Направления вектора внешнего воздействия на реакцию зоны предразрушения при лезвийной обработке материала Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.9

НАПРАВЛЕНИЯ ВЕКТОРА ВНЕШНЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РЕАКЦИЮ ЗОНЫ ПРЕДРАЗРУШЕНИЯ ПРИ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКЕ МАТЕРИАЛА

Г.В. Шадский, В.С. Сальников, О.А. Ерзин

Предложенный подход к диагностике состояния упругопластического деформирования материала в зоне резания базируется на анализе спектральных составляющих. Подтверждено, что фазы состояния зоны хорошо коррелируются с колебаниями сил резания. Установлено, что наиболее информативными с точки зрения степени ее дефектности являются первая, третья и пятая гармоники. Показано, что контролируемый параметр и характеристики диагностической системы оказывают существенное влияние на адекватность воспроизведения состояния зоны резания. Предложенный подход открывает широкие перспективы для анализа условий резания, в том числе с цель его интенсификации.

Ключевые слова: упругопластическое деформирование, релаксационные процессы, силы резания, режущий клин, диагностический сигнал, спектральные составляющие, искажение сигнала.

Процесс стружкообразования, а, следовательно, и основные технологические показатели обработки в значительной степени определяются силами взаимодействия режущего клина и обрабатываемого материала. Они в свою очередь зависят не только от характеристик обрабатываемого и инструментального материалов, но и от геометрии режущего клина, качества его поверхностей, режимов резания, динамических и статических характеристик системы СПИД. Именно через последние силы резания воздействуют на точность и качество обработанной поверхности. Характер процесса стружкообразования, определяющий энергоемкость и стойкость инструмента, так же зависит от силовых и скоростных параметров.

Известная схема сил, действующих на элемент стружки и резец приведена на рисунке [4].

Равнодействующая сила может быть разложена на составляющие: P1 вдоль поверхности резания и р -перпендикулярно ей. Первая вызывает напряжения сдвига вдоль поверхности резания, вторая отрывает стружку от нее. Частота колебаний сил резания может достигать нескольких тысяч герц [4]. При низких скоростях резания колебания сил и частота образования трещин на сходе стружки совпадают, при высоких скоростях заметно расходятся.

Равнодействующая сил действующих на резец R может быть разложена на составляющие [1-3]: Pz - касательная составляющая в направлении главного движения;

Px - осевая составляющая в направлении подачи; Py радиальная составляющая по

нормали к обрабатываемой поверхности. Экспериментально установлено соотношение между этими составляющими в нормальных условиях

Px = (0,2...0,3)Pz; Py = (0,3...0,4)Pz (1)

Проектируя все силы на направления подачи

^ = Nхп • (m • cos gx - sin gx ) + Nзх (2)

где g x , g y -углы поперечного и продольного наклона режущей кромки

Очевидно, при cos gx — sin gx < 0 сила Px отрицательная и резец втягивается в заготовку, что соответствует потере устойчивости процесса резания.

608

Схема сил, действующих на элемент стружки и резец

Аналогичным образом находим

Py = Nyn • (m • cos gy - sin gy) + N3y (3)

Равнодействующая сил в плоскости x, y

Rxy =T¡ pX + P? (4)

Для свободного резания; Rxy = Px / sin j = Py / cos j

Переходя к углу резания 5 = 90° -g [42]

Pz = Nn • (sin5 + ¡m-cos5) + Nз; (5)

Py = Nn • (¡m- sin 5- cos 5) + N3. (6)

Учитывая критическое значение напряжения сдвига scd, соответствующее образованию плоскости сдвига

scd = 0.65(i.84o¿ (Y00)1/3)afl/16, (7)

где Sb -предел прочности; А/ - относительное удлинение в %; at - коэффициент температуропроводности обрабатываемого материала, получим выражение для главной составляющей силы резания

p =_scd^b(sin 5+m-cos 5)__(8)

z sin 0(sin(5+6) • (i - ¡¡i)+(¡+¡i) • cos(5+0)) Минимальному ее значению, при котором происходит образование плоскости сдвига, соответствует равенство нулю производной знаменателя (8) по 0 [4]

6 = 90°-Р + Р1 +5 (9)

2

где р, pi -углы трения стружки по резцу и внутреннего трения соответственно. В этом случае

р = GcdStcos(p-g) + p = GcdStsin(p-g) + N3. (io)

cos(p + 0-g)sin 0 3' y cos(p + 0-g) sin0

Пренебрегая силами по задней поверхности, можно записать линеаризованное выражение для составляющих сил резания

рг = р20 + кгоаас^ + к2$ № + к^аъ + к^рар + + к^ ap1, (11)

ру = ру о + ку^аъса + ку8 + куъаъ + курар + kygag + кур1 apl, (12)

К

zS

_ scd 0ьрсо5(р0 ~7о)

р

81П(Ро -у0) - 51П(2 — Ро1)

; кхЬ _KzSs0; k ьо

zs есС

' KzS

аеС 0

Kzp _

Р 2

— 2^ссоSoЬo (§1П(Ро — Уо) • (§1п(ро — Уо) — вт^ — Р01)) + соэ (ро — Уо))

_

051п(ро — У о) — 81п( р — Ро1))2

Р

— 2аеС о ^оС^СРо — Уо) • с^С- — Ро1)) . _2_.

