CC BY
50
chining, shaped body of revolutions with assymetrical cross-cut ends, in stationary and rotor regulations are considered. Boundary values of the dynamic argument defining range of work capacity of the orientation device, applied in frame of a rotor automatic feeding system are determined.
Key words: the gravitational orientation device, oscillating acquisition, a rotor automatic feeding system.
Pahomov Ivan Nikolaevich, Cand. Tech. Sci., the engineer, ionov anton@mail.ru, Russia, Tula, Limited Company «Solid»,
Preis Vladimir Viktorovich, Dr. Sci. Tech., the prof., the chief of the cathedra, preys @ klax. tula. ru, Russia, Tula, the Tula State University,
Tokarev Vyacheslav Jurevich, the engineer, pp@tsu.tula.ru, Russia, Tula, the Tula State University
УДК 621.9.02.028
УЧЕТ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПРОЦЕССОВ РЕЗАНИЯ
В.Б. Протасьев, Л.А. Омельченко
Рассматриваются особенности режущих инструментов и режимов резания при механической обработке неметаллических материалов. Используются положения реологии для объяснения принимаемых решений и выводов.
Ключевые слова: реология, деформация, полезная работа, работа сжатия, косоугольное резание.
В машиностроении широко используются процессы резания не только при обработке различных черных и цветных металлов, но и разных пород дерева, бумаги, картона, и пластмасс.
Очень часто обработка таких материалов не менее сложна, чем обработка высоколегированных сталей и твердых сплавов.
Основное отличие перечисленных материалов от металлов состоит в том, что их механические свойства значительно ниже, и они представляют собой упруго-вязкие тела. Поведение этих материалов под нагрузкой можно оценить с помощью закономерностей реологии.
Термин реология, введенный в 1929 г. американским ученым Р. Бентамом, в настоящее время характеризует науку о деформациях и текучести веществ, которая рассматривает процессы, связанные с необратимыми остаточными деформациями и течением вязких и пластичных материалов. Реологические процессы, построенные в виде кривых, отражающих взаимосвязь усилий, прилагаемых к обрабатываемому материалу и возникающих деформаций, позволяют объяснить теоретически протекание процессов резания неметаллических материалов [1].
На рис. 1 приведена модель упруго-вязкого тела и поведение его под нагрузкой в течение времени т, условно разделенного на этапы нагрузки и разгрузки.
Деформационный процесс в целях упрощения рассматривается под действием постоянного усилия Р. Под его действием происходит быстрая деформация элемента Е1 (ордината АВ графика), затем деформация происходит за счет сжатия элементов Е2, <;2, д1, (линия ВС). При снятии нагрузки элемент Е1 разожмется мгновенно (участок БС графика), элемент Е2 разожмется постепенно (линия БЕ). Положение поршня элемента ^ зафиксирует остаточную деформацию (ордината ЕБ).
При резании упруго-вязких тел в зоне точки С должно происходить разрушение обрабатываемого материала и участок снятия нагрузки СБЕБ может не рассматриваться.
Рис. 1. Модель упруго-вязкого тела и зависимость его деформации от продолжительности нагрузки и разгрузки
При резании металлов, представляющих упругие тела, участок АВС будет представлять собой прямую линию, участок наклона которой к оси
123
ординат будет определяться модулем упругости обрабатываемого материала и скоростью резания. При резании упруго-вязких тел необходимо создавать условия, при которых вязкая составляющая деформации компенсируется различными способами, поскольку вязкость всегда затрудняет механическую обработку.
При обработке жаропрочных сталей, например, 5ХНВ, перед механической обработкой валков для поперечно-винтовой прокатки, их подвергали закалке до твердости ИЯС 32...36. В результате процесс резания, до этого крайне неэффективный, протекал без каких-либо нареканий.
При точении пористых мягких пластмасс, например, изготовлении т.н. наушников, используемых для радиосвязи в условиях наличия посторонних шумов, материал пропитывают водой, замораживают и в таком состоянии обрабатывают, после чего происходит размораживание и сушка изделий.
Фрезерование корешков бумажных блоков [2] в типографиях выполняют, предварительно сжимая стопу в специальных приспособлениях.
При фрезеровании различных пород древесины на инструментах (рис. 2) выполняют специальные деформирующие зубья, которые сохраняют и несколько увеличивают сжатие материала перед входом в зону резания режущих зубьев.
Обнижение А деформирующих зубьев составляет третью часть подачи на зуб. Такие зубья кроме отмеченного назначения, предотвращают скалывание древесины.
Разрушению лезвием упруго-вязкого материала предшествует сжатие последнего до определенного состояния. Полная работа А, необходимая для разрушения материала, может быть выражена с помощью зависимости
где Асж - работа, затраченная на сжатие бумажного блока, Арез - работа, затраченная непосредственно на резание.
