Иссдедования координатной связи в резцах с державками с анизотропной структурой Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Хлудов Сергей Яковлевич, д-р техн. наук, проф., Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Кошелева Алла Александровна, д-р техн. наук, доц., проф., allakos@,pochta.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

PRODUCTIVITY TURNING BASED ON INNOVA TIVE DESIGN OF REPLACEMENT

CUTTING PLATES

Vasin S.A., Vasin L.A., Khludov S.Y. Kosheleva A.A.

Proposed progressive design of SMEs, allowing to increase productivity and vibrostability of processing and also to provide crushing of swarf during turning.

Key words: turning, turning tools, crushing of swarf, SMP, chip cutting plate, performance.

Vasin Sergey Aleksandrovich, doctor of technical science, professor, manager of department, Russia, Tula, Tula State University,

Vasin Leonid Aleksandrovich, doctor of technical science, professor, manager of department, Russia, Tula, Tula State University,

Khludov Sergei Yakovlevich, doctor of technical science, professor, Russia, Tula, Tula State University,

Kosheleva Alla Aleksandrovna, doctor of technical science, professor, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.9.025

ИССДЕДОВАНИЯ КООРДИНАТНОЙ СВЯЗИ В РЕЗЦАХ С ДЕРЖАВКАМИ С АНИЗОТРОПНОЙ СТРУКТУРОЙ

Н.Н. Бородкин, С.А. Васин, Л.А. Васин

Проведены теоретические исследования динамики процесса резания, исследованы причины возникновения координатной связи в подсистеме инструмента, уменьшение проявления координатной связи по направлению результирующей силы резания, на основе ориентации жесткости и диссипации, создание анизотропной структуры.

Ключевые слова: динамика процесса резания, автоколебания, координатная связь, жесткость, диссипация, анизотропная структура.

В машиностроении широко используется такой метод обработки, как точение. Обеспечение высокой производительности точения при одновременном достижении необходимой точности и шероховатости обработанной поверхности до сих пор сдерживается наличием вибраций, сопровождающих процесс резания. Следует отметить, что в настоящее время

проблема вынужденных колебаний при токарной обработке может быть решена на основе проведения необходимых расчетов, не вызывающих существенных затруднений. Возникновение вибраций при точении вызывается возмущающими силами и свойствами упругой системы, взаимным влиянием упругой системы и сил, которые определяют характер связей.

Наиболее распространенным видом вибраций при работе на металлорежущих станках являются автоколебания. Известно, что возникновение автоколебаний в процессе точения можно предотвратить путем снижения скорости резания, что приводит к уменьшению производительности обработки и увеличению себестоимости выпускаемой продукции.

Изучению автоколебаний были посвящены работы следующих ученых: В.В. Агафонова, Заковоротного, И.И. Ильницкого, А.И. Каширина, П. Като, В.А Кудинова, Л.К. Кучмы, Г.С. Лазарева, Л.С. Мурашкина, С.Л. Мурашкина, В.А. Остафьева, В.Н. Подураева, А.П. Соколовского,

Н.И. Ташлицкого, И. Тлусты, С. А. Тобиаса, Шоу, Холкена, М .Е. Эльясберга, и др.

Существует несколько причин возбуждения и развития автоколебаний при точении, одной из которых является наличие координатной связи. При этом автоколебания инициируются, как правило, наиболее слабым звеном технологической системы, роль которого часто выполняет режущий инструмент.

До настоящего времени было проведено большое количество исследований в области изучения теории координатной связи при точении и других видах обработки. При этом установлено, что главными причинами возникновения координатной связи в подсистеме «инструмент - заготовка» являются:

- наличие связей обобщенных координат (зависимость между собой отдельных перемещений);

- несовпадение действующей результирующей силы с направлением главных осей жесткости упругой системы.

До настоящего времени остается нерешенной проблема повышения виброустойчивости процесса точения на основе снижения уровня проявления координатной связи. При этом известно, что устранить автоколебания, связанные с проявлением координатной связи, можно на основе ориентации жесткости и диссипации наиболее слабого звена технологической системы по направлению результирующей силы резания. Реализовать при точении рациональную ориентацию осей жесткости подсистемы инструмента как наиболее слабого звена технологической системы по направлению равнодействующей силы резания для существующих конструкций резцов практически невозможно, а соответственно нельзя устранить автоколебания, связанные с проявлением координатной связи. В связи с этим повышение виброустойчивости токарной обработки на основе снижения уровня проявления координатной связи можно путем применения токарных рез-

цов со структурированными державками, обладающими анизотропной жесткостью.

Процесс резания осуществляется в результате взаимодействия подсистем станка инструмента и заготовки. Это взаимодействие формирует динамическую связь, а сами подсистемы станка объединяются с ее помощью, в результате чего образуется единая динамическая система [1].

