4] введено понятие коэффициента усадки стружки в направлении стружкообразования, измеряемого как отношение пути резания (длины пути фиксированной точки режущей кромки в обрабатываемом материале на поверхности резания за время ее контакта фк с обрабатываемой деталью) к длине траектории этой точки на материале стружки.

.

Предложен следующий простой способ экспериментального измерения усадки стружки в направлении стружкообразования. Известно, что при резании на контактной поверхности стружки остаются риски, которые при касательном движении инструмента расположены наклонно, но по отношению к ее боковым сторонам. Эти риски являются следами относительного перемещения точек режущей кромки в материале стружки. Если измерить, например с помощью инструментального микроскопа или любым другим методом, длину рисок l', то таким образом можно определить путь стружки в плоскости стружкообразования, пройденный за время взаимодействия рабочего участка лезвия с поверхностью резания.

Экспериментальные исследования процесса стружкообразования производились при строгании образцов из стали 10 по схеме, приведенной на рис. 1, широкими резцами, режущая кромка которых устанавливалась под заданными углами л_к к вектору V_e скорости результирующего движения резания (V_e= 6,58? 10^-3 м/с; толщина среза а= 0,1 мм; ширина среза b= 3,0 мм; нормальный передний угол резца г_н= 15?).

Первоначально для расчётного определения силовых характеристик устанавливались зависимости коэффициента K_c усадки в направлении стружкообразования от угла среза д при различных значениях л_к, графики которых приводятся на рис. 2.

Рис. 2 Влияние угла среза д на коэффициент усадки стружки в направлении стружкообразования K_c: ¦ - при л_к = 15?; х- при л_к = 30? ; * - при л_к = 45?

Важным параметром косоугольного резания в рассматриваемом случае, так же как и при ротационном резании, является угол схода стружки по передней поверхности н. В силу особенностей рассматриваемого процесса наиболее приемлемым из существующих методов экспериментального определения направления схода стружки является микрофотографирование передних поверхностей инструментов после кратковременного резания и наблюдение за следами, оставленными на них движением стружки. Результаты экспериментального определения зависимости угла схода стружки н от угла среза д приведены на рис.3.

Рис 3 Влияние угла среза д на угол схода стружки н при косоугольном свободном резании: ¦ - при л_к = 15? ; х - при л_к = 30? ; * - при л_к = 45?

В [4,5] разработана методика расчётного определения сил стружкообразования для модели прямоугольного резания с касательным движением лезвия. Проекция силы стружкообразования на вектор Ve скорости результирующего движения резания при использовании свободно вращающегося инструмента может быть рассчитана из выражения:

Rz_e = (1)

где b/cos д - ширина рабочего участка режущей кромки при прямоугольном резании с касательным движением лезвия; - касательные напряжения, действующие в рабочей плоскости сдвига; _p - рабочий передний угол инструмента; C_R= const. В рассматриваемом случае, согласно Н.Н. Зореву [1], CR 45° (при содержании углерода в стали до 0, 25%).

Проекция сил стружкообразования на плоскость, перпендикулярную вектору V_e при резании свободно вращающимся инструментом, определяется из выражения:

Ryz_e = Rz_e tg = Rz_e tg (С_R - _р), (2)

где - угол действия; - рабочий угол сдвига.

В указанных выше работах экспериментально подтверждена достаточно высокая точность формул (1, 2). Однако попытка использования приведенной методики в более сложном случае косоугольного резания с касательным движением лезвия не привела к положительному результату. Как и при традиционном косоугольном резании, причиной этого является отсутствие прямой функциональной взаимосвязи между зависимостями составляющих сил стружкообразования и рабочим передним углом p лезвия подвижного инструмента.

В настоящем исследовании рассмотрена возможность создания расчётной методики определения динамических характеристик рассматриваемого процесса на базе фундаментальных положений механики процесса резания, разработанных Н.Н. Зоревым [1], и выдвинутого предположения о непосредственной функциональной взаимосвязи между параметрами деформации стружки в направлении стружкообразования Кс, нормальной к режущей кромке проекции N силы стружкообразования, действующей в поверхности резания, с нормальным передним углом инструмента н. Впервые получены выражения для определения нормальной к режущей кромке силы N, действующей вдоль поверхности резания, и нормальной к режущей кромке силы Fн, действующей в плоскости подач:

N= , (3)

где b/sinж - ширина рабочего участка режущей кромки при косоугольном резании с касательным движением лезвия; г_н - нормальный передний угол инструмента;

Fн = N tgщ_н, (4)

где щ_н = (С_R ц_н) - нормальный угол действия; ц_н = arctg(cosл_н/(K_н-sinг_н))- нормальный угол сдвига; Kн = Kc (cosл_н/cosг_н) - нормальная к режущей кромке усадка стружки.

Направление действия силы трения F стружки по передней поверхности инструмента определяется в плоскости, расположенной под углом н схода стружки относительно перпендикуляра к режущей кромке, что подтверждено экспериментами, проведенными в работах [4,5]. Поэтому в первом приближении ориентировочное значение этой силы может оцениваться из выражения

F = Fн/cosн. (5)

По разработанной методике проведено расчетное определение нормальных к режущей кромке составляющих сил N и Fн и сравнение их значений с результатами экспериментальных исследований динамики натурной модели косоугольного резания с касательным движением лезвия, полученными в работах [4,5]. Графики одной из них приведены на рис. 4.

Рис 4 Влияние угла среза д на нормальную силу N: ¦ - при л_к = 15?; х - при л_к = 30?; * - при л_к = 45?

Как видно из рис. 4, полученная расчетом зависимость N=f(д) при разных углах наклона к режущей кромке л_к вполне удовлетворительно совпадает с соответствующими данными экспериментов по определению составляющей силы стружкообразования, пересчитанной в нормальную к режущей кромке систему координат. Расчетная зависимость F_н=f(д) также достаточно корректируется с соответствующими экспериментальными данными. Расчеты составляющей F = f(д), произведенные по формуле (5), полученной с определенными допущениями, подтвердили ее приближенность и возможность использования преимущественно для ориентировочной оценки этого параметра.

Выводы

1. Впервые разработана математическая модель динамики наиболее сложного и общего случая резания с касательным движением лезвия инструмента.

2. Разработанная модель распространяется на более простые случаи традиционного косоугольного резания путём сокращения параметров, характеризующих касательное движение лезвия.

3. Полученные результаты могут рассматриваться как определённый вклад в развитие теоретических положений механики резания.

Список литературы

1. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов /Н.Н. Зорев. М., 1956.

2. Бобров В.Ф. Влияние угла наклона главной режущей кромки на процесс резания металлов / В.Ф. Бобров. М., 1962.

3. Stabler G.V. The Fundamental geometry of cutting tool / G.V. Stabler //Proc. of the Jnslitution of the Mench. Eng. 1951.

4. Гик Л.А. Ротационное резание металлов / Л.А. Гик. Калининград, 1990.

5. Гик Л.А. Исследование процессов чистового и получистового точения стали ротационными резцами с боковой цилиндрической (конической) передней поверхностью: дисс. …канд. техн. наук/ Л.А. Гик. Мн., 1969.

Размещено на Allbest.ru