Главная Коллекция "Revolution" Производство и технологии Управления процессом стружкобразования

Управления процессом стружкобразования

Представление системы управления процессом стружкообразования. Режимы резания, характеристики нелинейности, свойства обрабатываемого материала, и постоянная времени резца. Возможности возникновения разрывающих ускорений являющихся причиной дискретизации.

Рубрика Производство и технологии
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 02.11.2018
Размер файла 238,9 K
рефераты на заказ со скидкой

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Управления процессом стружкобразования

Г.В. Шадский,

О.А. Ерзин,

С.В. Сальников

Аннотация

Представлена система управления процессом стружкообразования. Установлено, что наиболее существенное влияние на его параметры и устойчивость оказывают: режимы резания, характеристики нелинейности, свойства обрабатываемого материала, и постоянная времени резца. Подтверждены ранее полученные результаты о возможности возникновения разрывающих ускорений являющихся причиной дискретизации стружки на отдельные элементы.

Ключевые слова: стружкообразование, режущий клин, интенсификация, разрушение материала, упругопластическое деформирование. стружкобразование резание дискретизация

Для оценки возможности управления процессом стружкообразования целесообразно воспользоваться подходом к анализу нелинейных систем, основанным на их гармонической линеаризации [2,3,6].

В известных исследованиях [3] для упрощения расчетных зависимостей рассмотрены колебания элемента стружки вдоль направления действия силы резания. Система представлена в виде колебательного звена, имитирующего упругую эквивалентную систему, апериодического звена 1-го порядка, моделирующего запаздывание в зоне стружкообразования, и нелинейного элемента, моделирующего нелинейность характеристики трения, охваченная единичной отрицательной обратной связью. Нелинейность имеет релейную характеристику с гистерезисом. В результате рассуждений, основанных на том, что при высоких скоростях резания инструментами из сверхтвердых материалов элементы стружки могут свариваться между собой, увеличивая перемещаемую массу, определена инерционная постоянную времени системы.

На основании проведенных исследований этой системы показано, что частота автоколебаний определяется в основном собственной частотой колебательной системы, то есть инерционной постоянной времени, зависящей от жесткости упругой системы и приведенной колеблющейся массы, а сегментация стружки зависит от скорости поступления материала в зону резания и его характеристик.

Эти исследования позволили ответить на ряд важных вопросов динамики стружкообразования, в частности:

- об амплитуде и частоте автоколебаний, возникающих при образовании сегментных стружек;

- о параметрах, определяющих условия сегментации стружки;

- о застойной зоне перед вершиной режущего клина, выступающей в роли генератора сегментов стружки.

Однако предложенная модель не учитывает ряд важных факторов:

- рассмотрена система третьего порядка, в которой не учтены параметры инструмента, в определенных условиях его жесткость становится соизмерима с жесткостью элемента стружки, он является одним из самых динамичных элементов технологической системы и в значительной степени определяет условия возникновения автоколебаний;

- она построена относительно равнодействующих сил на переднюю поверхность, что неизбежно приводит к потере дальнедействующих связей между элементами стружки, двигающимися по передней поверхности режущего клина;

- нелинейный элемент описан релейной характеристикой, которая не позволяет учитывать - возможность адгезионного схватывания;

- отсутствие связи вновь образовываемого элемента с другими элементами как находящимися в области контакта стружки с передней поверхностью, так и за ее пределами, что не позволяет получить информацию о возможной длине элементов сегментной стружки.

Поэтому предложено ввести в систему инструмент и свободный конец стружки, описываемых звеньями второго порядка, а систему рассматривать на основе баланса сил вдоль передней поверхности режущего клина на длине его контакта со стружкой.

В качестве нелинейности примем функцию, описывающую сухое трение. Влиянием температуры на коэффициент трения пренебрежем. Применяя известный подход, использованный в [3,3], линейную часть системы представим в виде совокупности трех элементов:

; ; (1)

;

где - передаточные режущего инструмента, элементов стружки, движущихся по передней поверхности, свободного конца стружки соответственно; - коэффициент преобразования, постоянная времени и коэффициент демпфирования резца; - коэффициент преобразования, постоянная времени и коэффициент демпфирования элементов стружки, находящихся в контакте с инструментом; - коэффициент преобразования и постоянная времени свободного конца стружки.

Для широкого круга практических задач: ; ; ; ; ; ; ; ; .

Структурная схема системы, отвечающая силовым взаимодействием ее элементов между собой, представлена на рис. 1.