Динамическая система резания рассматривается как единая совокупность управляемых приводов элементов станка, несущей системы, управления, формируемого в координатах состояния, и динамической связи, образующейся в результате взаимодействия инструмента и заготовки.

Динамическая характеристика процесса резания является эволи-ционизирующей [2]. Свойства процесса резания зависят от всей динамической системы резания.

Координаты состояния управляемой системы представляют зафиксированные в момент времени координаты, характеризующие процесс резания, упругие деформации инструмента относительно заготовки, координаты перемещений исполнительных элементов станка (координаты суппорта и угловые координаты шпинделя и т.д.) [2].

Траектория состояния или траектория исполнительных элементов станка отличается от координат состояния тем, что она задана на некотором временном интервале.

Проблема виброустойчивости при токарной обработке включает в себя две компоненты: Во-первых, это анализ устойчивости в точки равновесия динамической системы резания. И если эта система неустойчива, то формируются автоколебания, либо другие многообразия типа инвариантных торов и даже хаотических аттракторов [2].

Во-вторых, это реакция системы на внешние силовые возмущения.

Эти факторы оказывают влияние на колебания инструмента относительно заготовки в процессе токарной обработки, и эти колебания влияют на качество, износостойкость, производительность и т.д.

В настоящее время проблема устойчивости в точки равновесия динамической системы резания рассматривается, прежде всего, под углом зрения:

- Формирование запаздывающего аргумента в вариациях сил относительно координатных упругих деформационных смещений инструмента относительно заготовки.

- Запаздывания (оценивания) уменьшения сил по мере увеличения скорости, так называемая кинетическая характеристика процесса резания.

- Гистерезисных связей, которые рассматривают изменения траектории при движении инструмента в сторону заготовки и от нее.

Можно не называть фамилии зарубежных и наших ученых, которые рассматривали те или иные модели. Но если внимательно посмотреть, то все модели, в конечном счете, учитывают почти одно «обстоятельство»,

что формируется отрицательное трение (отрицательное резание) т.е. уменьшение сил по мере увеличения скоростей колебательных смещений.

Ранее В.А. Кудиновым, Полачеком , И. Тлусты показано, что в процессе резания формируются координатные связи. Все предыдущие исследования рассматривали скалярные модели, т.е. рассматривали модели которые анализируют зависимость некоторой общей составляющей силы от некоторой одной координаты упругих деформационных смещений.

Координатная связь которая была сформулирована и существование этой связи тем не менее было гипотетически, но в дальнейших исследованиях никак не использовалось. И дело здесь вот в чем, когда мы приходим от скалярных к векторным моделям, то формируются множество дополнительных связей, которые необходимо учитывать. Например, так как матрица динамической жесткости процесса резания является не симметричной, то суммарная матрица жесткости той же системы не является симметричной. Она представима в виде симметричной и кососимметричной составляющих, а кососимметричные составляющие определяют так называемые циркуляционные силы [3].

Именно циркуляционные силы формируются за счет координатной связи. Что это значить? А это значит, что координатные связи могут привести к потери устойчивости системы. За счет формирования циркуляционных сил, которые сами по себе могут привести к потери устойчивости и наблюдается это на основе формирования прецессионных колебаний [3].

Известно, что при анализе осциллограмм, изменения сил от колебательный смещений при резании, эти траектории движения инструмента осуществляются по эллипсу, при чем направления движения инструмента происходят против часовой стрелки. Такое направление движения соответствует формированию циркуляционных составляющих сил [3].

Координатную связь между обобщенными координатами упругой сисстемы (УС) рассмотрим на примере системы токарного станка, где рассмотрим отдельно перемещения инструмента при деформировании суппортной группы и обрабатываемой детали - при деформировании шпиндельной группы станка. Эти перемещения суммируются как независимые. УС суппортной группы представлена системой, имеющей так называемый центр жесткости или кручения. Если нагрузка проходит через центр жесткости, то смещение любой точки верхней части суппорта (резцедержателя) определяется деформациями по двум главным центральным осям жесткости без поворота резцедержателя. Если сила не проходит через центр жесткости, то к указанному перемещению добавляется смещение от поворота вокруг центра жесткости. Величина этого смещения определяется моментом силы и крутильной жесткостью.

Статическая характеристика УС определяется отношением деформации по оси У к внешней силе, действующей по направлению силы резания. По В.А.Кудинову получаем эллипс жесткости, который аналогичен

эллипсу инерции сечения балки, принятому в сопротивлении материалов. При косом изгибе балки, т.е. при несовпадении силы с направлением главных осей жесткости (оси эллипса), направление полной деформации перпендикулярно касательной к эллипсу в точке пересечения его линией действия силы (рис.1).

а б

Рис. 1. Схема косого изгиба балки: а - направление осей жесткости и демпфирования в подсистеме инструмента; б - плоская диаграмма перемещений вершины токарного резца

При определенных значениях параметров системы возможно появление нулевой и отрицательной статической характеристики (бесконечная и отрицательная технологическая жесткость) [1].. В этом случае вершина резца не перемещается по оси У или перемещается навстречу проекции Ру действующей внешней силы. Условия возникновения такого явления

могут быть получены из рассмотрения эллипса жесткости.

Обозначив угол между направлением деформации и осью максимальной жесткости, получаем условие положительности проекции перемещения на ось У :

у<а + р. (1)

На основании свойства сопряженных диаметров эллипса

С о ^§У = ТГ tg$ С2

где Cl = Cmax, а С2 = С]

min •

После подстановки и преобразований условие (1) получит вид

е 2-£1 < О,

с2

е1 = cos b' sin (a + b) е 2 = sin b • cos(a + b)

2l0

При равенстве нулю выражения (2) УС обладает нулевой статической характеристикой. Некоторые авторы полагают эту характеристику идеальной для токарного станка, так как в этом случае исключается влияние деформации суппорта на точность обработки. При этом не учитывается влияние замкнутости динамической системы, т.е. изменение сил резания с деформацией, а также возможность появления апериодической нестой-чивости системы.

Проектируя внешнюю силу Р на главные оси жесткости, находим соответствующие деформации. Суммирование их проекций на ось У дает интересующее нас перемещение.

Таким образом, статическая характеристика, выраженная передаточным коэффициентом, имеет вид

К = у = _Ё2 _Єї

Кэус Р С2 С

По определению А.П. Соколовского выражение для технологической жесткости будет иметь вид в виде отношения Ру к перемещению у

■ Py • Ci 1 .

j = — = sin a —— ---------=-----sin a.

У С e2 _ei *эус

C2

На рис. 2 представлен график зависимости статической характеристики и технологической жесткости УС суппорта от угла, построенным по данным.

N^Tniaz J Cmin \ \ rtf' 5 ффУ Cmin ^

) у\ У* у У У У*

5 У У У у у У У

) 5 / У Т УІ * у У У У У / У Л ^У У

У ^\Cmaz Г Cmin

У 4 у у // ♦ / ф п ~— -— □ \Cmaz _ л /-

& У ' У* —А —

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 V

Рис. 2. Результаты моделирования зависимостей изменения жесткости по направлениям угла Ь между направлением результирующей силы с осью максимальной жесткости и угла у между направлением деформации с осью максимальной жесткости

б в Рис.3. Конструкции державки резца: а - стального и

структурированного, учитывающих направление жесткости: б - с одной укосиной Сі/С2 =2; в - тремя укосинами С]/С2 >3

В рассмотренной ТС станка механизм возникновения автоколебаний (вибраций) осуществляется в присутствии координатной связи в целом всех ее элементов динамической модели. Координатная связь ТС (упругой ее части всех элементов) проявляется в том, что в общем случае под действием приложенной силы к вершине резца (в процессе точения), как самый слабый элемент в ТС стремиться сместиться не только в направлении вектора силы Р2 но и в радиальном направлении.

Упругая система при Сі /С2 >2 и более приобретает минимальную линейную зависимость (статическую характеристику) от угла /5, в этом случае не учитывается влияние замкнутости динамической системы и исключается влияние деформации суппорта на точность обработки. На рис. 3 представлены конструкции державок резца стального и структурированных, учитывающих направление жесткости и их величины.

Таким образом, виброустойчивость ТС зависит не только от значений основных параметров системы (масс, коэффициентов жесткостей и демпфирования элементов), но и от ориентации главных осей жесткости относительно направления силы резания.

Анализируя изложенный ранее материал, в литературе отсутствует систематизированный подход при проектировании комбинированных державок резцов с учетом уменьшения проявления координатной связи, отсутствует инженерная методика определения геометрии слоев, физикомеханических, деформативных и диссипативных свойств.

В работах С.А. Васина, Л.А. Васина, В.А. Рогова и др. изложены вопросы конструкторско-технологических решений при проектировании, конструировании и эксплуатации державок режущих инструментов на основе применения композитов и металла. Однако в данных работах многослойные и комбинированные конструкции державок резцов выполнены без учета уменьшения влияния координатной связи.

При проявлении координатной связи при точении, необходимо уменьшить ее влияние на процесс точения - главная задача. При растачивании - это выполнимо, а при точении этого не сделаешь. В обычных резцах уменьшение влияния проявления эффекта координатной связи невозможно, а в конструкциях при использовании резцов со структурированными державками это выполнимо.

На основе анализа состояния вопроса сформулированы основные направления повышения виброустойчивости процесса точения с учетом координатной связи (рис.4).