(81п(ро — у о) — БШ( р — Ро1))2

Kzу_ Kzp;

к

аеС0Ь0 51п(Р0 — У0) ;

§1п(р0 — У о) — 81п( р — Ро1)

КуЬ _ KyS — . К

Ьс

Р

Уа еС КУ!^

Sn

а

еС о

КУР _■

аеС о S0Ь0(2 со®(Ро — У о) • О1п(р0 — У о) — 81п(- — Ро1)) + ^ 2(Ро — У о))

(81п(рс — Уо) — ^Ц Р — Ро1))2

Кур1 _ Kzpl.

КУУ_ КУР.

(13)

(14)

(15)

16)

(17)

(18)

Все отклонения параметров можно отнести к управляющим воздействиям. Однако с точки зрения технической реализуемости процесса управления большинство из них целесообразно рассматривать как возмущающие воздействия, поскольку изменение, например, Л^, Аt приводит к изменению технологических показателей обработки: качества поверхности и точности, а Ааес, Ар, Арр требует дополнительного внешнего воздействия на зону резания различными видами энергии. Таким образом, изменение переднего угла режущего клина Ау является наиболее эффективным управляющим воздействием на вектор внешних сил на зону резания.

Тогда величина и направление вектора внешнего воздействия

Яр0 _-

аеС 0S0Ь0

Р

®1п(Р 0 —У 0) — зш(- — р01)

2

со8 (рс —УО)+

^1п(Ро — У О) С08( Р — ф + 5ф )

у р с _ а^

Я

ху

Рт

■ arеtg

tg (р о —у о)

С08( - —ф+8ф )

2

(19)

(20)

где у рс, ф, 5ф -углы в плане резца, отклонение направления схода стружки от нормали к режущей кромке и отклонения вектора воздействия от направления Р2: соответственно.

Отсюда может быть выражен передний угол режущего клина

(21)

Яху Р У_ р — а^ (Р-■ совСу —Ф + 8ф))•

Из приведенных зависимостей видно, что направление внешнего воздействия определяется углами режущего клина и условиями трения на его передней поверхности.

Анализ зависимостей (19) и (20) показывает, что для формирования адекватной реакции системы на изменение условий стружкообразования, вызванных, в частности, изменением вектора равнодействующей сил системы, необходимо потребовать, чтобы

2

вид функции управления передним углом режущего клина коррелировался с функции изменения угла трения. Однако при таком подходе возникает проблема его оперативного контроля, прямое измерение которого технически не реализуемо.

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» и при со финансировании Правительством Тульской области, договор ДС/76.

Список литературы

1. Шадский Г.В. Один из аспектов дискретного представления процесса струж-кообразования / Г.В. Шадский, О.А. Ерзин, С В. Сальников / СТИН, 2017. №8. С. 24-29.

2. Шадский Г.В. Диагностика состояния зоны предразрушения в технологических системах операции / Г.В. Шадский, В.С. Сальников, О.А. Ерзин / Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2017.Вып. 9. Ч. 1. 2017. С. 261-276.

3. Шадский Г.В. Возможности контроля состояния зоны упругопластического деформирования материала при направленном его разрушении / Г.В. Шадский, О.А. Ерзин, С.В. Сальников / Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2017.Вып. 12. Ч. 2. С. 3-11.

4. Вульф А. М. Резание металлов. М: Машиностроение, 1973. 496с.

Шадский Геннадий Викторович, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Сальников Владимир Сергеевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ерзин Олег Александрович, канд. техн. наук, erzin 79@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

DIAGNOSTICS OF THE CONDITION OF THE ZONE OF PREDESTRUCTION IN THE TECHNOLOGICAL SYSTEMS OF OPERATION

G.V. Shadsky, V.S. Salnikov O.A. Erzin

The offered approach to diagnostics of a condition of elasto-plastic deformation of material in a zone cutting is based on the analysis of spectral components. It is confirmed that phases of a condition of a zone are well correlated with fluctuations offorces of cutting. It is established that the most informative from the point of view of degree of her deficiency are the first, third and fifth harmonicas. It is shown that controlled parameter and characteristics of diagnostic system exert significant effect on adequacy of reproduction of a condition of a zone of cutting. The offered approach offers broad prospects for the analysis of conditions of cutting, including about the purpose of his intensification.

Key words: elasto-plastic deformation, relaxation processes, cutting forces, the cutting wedge, a diagnostic signal, spectral components, distortion of a signal.

Shadsky Gennady Victorovich, doctor of technical science, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,

Salnikov Vladimir Sergeevich, doctor of technical science, professor, vsalni-kov.profayandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Erzin Oleg Aleksandrovich, candidate of technical science, docent, erzin 79@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University