CC BY
13
THE INFLUENCE OF THE STIFFNESS OF THE TOOL SWEEP-TAP AT ITS TRANSVERSE VIBRATIONS
N.N. Borodkin, V.Y. Timokhina
The influence of the stiffness of the combined sweep-tap tool on its transverse vibrations is Considered. At rigid fastening of the tool in a cartridge at uniform distribution of teeths rigidity does not depend on an angle of rotation of the tool and does not influence its fluctuations. With uneven angular distribution of the teeth in the system there are vibrations of the second harmonic.
Key words: combination tool, reamer tap, the rigidity of the tool vibrations.
Borodkin Nikolay Nikolaevich, doktor of technical science, docent, manager of department, n. borodkin@vandeх. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Timokhina Valentina, engineer, senior lecturer, n. borodkin@yandeх. ru, Ukraine, Donetsk, Donetsk Institute of railway transport
УДК 621.9.025
ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРНОГО КРИТЕРИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ АВТОКОЛЕБАНИЙ ПРИ ТОЧЕНИИ
Н.Н. Бородкин, Л. А. Васин, С. А. Васин, Н.Н. Бородкина
Рассмотрена структурная теория возникновения автоколебаний, оценка сил резания и сил упругости в создании суммарных «базовых» силовых полей, образованных этими силами. Проведено исследование второго структурного критерия устойчивости. Разработаны конструкции державок токарных резцов для уменьшения проявления координатной связи.
Ключевые слова: структурная теория, автоколебания, силовые поля, структурный критерий устойчивости.
Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в последние годы в области механической обработки металлов резанием, позволили глубже понять многие явления в их взаимосвязи и тем самым способствовали совершенствованию технологии обработки металлов.
С целью повышения виброустойчивости при точении на использования резцов с многослойными державками в последнее время появились работы Васина Л.А., Васина С,А., Рогова В.А. Бородки-на Н.Н., в которых на основе применения многослойности и других конструктивных особенностей державки токарного резца повышаются диссипативные свойства конструкции в подсистеме инструмента.
Вынужденные колебания могут возникнуть под влиянием периодических возмущений при значительных погрешностях и износе системы привода станка, а также могут передаваться через фундамент от близко работающих, недостаточно уравновешенных станков и двигателей. Поскольку причина возникновения вынужденных колебаний хорошо известна, то имеются и достаточные технические возможности для снижения их уровня.
Автоколебания при резании металлов имеют совершенно иную природу, так как их появление не связано с какой либо внешней периодической возмущающей силой. Даже для хорошо отрегулированных станков, обладающих высокой жесткостью, в процессе резания при определенных условиях работы могут возникнуть автоколебания, которые ограничивают допустимые режимы резания, снижают качество изделий, а порой приводят к повышенному износу режущих кромок инструмента. В отличие от вынужденных колебаний частота автоколебаний остается постоянной в широком диапазоне скоростей резания, что является наиболее характерным признаком, по которому можно отличить вынужденные колебания от автоколебаний.
Теория возникновения автоколебаний, которая была разработана В. А. Кудиновым для колебательных систем при точении и получила подтверждение при использовании в системе резцов со структурированными державками. Применение резцов со структурированными державками позволяет обеспечить изменение их параметров путем введения анизотропной структуры и повысить диссипативные свойства в подсистеме инструмента. В результате можно уменьшить возможность проявления координатной связи [1].
Для объяснения природы автоколебаний оказалось необходимым перейти от локальной оценки сил резания и сил упругости к рассмотрению суммарных «базовых» силовых полей, образованных этими силами. Силовые поля ранее рассматривались при исследовании колебаний в «теории координатной связи» В. А. Кудинова, И. Тлустого [1]. Структурная теория автоколебаний с точки зрения создания анизотропных силовых полей, ранее рассматривалась в работе [2]. При этом было установлено, что эти поля существуют и определяют устойчивость станка в процессе резания. Физический смысл анизотропных силовых полей, образованных силами упругости, силами резания и демпфирования, принципиально отличается от поля напряженного состояния в срезаемом слое металла или от поля напряжений на рабочих поверхностях инструмента [2].