Повышение виброустойчивости при токарной обработке можно решить уменьшением влияния координатной связи и изменением ориентации главных осей жесткости путем использования корректирующей инструментальной оснастки или инструмента с направленной жесткостью. В современных условиях данная проблема наиболее эффективно решается путем создания анизотропной среды с направленной жесткостью и эффективным демпфированием, а так же ориентированием главных осей жесткости УС «резец - заготовка» на основе конструирования и использования структурированных державок резцов.

Рис. 4. Основные параметры и настройки системы проектирования процесса точения с учетом координатной связи

Наиболее просто она реализуется в резцах со структурированными державками с использованием в конструкции укосин, обладающих жесткостью по направлениям в державке резца. Угол расположения укосин, обеспечивающий максимальную жесткость, должен соответствовать на-

правлению действия равнодействующей силе резания при точении. При этом уменьшается влияние координатной связи путем изменения настройки в подсистеме инструмента.

Таким образом, общий концептуальный замысел работы заключается в эффективном использовании жесткости и диссипации в подсистеме инструмента путем уменьшения проявления координатной связи, результатом которой является снижение движения инструмента по осям, влияющие на точность обработки.

Конструктивные решения подсистемы инструмента получили научное подтверждение в виде патентов на изобретения, технические решения и полезные модели. На основе анализа и исследования вопросов конструирования державок сформулированы и обоснованы направления повышения эффективности процесса точения на основе учета направленной жесткости и диссипации структурированных конструкций инструмента путем уменьшения влияния координатной связи.

В работах [3,4] рассматривается, действительно, координатные

связи, т.е. связи которые учитывают векторные представления и о силах и о реакциях сил, например, сила резания в вариациях относительно точки равновесия в линеаризованной представлениях и представляются в виде матрицы динамической жесткости.

Таким образом, виброустойчивость ТС зависит не только от значений основных параметров системы (масс, коэффициентов жесткостей и демпфирования элементов), но и от ориентации главных осей жесткости относительно направления силы резания.

Существующие сегодня подходы к анализу динамической устойчивости процесса резания опираются на представлениях в зависимости силы резания от упругих перемещений инструмента относительно заготовки в направлении к нормали поверхности резания. Такие представления отражены в работах В. А. Кудинова, И. Тлусты, В. А. Остафьева и др. При этом не раскрывается преобразование всей динамической структуры станка в зависимости от координат пространства и его состояния.

Приведенный анализ в статье показывает, что дополнительная связь, формируемая силами резания в координатах состояния системы, принципиально влияет на устойчивость равновесия. На устойчивость равновесия принципиально влияет и структура формирования упругих и диссипативных сил в подсистемах режущего инструмента и обрабатываемой детали.

Приведенный анализ показал, что для обеспечения асимптотически устойчивости процесса резания важным направлением совершенствования суппортной группы станка, в том числе и свойств режущего инструмента, являются такие конструктивные изменения, которые позволяют влиять на ориентацию диссипативных и упругих систем подсистемы режущего инструмента.

Список литературы

1. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. 359

с.

2. Заковоротный В.Л., Флек М.Б. Динамика процесса резания. Синергетический подход. Ростов-на-Дону: «Терра». 2006. 876с.

3. Бородкин Н.Н. Влияние координатных связей на устойчивость равновесия технологической системы при резании // Известия ТулГУ. Серия «Технические науки». Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. Вып. 4. С. 137 - 144.

4. Бородкин Н.Н. Влияние ориентации эллипсов жесткости и диссипации на устойчивость равновесия динамической системы резания // Известия ТулГУ. Серия «Технические науки». Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. Вып. 4. С. 144 - 151.

Н.Н. Бородкин, д-р техн. наук, доц., зав. кафедрой, (4872) 33-44-14, n. borodkin@yandeх. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

С.А. Васин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 33-44-54, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Л.А. Васин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE STUDY OF COORDINATE COMMUNICATION TOOL WITH TOOLHOLDERS WITH

ANISOTROPIC STRUCTURE

N.N.Borodkin, S.A. Vasin, L.A. Vasin

A theoretical study of the dynamics of the cutting process, investigate the causes of the coordinate communication tool in the subsystem, reducing the manifestations coordinate communication in the direction of the resultant cutting force, based on the orientation of stiffness and damping, creating an anisotropic structure.

Key words: dynamics of the cutting process, avtokalebaniya, the coordinate bond, stiffness, dissipation, anisotropic structure.

Borodkin Nikolay Nikolaevich, doctor of technical science, docent, manager of department, Russia, Tula, Tula State University,

Vasin Sergey Aleksandrovich, doctor of technical science, professor, manager of department, Russia, Tula, Tula State University,

Vasin Leonid Aleksandrovich, doctor of technical science, professor, manager of department, Russia, Tula, Tula State University