Рис.1. Структурная схема нелинейной системы стружкообразования

Сделав простейшие структурные преобразования схемы (рис.1) можно перейти к схеме с нелинейностью и одним линейным звеном. Тогда передаточную функцию линейной части представим в следующем виде:

. (2)

Нелинейный элемент учитывает особенности трения стружки по передней поверхности режущего клина и описывается следующей выражением (рис.2):

(3)

;

где - скорость движения элементов стружки относительно передней поверхности движущегося режущего клина, - значение относительной скорости , при котором сохраняется высокая вероятность адгезионного схватывания контактирующих поверхностей; - относительное значение коэффициента трения покоя.

Анализ логарифмической амплитудно-частотной характеристики (ЛАЧХ) линейной части системы с параметрами: ; ; ; , ; ; ., приведен на рис. 3. Он показывает, что рассматриваемая система обладает ярко выраженными дифференцирующими свойством.

Рис. 2. Зависимость коэффициента трения от скорости движения стружки относительно передней поверхности движущегося режущего клина

Частотная характеристика имеет два экстремума. Низкочастотный связан с движением свободной части стружки, размеры и масса которой в общем смысле носят стохастический характер и определяются условиями разрыва ее сплошности на поверхности контакта с режущим клином.

Рис. 3. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика линейной части системы при:

а) , ;

б) ,;

в) ,

Как отмечено в предыдущем разделе это условие возникает между теми элементами, где возникают самые большие раздвигающие ускорения. Высокочастотный экстремум объясняется периодическим движением элементов стружки по передней поверхности, что отмечено в известных исследованиях [3, 4, 5]. Сложность анализа таких систем объясняется тем, что их свойства отличаются от свойств фильтра, что не дает возможность применить для анализа нелинейной системы метод гармонической линеаризации [2].

Чтобы оценить возможность возникновения автоколебаний в такого рода системах предложено использовать частные логарифмические амплитудно-частотные характеристики, аппроксимирующие исходную в окрестностях экстремумов. Требования к ним следующие:

-они должны обладать свойствами фильтра;

- их значения на резонансной частоте должны соответствовать экстремальным значениям;

- ниспадающие высокочастотные ветви должна максимально приближаться к соответствующим участкам исходной характеристики.

Пример построения частных логарифмические амплитудно-частотные характеристики для анализа возможности возникновения автоколебаний показан на рис. 4. для системы с рассмотренными выше параметрами ; .

Рис. 4. Логарифмические амплитудно-частотные характеристики:

1) исходная, 2) частная низкочастотная, 3)частная высокочастотная

Адекватность такого подхода требует обязательной проверки совпадения частот автоколебаний с диапазонами частот соответствующих ниспадающим ветвям исходной частотной характеристики, а также проверки устойчивости колебательных движений при возникновении возмущений [2,6].

Для рассмотренной системы частные передаточные функции линейной части системы имеют следующий вид:

; (4)

,

где - частных аппроксимирующих передаточных функций соответственно для низкочастотной и высокочастотной областей; , - коэффициент преобразования, постоянные времени и коэффициент демпфирования соответствующих частных аппроксимирующих передаточных функций; - амплитудно-частотная характеристика исходной системы.

В системах, линейные части которых обладают свойствами фильтра, действием высших гармоник можно пренебречь [2]. Тогда с определенной точностью выходной сигнал можно представить в следующем виде:

. (5)

Сделав ряд преобразований, нелинейный элемент можно описать уравнением [2,3,6]

, (6)

тогда его передаточная функция примет вид:

; (7)

;

,

где - оператор преобразования Лапласа; и - коэффициенты гармонической линеаризации.

Для рассмотренной нелинейности (3), приведенной на рис.4, коэффициенты гармонической линеаризации:

;. (8)

Зависимость коэффициентов линеаризации от амплитуды автоколебаний для следующих значений параметров нелинейности: ; ; , приведены на рис. 5.

а) б)

Рис. 5. Коэффициенты гармонической линеаризации:

а) ; б) ; 1-, ; 2- , ;

3- ,

Анализ полученных зависимостей показывает, что значение коэффициент практически на два порядка больше . Это позволят в оценочных расчетах им пренебречь.

Автоколебания в замкнутой системе, представленной на рис.1, можно определить из условия нахождения линеаризованной системы на границе устойчивости.

Передаточная функция замкнутой линеаризованной системы

. (9)

Характеристическое уравнение этой системы

, (10)

где - коэффициенты характеристического уравнения, являются функциями параметров системы и амплитуды автоколебаний.