124
Деформирующий зуб
/ \ Режущий зуб
Рис. 2. Фреза с режущими и деформирующими зубьями
Работа сжатия Асж расходуется на преодоление внутреннего трения и её можно считать «бесполезной» работой. Однако при выполнении этой работы происходит изнашивание инструмента. Эффективность резания можно оценить коэффициентом полезной работы КП
КП= ^ез/^
который всегда меньше единицы, и чем он больше, тем резание эффективней.
При высоких скоростях резания деформация, связанная с вязкостью, не успеет восстановить исходное положение и работа, затраченная на сжатие материала, будет уменьшаться, что приведет к возрастанию величины КП.
При обработке древесины скорость резания достигает 50.80 м/сек, а бумаги торцовыми фрезами 30.50 м/сек. В этих условиях вязкая составляющая не успевает восстанавливать исходное положение и резание происходит более интенсивно. Естественно, что применяемые инструменты балансируют и затачивают на шлифовально-заточных станках с ЧПУ.
Объяснение такой тенденции вызвано наличием в реологической модели (см. рис. 1) вязких элементов д1 и <;2. Эти элементы обладают инерционностью. При медленном нарастании усилия Р (т.е. малой скорости резания), они успевают срабатывать, а при быстром нарастании усилия (высокой скорости резания), эти элементы не успевают срабатывать, повышая жесткость блока, и в некоторой степени компенсируя работу сжатия.
Можно утверждать, что косоугольное резание будет наиболее эффективным. Объяснение такому утверждению заключается в том, что косоугольное резание обеспечивает постепенное сжатие блока листов и не допускает мгновенного снижения нагрузки, как это имеет место у прямозубых инструментов. Разгрузочная ветвь СБЕБ (см. рис 1) при косоугольном резании будет практически отсутствовать и дополнительной работы сжатия, которая снижает значение коэффициента КП, потребуется намного меньше.
Можно предположить, что качественная зависимость коэффициента от рабочего угла наклона лезвия будет иметь вид, показанный на рис. 3. В развертке винтовых зубьев на плоскость Р, она принимает вид параллельных прямых, наклоненных к оси инструмента под углом w. Если шаг зубьев инструмента т меньше, чем торцовый шаг винтовых линий тв, имеет место перекрытие зубьев на величину Ат. При этом технологическая система не теряет натяг и сжатие обрабатываемого материала, что благоприятно сказывается на процессе резания, увеличивая коэффициент КП.
Всё это обеспечивается выполнением неравенства
Ат = т в - т = В ■ tg ю- т, где В - ширина обрабатываемой поверхности.
Рис. 3. Особенности косоугольного резания упруго-вязких материалов
Важным фактором является также скорость проскальзывания Ул. В работе [3] показано, что наличие Ул благоприятно влияет на процесс резания, также увеличивая коэффициент КП.
В качестве вывода отметим, что использование теории резания металлов при обработке упруго-вязких материалов оправдано лишь частично.
Влияние вязкой составляющей деформации отрицательно влияет на процесс резания, и для достижения положительных результатов конструкция инструментов должна учитывать реологические свойства обрабатываемых материалов.
Список литературы
1. Резник Н.Е. Теория резания лезвием и основы расчета режущих аппаратов.- М.: Машиностроение, 1975, 275 с.
2. Омельченко Л.А., Протасьев В.Б. Заточка торцовых фрез для обработки корешков бумажных блоков /Инновации, качество и сервис в технике и технологии: сборник III междун. научно-практ. конф.; Юго-Зап. гос. ун-т, Курск, 2013. С.103-107.
3. Омельченко Л.А., Протасьев В.Б., Спиридонов Э.С. Влияние углов наклона режущей кромки на процесс резания бумажных блоков /Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения. «Технология 2002>Юрел ГТУ.-2002. С. 107-112.
4. Омельченко Л.А., Протасьев В.Б., Спиридонов Э.С. Конструктивные параметры фрез и режимы резания при фрезеровании корешков бумажных блоков/Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения. «Технология 2002», Орел ГТУ, 2002. С. 112-119.
Протасьев Виктор Борисович, д-р техн. наук, проф, imstulgu @ pocta. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Омельченко Лариса Анатольевна, канд. техн. наук, imstulgu @pocta.ru, Украина, Мариуполь, Мариупольский государственный технологический университет
APPLYING FLOW PROPERTIES OF PROCESSED MATERIALS USED IN THE PROCESS OF CUTTING
V.B. Protasev, L.A. Omelchenko
Peculiarities of cutting tools and cutting conditions for mechanical treatment of nonmetallic materials are considered. Fundamentals of the rheological theory are used for making decisions and conclusions.
Key words: rheology, deformation, useful work, the work of compression, nonortho-gonal cuts.
Protasev Viktor Borisovich, doctor of technical science, professor, imstul-gu@pocta.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Omelchenko Larisa Anatolevna, candidate of technical science, docent, imstul-gu@pocta.ru, Ukraine, Mariupol, Mariupol State Technological University