Ранее в статье мы рассматривали особенности формирования структуры силового поля в окрестности вершины резца с применением высокодемпфирующей, многослойной конструкции державки. Установили структурный критерий устойчивости. Если вершина резца, как материальная точка, находится в силовом поле и силы поля образуют в окрестности равновесия особую точку - узел, то динамическое равновесие устойчиво для сходящегося силового поля и неустойчиво для расходящегося [2].
Структурный критерий устойчивости представлен в виде трех неравенств [2].
Сп + С22 > 0, С11С22 - С12С21 > 0,
(С11 - С22 )2 + 4С12С21 > 0.
При определенных условиях резания источником возбуждения автоколебаний может являться упругая система резец - резцедержатель, собственная частота которой значительно выше собственной частоты колебаний упругой системы деталь - опоры станка, что и обусловливает появление «высокочастотных» автоколебаний с частотой в несколько тысяч герц.
Ниже проводится анализ второго неравенства структурного критерия устойчивости
С11С22 - С12С21 > 0, (2)
нарушение которого, как будет показано, приводит к высокочастотным автоколебаниям упругой системы станка в процессе резания.
Неравенство (2) было получено в работе [3], однако оно не было принято в качестве критерия возбуждения автоколебательного режима. Это неравенство рассматривалось как критерий «подрывания» резца, т. е. как критерий апериодической неустойчивости.
В окрестности вершины резца силы упругости и силы резания образуют суммарное силовое поле, которое определяет устойчивый или неустойчивый режим работы подсистемы инструмента.
Очевидно, что только на подсистему инструмента действует суммарное силовое поле и все силовые линии проходят через положение равновесия. В результате в окрестности вершины резца момент внешних сил относительно этой точки равен нулю, а момент количества движения остается величиной постоянной. С учетом диссипативных сил в анизотропных структурах такая система обеспечивает асимптотическую устойчивость путем уменьшения проявления координатной связи. Это означает, что подсистема инструмента, случайно выведенная из состояния равновесия, возвращается в положение равновесия суммарными силами поля. Таким образом, механизм устойчивости заложен в самой структуре суммарного силового поля, где в подсистеме инструмента, направление результирующей силы резания должно совпадать с направлением главной оси жесткости.
Коэффициенты жесткости С- ■, входящие в неравенство (2) для динамической упругой системы
Ч
станок - деталь - инструмент в относительном движении (С-Д-И), определяются по зависимости (1). Однако анализ второго неравенства может быть проведен значительно проще, если рассмотреть коэффициенты жесткости, полученные при проецировании сил упругости и сил резания на главные оси жесткости упругой системы С-Д-И. В этом случае сумма проекций сил резания и сил упругости может быть записана в виде
F1v = -X1C11V-X2C12V , (3)
F2v = -X1C21v -X2C22V ,
где
Сц(- = Q + r cos b cos(b + ar), Ü22q = C2 + r sin b sin(b + ar), (4)
Ci2v = r sin b cos(b + ar), C22V = r cos b sin(b + ar).
Подставляя значения коэффициентов жесткости с■ во второе неравенство (1) и приравнивая
полученное неравенство к нулю, определим критическое значение коэффициента резания
*
r = -
* C1C2_. (5)
Cj sin(b+ ar )sin b + C2 cos(b + ar )cos b
339
Предположим, что для определенных конструкций державки резца С\, С2 и аг являются постоянными. Тогда найдем р, соответствующее минимальному значению коэффициента резания г * . Для этого возьмем производную от выражения (5) по р . После решения и преобразований получим условие, отвечающее минимальному критическому значению коэффициента резания (для случая С\ (С2).
к~а г (6)
Р2
2
Если выразить из полученной зависимости (6) величину аг и подставить в выражение критического значения коэффициента резания (5), то получим критическое минимальное значение коэффициента резания
С1С2 .__(7)
г2 ="
С2 COS2 р2* - sin2 р2*
Эта формула позволяет определить критическое минимальное значение коэффициента резания, при котором возможно наступление автоколебательного режима работы.