Для существования периодического решения в соответствии с критерием Михайлова [4] необходимо, чтобы

; (11)

,

то есть корни характеристического уравнения (10) . При использовании частных аппроксимирующих передаточных функций (4) выражение (11) существенно упрощается. Для рассмотренного случая этому условию удовлетворяют следующие значения амплитуды и частоты автоколебаний:

- для низкочастотного диапазона ():

- для высокочастотного диапазона ():

Уменьшение амплитуды колебаний скорости стружки относительно передней поверхности режущего клина на высоких частотах, вероятно, можно объяснить возрастанием демпфирующей способности свободной ее части. Отмечено сильное влияние параметров линейной части на возникновение автоколебаний. При определенных условиях автоколебания могут возникать только в низкочастотном, только в высокочастотном диапазонах или вообще не возникают. Установлено, что увеличение зоны адгезионного схватывания приводит уменьшению амплитуды и увеличению частоты автоколебаний.

Для устойчивости полученного периодического решения (11) необходимо потребовать, чтобы в возмущенном движении , где малые отклонения параметров периодического решения не приводили к расходящимся процессам, то есть знаки величин и должны совпадать [2].

После подстановки в характеристическое уравнение исходной системы (11) корней, соответствующих возмущенному движению в низкочастотном или в высокочастотном диапазоне, оно принимает следующий вид:

(12)

В результате разложения уравнения (12) в ряд Тейлора в окрестности точки с координатами , соответствующими автоколебаниям в низкочастотном или в высокочастотном диапазонах, и исключения бесконечно малых высшего порядка малости, получено

, (13)

где -коэффициенты разложения в ряд Тейлора левой части уравнения (12) при нулевых отклонения движения .

После преобразований (13) и исключения из него получено необходимое условие существования устойчивых автоколебаний:

. (14)

Устойчивому периодическому решению, как отмечено выше, соответствует выполнение условия: . Это достигается, если в (14)

. (15)

Для рассмотренного случая автоколебания в низкочастотном и в высокочастотном диапазонах, являются устойчивыми, поскольку ;

Кроме выполнения условия (15) необходимо потребовать, чтобы в характеристическом уравнении гармонически линеаризованной системы, кроме чисто мнимых корней , соответствующих периодическим решениям, все остальные корни имели отрицательные вещественные части. Многочлен

, (16)

где - частоты автоколебания в низкочастотном и высокочастотном диапазонах соответственно; показатели степени принимают значения 1 при наличии и 0 при отсутствии соответствующего корня, должен удовлетворять критерию Гурвица или Михайлова.

Проведенная оценка показала, что , то есть выполняется необходимое и достаточное условие устойчивости периодических решений.

На основании проведенные исследования установлено, что наиболее существенное влияние на параметры периодического решения и его устойчивость оказывают: режимы резания, характеристики нелинейности, свойства обрабатываемого материала, и постоянная времени резца. Наличие двух периодических решений говорит о прерывистом (циклическом) характере движения стружки по передней поверхности режущего клина и пульсирующей скорости движения свободного конца стружки. Последнее подтверждает ранее полученные результаты о возможности возникновения разрывающих ускорений являющихся причиной дискретизации стружки на отдельные элементы. Управление параметрами нелинейности с помощью дискретного электрического воздействия позволяет повысить эффективность процесса благодаря снижению сил резания [1].

Работа выполнена в рамках проекта РФФИ 16-48-710339 р_а "Развитие теории высокоэффективных процессов направленного разрушения материалов, основанных на принципах пространственно временной адаптации вектора воздействия по состоянию упругопластического деформирования зоны предразрушения".

Список литературы

1. Аваков А.А., Саргсян Л.М. Новый метод управления сходящей стружкой путем ввода в зону резания электрических токов от 30 до 640 // Исследование процесса резания и режущего инструмента: сб. тр. Томск, 1984. С.45-48.

2. Биссеркерский В.А., Попов В.М. Теория систем автоматического регулирования -М.: Наука, 1996. -992с.

3. Волков Д.И., Проскуряков С.Л. Разработка модели процесса резания с учетом цикличности формирования стружки. //Вестник УГАТУ. Машиностроение. - Уфа: Изд-во УГАТУ, 2011. - Т 15, №3(43). - С. 72-78.

4. Евсеев Л.Л. Исходные положения и зависимости для расчета характеристик динамики процесса резания металлов//Вестник машиностроения 1995 №12. 1,3,7 с.

5. Евсеев Л.Л. Расчет оптимальной скорости резания по коэффициенту динамичности процесса стружкообразования //СТИН. 1994. № 4. 41- 43 с.

6. Шадский Г.В., Сальников С.В. Нелинейная модель технологической системы //Известия ТулГУ. Технические науки. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. - Вып. 11-2. - С. 545 -554.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены