CC BY
12
УДК 621.9
ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ БЛЕСТЯЩЕГО КОЛЬЦА УАЙТЕКЕРА ПРИ ТОЧЕНИИ ТОРЦЕВОЙ ПОВЕРХНОСТИ
С. А. Васин, Л. А. Васин, С.В. Городничев, А.Ю. Кочетков
Рассмотрены вопросы, связанные с изучением природы явления образования блестящего кольца Уайтекера при точении.
Ключевые слова: колебания, сила резания, фрактальные зоны.
Явление образования при точении торца блестящего кольца было установлено Гербертом совместно с Уайтекером и названо Гербертом кольцом Уайтекера [1]. Явление кольца Уайтекера объяснялось тем, что при изменении температуры во время резания твёрдость стали колеблется, то увеличиваясь, то уменьшаясь. Однако академик В. Д. Кузнецов не согласился с таким объяснением и высказал предположение, что образование кольца Уайтекера связано с вибрациями обрабатываемой детали или резца [1].
Проведенные эксперименты подтвердили предположение, высказанное академиком В.Д. Кузнецовым, h показали, что, действительно, колебания динамической компоненты силы резания в районе блестящего кольца Уайтекера резко уменьшаются (рис. 1) [2].
* ze
H
№ TIME CH.В Y: 75. OU X: Oms + 64s
REAL
INPUT MAIN Y: 60.iU
X: 4.012s
Рис. 1. Осциллограмма динамической составляющей силы резания при торцевом точении образца из стали 45резцом с державкой
из стали (8п = 0,1 мм/об, 1 = 0,25 мм, п = 315 мин'1)
85
В связи с этим были проведены исследования влияния материала образца и жесткости режущего инструмента при различных режимах резания, в процессе которых установлено, что максимальный радиус блестящего кольца Уайтекера остаётся практически постоянным и равным Ктах=44 мм, а минимальный радиус кольца колеблется в небольших пределах (таблица). Таким образом, в рамках проведенных экспериментов на одном и том же станке, блестящее кольцо имеет вполне определенные размеры при различных режимах резания, разных обрабатываемых материалах и разной жесткости режущего инструмента.
При этом следует отметить, что в исходном состоянии (до начала процесса точения) в материале обрабатываемого образца хаотически расположены зоны, обладающие свойством самоподобия и имеющие иные свойства по отношению к остальной части образца. В момент врезания резца в обрабатываемый материал происходит резкое скачкообразное изменение силы резания как её постоянной, так и динамической (переменной) компоненты, которая инициирует бифуркацию в материале обрабатываемого образца и образование аттрактора, вокруг которого происходит самоорганизация и группирование самоподобных (фрактальных) зон в районе будущего блестящего кольца Уайтекера.
Учитывая, что образец вращается, то, естественно, в процессе самоорганизации самоподобные (фрактальные) зоны группируются в районе будущего блестящего кольца Уайтекера, образуя пространство в форме «трубы», имеющей размеры, равные его минимальному и максимальному радиусам. Ширина блестящего кольца Уайтекера представляет собой толщину стенки этой «трубы», состоящей из самоподобных зон, имеющих специфическую структуру и свойства, отличающиеся от свойств остальной части материала образца. Это обеспечивает оптимальные условия струж-кообразования и соответствующие им значения угла сдвига в пределах кольца Уайтекера.
В результате в процессе точения торца образца стружкообразование в районе блестящего кольца Уайтекера происходит с более оптимальным и стабильным углом сдвига, что подтверждается снижением спектральной плотности мощности в два с лишним раза (526:245=2) на частоте колебаний угла сдвига, равной 1552 Гц (рис. 2, 3). Одновременно в районе блестящего кольца Уайтекера резко в 11 раз (265:22,6=11), то есть более чем на порядок снижается величина спектральной плотности мощности динамической составляющей силы резания, имеющей частоту 192 Гц, соответствующую собственной частоте колебаний подсистемы детали (образца) (рис. 2, 3). Этим и объясняется снижение уровня как низкочастотных, так и высокочастотных вибраций подсистемы детали, а также вибраций режущего инструмента в районе блестящего кольца Уай-текера.
Результаты расчета диапазона скоростей резания, соответствующих кольцам Уайтекера
№ опыта Материал образца R . , mm мм R , max мм Диапазон скоростей безвибрационного точения, м/мин
Vmin Vmax
1 Сталь 45 39,9 43,95 79,3 87
2 Сталь 45 21,5 43,95 85,4 174
3 Сталь 45 23 43,95 144,6 276
4 Сталь 45 40 43,7 79 86.4
5 Сталь 45 25,6 39,2 51 77
6 Сталь 40Х 36,3 44 72 87
7 Сталь 40Х 18,2 44 72,4 174
8 Сталь 40Х 17,5 44 88 221
9 Сталь 40Х 22,3 44 140 276
10 Сталь 40Х 21 44 83 174
11 Сталь 40Х 38,5 44 76,1 87
12 Сталь 40Х 20,4 44 80,7 174
13 Сталь 40Х 19,1 44 96 221
14 Сталь 40Х 16,8 44 106 276
15 Сталь 40Х 18,9 44 190 443
О,
мН2 ¡Гц
01 AUTO SPEC СН.В [ ]
У: 650mU2/Hz PSD LIN X: OHz + 6.4kHz LIN
#A: 200
INPUT
MAIN Y: 526mUS/Hz X: 1553Hz
600m
5Q0m
400m
300m
200m
100m
1
> У: 5l2mu2/H X: BOHz V: 470inU2/H
Y: 366mu2/ Hz
J X: 3008 • Hz L
Ik
2k
3k
4k
5k
6k
f. кГц
Рис. 2. График спектральной плотности мощности динамической
составляющей силы резания при торцевом точении участка, расположенного вне кольца Уайтекера (8п = 0,1 мм/об, * = 0, 6 мм,
п = 630 мин1)
С,
мН2 ¡Гц
600т эоот
400т 300т аоот
100т о
О Ik 2к Зк 4к Sk бк
f, кГц
Рис. 3. График спектральной плотности мощности динамической составляющей силы резания при точении торца в районе кольца Уайтекера (SH = 0,1 мм/об, t = 0, 6 мм, n = 630 мин1)
Таким образом, при использовании блестящего кольца Уайтекера осуществляется полиоптимизация процесса точения, а именно устанавливаются пределы существования оптимальной скорости резания, а также зона повышенной виброустойчивости с минимальным уровнем вибраций. Это позволяет повысить стойкость резца в 3-4 раза, снизить шероховатость обработанной поверхности и повысить точность обработки.
Следует отметить, что при использовании явления блестящего кольца Уайтекера можно перейти из зоны высокой технологической неопределенности при назначении режимов резания в зону полной определенности для конкретных условий обработки (станок, приспособление, режущий инструмент, обрабатываемая деталь и её материал).
Знание диапазона оптимальных скоростей резания позволяет реализовать комплексный подход к оптимизации процесса точения и установить необходимый уровень себестоимости изготовления деталей и производительности обработки.
Список литературы
1. Кузнецов В. Д. Физика резанья и трения металлов и кристаллов. Избранные труды. М.: Изд-во «Наука», 1977. 310 с.
2. Городничев С.В., Кочетков А.Ю. Технико-экономический подход к повышению виброустойчивости при точении с учётом фактора неопределенности: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 101 с.
88
№ AUTO SPEC CH.B [ ] INPUT MAIN Y: 245mU2/Hz
Y: 650mu2/Hz PSD LIN X: 1552Hz
X: OHz + 6.4kHz LIN #A; 19
Y: 218mll2/H: X: 15BL8HZ
Y: 22.6mu2 X: 192Hz tv^...... /HZ U L X: 3008 i Hz
Васин Сергей Александрович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Васин Леонид Александрович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Городничев Сергей Владимирович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Финансовый университет при Правительстве РФ,
Кочетков Александр Юрьевич, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, АО «Щегловский вал»
THE NATURE OF THE PHENOMENON OF EDUCATION BRILLIANT RING WHITAKER AT TURNING END SURFACE
S.A. Vasin, L.A. Vasin, S.V. Gorodnichev, A.Y. Kochetkov
The problems associated with the study of the nature of the phenomenon offormation of a brilliant ring Whitaker in turning are considered.
Key words: vibrations, cutting force, fractal zone.
Vasin Sergey Aleksandrovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, va-sin_l_a@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Vasin Leonid Aleksandrovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, va-sin_l_a@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Gorodnichev Sergey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, Gorod-nichevSV@mail. ru, Russia, Tula, Financial University Under the Government of the Russian Federation,
Kochetkov Alexander Yuryevich, candidate of technical sciences, docent, va-sin_l_a@yandex. ru, Russia, Tula, JSC «Shcheglovsky shaft»