Как следует из структуры формулы (7), при заданном р2* критическое минимальное значение
Г2* зависит от разности жесткостей по главным осям. Если эта разность мала, критическое значение коэффициента растет. Поэтому нарушение второго неравенства структурного критерия устойчивости наиболее вероятно при большей разности жесткости по главным осям рассматриваемой упругой системы. Это возможно, например, при работе резцом с большим вылетом или с многослойными державками из металла и композита, где жесткость одного из звеньев системы по осям в определенном направлении мала.
Проведение дальнейших исследований обусловливалось совершенствованием конструктивных решений и рациональным расположением слоев с большей эффективностью. Поэтому важно было определить рациональные параметры слоев и оптимальную конфигурацию, которые были бы способны обеспечить различные условия работы таких армирующих элементов при изменении их прочности и прочности бетонных или композиционных матриц.
Сводная таблица конструкций структурированных державок резцов [4,5,6]
Тип
ддер-
жавки
Состав конструкции державки резца 8
Моделирование жесткости по осям
Z
Х
У
Жест-кость,(вы летН) С, мН/м
Лог. дек-ре-мент, 8
Частота
(эксп.),
Гц
Инертность, Ж,
(м/с2Н)
А
60
0,23
5344
7,08
157
0,425
2240
6,35
73
0,302
Патент РФ 2281196
4020
5,89
94
0,42
Патент №68389
4609
4,79
Д
++
+ +
126
0,44
Патент РФ 11 № 2281196 Б
5760
3,8
++ +
+ + +
+ +
148
0,46
Патент РФ №2217267,
6016
3,17
Ж
++
+ + +
135
0,64
Патент РФ 11 № 2280542
6272
5,46
Б
+
+
В
+
+
+
Г
+
+
+
+
Е
+
В результате проведения исследований получены патенты на способ изготовления, совершенствования конструктивных решений и на конструкции для достижения более эффективных конструктивных решений (см. табл.). В сводной таблице приведены конструкции державок токарных резцов, возможности моделирования жесткости в целом конструкции и жесткости по осям Cj и С2, а также приведены их динамические характеристики (логарифмический декремент, частота и инертность).
Способом увеличения прочности и жесткости комбинированной державки является внешнее армирование в виде приклеенных с двух сторон плоских пластин одинаковой толщины или разной толщины, или профилированных металлических пластин.
При изготовлении державок резцов используют стандартные пластины с шероховатостью поверхности, обеспечивающей наибольшую адгезию с композиционным материалом или листовой материал с различно расположенными отверстиями, которые являются, например, отходами штамповочного производства. Применение отходов штамповочного производства позволяет снизить объем механической обработки при производстве конструкций державок резцов на 50.. .70 %.
На основании теоретического исследования влияния направлений жесткости и диссипации в структуре державки были разработаны комбинированные конструкции режущего инструмента, которые приведены в таблице.
Разработанные структурированные конструкции державок резцов являются унифицированными с точки зрения решения проблемы повышения виброустойчивости процесса точения на основе уменьшения проявления координатной связи.
Таким образом, для уменьшения проявления координатной связи разработаны конструкции державок токарных резцов на основе использования анизотропной структуры по осям, что обеспечивает создание разновесовых взаимозависимых функциональных связей между процессом резания и обобщенными координатами инструмента, обеспечивающих компенсацию силового взаимодействия по координатам, за счет рациональной ориентации по направлениям жесткости и диссипации. В результате снижается уровень проявления координатной связи.
Список литературы
1. Кудинов В. А. Динамика станков. М.: Машиностроение,1967. 359 с.
2. Бородкин Н.Н., Васин Л.А., Васин С.А. Особенности формирования структуры силового поля в окрестности вершины резца с высокодемпфирующей конструкцией державки // СТИН, 2018. № 4. С. 26-30.
3. Васин С.А. Динамика режущего инструмента с корпусами из нетрадиционных материалов: монография. Тула, 2002. 168 с.
4. Бородкин Н.Н. Влияние ориентации эллипсов жесткости и диссипации на устойчивость равновесия динамической системы резания // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2010. Вып. 4. С. 118 - 125.
5. Бородкин Н.Н. Повышение виброустойчивости технологической системы при использовании резцов со структурированными державками: диссертация ... док. тех. наук. Тула, 2011. 295 с.
6. Патент РФ 2217267. МКИ3 В 23 В 27/ 00 Резец / С.А. Васин, Л.А.Васин, Н.Н. Бородкин. Опубл. 27.11. 2003. Бюл. № 33.
Бородкин Николай Николаевич, д-р техн. наук, доцент, n. borodkin@yandeх. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Васин Леонид Александрович, д-р техн. наук, профессор, Vasin-la @yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Васин Сергей Александрович, д-р техн. наук, профессор, vasin_sa53@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Бородкина Наталья Николаевна, инженер, nataliborodkin@yandeх.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
STUDIES OF THE STR UCTURAL STABILITY CRITERIONIN THE FORMATION OFHIGH-FREQUENCY
SELF-OSCILLATIONSDURING TURNING
N.N. Borodkin, L.A. Vasin, S.A. Vasin, N.N. Borodkina
The structural theory of the occurrence of self-oscillations, evaluation of cutting forces and elastic forces in the creation of the total "basic" force fields formed by these forces are considered. The study of the second structural stability criterion is carried out. Designs of holders of turning tools for reduction of manifestation of coordinate communication are developed.
Key words: Structural theory, self-oscillations, force fields, structural stability criterion.
Borodkin Nikolay Nikolaevich, do^or of technical science, docent, n. borodkin@yandeх. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Vasin Leonid Aleksandrovich, do^or of technical science, professor, Vasin-la @yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Vasin Sergey Aleksandrovich, do^or of technical science, professor, vasin_sa53@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Borodkina Natalia Nikolaevna, poctgraduate, nataliborodkin@yandeх. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.9
ПЕРСПЕКТИВЫ УПРАВЛЕНИЯ КИНЕМАТИЧЕСКИМИ УГЛАМИ РЕЖУЩЕГО КЛИНА
НА ОПЕРАЦИЯХ ТОЧЕНИЯ
Г.В. Шадский, В.С. Сальников, О.А. Ерзин
Проведен анализ известных способов управления кинематическими углами предложено введение дополнительных цилиндрических координат режущего клина в системе координат инструмента.
Ключевые слова: процесс разрушения, упругопластическое деформирование, управление процессом, режущий клин, пространственно-временное согласование.
Современное направление развития практически всех методов обработки связано с возрастанием роли оперативного управления параметрами, определяющими режимы и условия их реализации. Это объясняется общей тенденцией цифровизации всех сфер деятельности человека. В лезвийной обработке с точки зрения управления такими режимными параметрами, как скорость, подача и глубина резания достигнут практически апогей. Созданы быстродействующие приводы, разработаны алгоритмы адаптивного управления по температуре и силе резания, различным составляющим колебаний элементов механической системы и т. п.
Известно достаточно много попыток использовать дополнительные высокоскоростные движения инструмента (вибрации), в том числе приводящие и к изменению его кинематических углов. Их классификация по виду и направлениям движения приведена на рис. 1. Однако завершенного их теоретического обоснования до сих пор неизвестно.
Теоретические исследования процессов резания указывают на существенное влияние параметров инструмента на технологические показатели обработки. При этом в большинстве случаев инструмент воспринимается как статичный, конструктивно неизменный элемент технологической системы. Несмотря на это, в направлении управления, в частности, кинематическими углами инструмента сделаны определенные попытки.
Повышение качества выпускаемой продукции занимает одно из первых мест среди важнейших задач современного машиностроения.
Технические характеристики машин и механизмов, такие как производительность, точность, надежность, КПД и др. зависят от эксплуатационных свойств деталей, из которых они собраны [7, 16, 19, 23]. К ним относятся физико-механические свойства поверхностей (микротвердость, структура, остаточные напряжения и др.) и геометрические характеристики (шероховатость, волнистость и др.) [1]. Параметры обработанных резанием поверхностей деталей, как правило, отличаются от заданных чертежом. Это обусловлено принятой технологией обработки и сборки машин и используемым металлообрабатывающим оборудованием. Вопросы технологического обеспечения эксплуатационных свойств деталей машин нашли отражение в трудах многих ученых [8, 14, 17, 19, 23, 24-28] и являются актуальными и в настоящее время.
