Управление процессом резания с целью устранения вибраций Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.9.025:19.752

Б.В. Леонтьев, А.Н. Леонтьева

ЛЕОНТЬЕВ Борис Владимирович - старший преподаватель кафедры технологии промышленного производства Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). ЛЕОНТЬЕВА Анжелика Николаевна - старший преподаватель кафедры технологий промышленного производства Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). © Леонтьев Б.В., Леонтьева А.Н., 2012

Управление процессом резания с целью устранения вибраций

Излагается физическая теория возникновения вибраций автоколебательного характера технологической системы станок - приспособление - инструмент - деталь (системы СПИД) и рекомендации по их устранению.

Ключевые слова: вибрации, колебательный процесс, автоколебания, резание металлов, отказ, технологический переход, регенерация следа, падающий участок, упругие резцы, температура резания.

Management process cuttings for the reason removal vibration. Boris V. Leontjev, Anjelica N. Leontjeva -School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).

It Is Stated physical theory of the origin vibration of auto-oscillation nature of the technological system - machine -adjustment - tools - detail (the system MATD) and recommendations upon their removal. Key words: vibrations, oscillatory process, auto-oscillations, cutting metal, refusal, technological transition, regeneration of the trace, step-giving area, springy cutters, the temperature of the cutting.

Вибрации, возникающие при металлообработке, являются самой неприятной (прежде всего из-за своей непредсказуемости) причиной отказов при реализации выполнения технологического перехода при обработке металлов резанием.

В представленной статье изложены теоретические сведения о физике возникновения вибраций системы СПИД, которые могут оказаться полезными для производственников, столкнувшихся с данной проблемой.

Еще в 1907 г. Фредерик Уинслоу ТЕЙЛОР (основоположник менеджмента качества, успешный промышленник и исследователь процесса резания металлов) писал о том, что вопрос относительно возникновения дрожания резцов представляется самым темным и самым тонким из всех, с которыми приходится иметь дело рабочему. За прошедшие сто с лишним лет множество исследователей занималась изучением проблемы возникновения вибраций при резании металлов, но автоколебания элементов системы СПИД при механической обработке до сих пор препятствуют созданию безотказных технологий.

В настоящее время наиболее совершенные станки с ЧПУ оснащаются системами подавления автоколебаний. Однако, во-первых, это не является панацеей от всех бед (поскольку они не всегда действуют эффективно), во-вторых, такие станки недоступны малому и среднему бизнесу.

Поэтому с сожалением приходится констатировать, что проблема устранения вибраций при металлообработке до сих пор является актуальной. С ней, в частности, столкнулись работники ОАО «Прогресс» при разворачивании производства в настоящее время.

Отсюда напрашивается вывод, что для успешной борьбы с неожиданно возникающими вибрациями при механической обработке заготовок необходимо управлять процессом резания, а для этого, в свою очередь, необходимо знать физику возникновения вибраций.

В свое время решающим открытием Н.А. Дроздова [2] стало определение автоколебательного характера вибраций металлорежущих станков. После того как практически все исследователи убедились в справедливости этой гипотезы, на первый план вышла необходимость определить первоисточник возникновения (и развития) автоколебаний. Традиционно рассматривались семь гипотез: первоисточник следует искать в периодическом срыве наростов И.С. Штейнберг [14]; первоисточником является «переменная сила», возникающая в связи с падающим участком характеристики трения от скорости скольжения стружки по передней грани резца (А.И. Каширин [4]); первоисточником является переменная сила, возникающая в связи с тем, что резец врезается в ненаклепанный металл, а отходит, осуществляя резание более прочного наклепанного слоя (А.П. Соколовский [12]); главной причиной возникновения (и развития) автоколебаний является регенерация следа (при работе по следу) (И.С. Амосов [1]); причина возникновения (и развития)

автоколебаний кроется в координатных связях направления силы резания, инструмента и заготовки (И. Тлустый и В.А. Кудинов [6, 13]); главной причиной возникновения (и развития) автоколебаний является кинематическое увеличение переднего угла резца у при врезании, уменьшающего силу резания (И.И. Иль-ницкий [3]); причина возникновения автоколебаний является запаздывание силы Ротносительно перемещения по у и запаздывание Ру относительно Р2 (М.Е. Эльясберг [15]).

Концепция исследователей кафедры технологии машиностроения ДВГТУ (старое название) состоит в признании правоты гипотезы А.И. Каширина [4] и И.С. Амосова [1] (последнее справедливо относительно того, что явление регенерации следа обеспечивает главный энергетический источник колебаний). Однако признание основополагающими этих гипотез не внесло полной ясности в понимание результатов экспериментальных зависимостей интенсивности вибраций (характеризующейся двойной амплитудой колебаний) от режима резания - скорости, (у), глубины резания (?) и подачи (5) - см. рисунок. Точнее, зависимость А = / (у) можно объяснить следующим образом: вибрации малой интенсивности возникают, когда характеристика коэффициента трения от скорости начинает приобретать падающий характер, и прекращаются, когда крутизна этой характеристики становится столь малой, что уменьшение коэффициента трения (при приращении скорости) не позволяет преодолевать силу трения пары резец-стружка.

Зависимость А = / (?) может быть объяснена тем, что следствием увеличения глубины резания является увеличение силы резания, что влечет возрастание энергетики автоколебаний. Но по этой же логике увеличение подачи (5) должно также увеличивать интенсивность вибраций, поскольку увеличивается сечение срезаемого слоя.

В действительности эксперименты демонстрируют иной характер зависимости А = / (5), показанный на рисунке (а, 2): с увеличением величины подачи интенсивность вибраций уменьшается. Однако в некоторых опытах присутствует и другой характер зависимости: верхняя часть кривой отражает увеличение интенсивности вибраций с ростом величина подачи (см. рисунок, а, 1, часть опытной кривой, демонстрирующая эту зависимость, изображена пунктиром).

Для выяснения физической сути этих непонятных явлений доцентом В. И. Леонтьевым были спланированы и проведены эксперименты, которые состояли в определении интенсивности вибраций в зависимости от скорости резания, но каждый из опытов был проведен при различной подаче [10]. Оказалось, что при меньшем значении подачи критическая скорость (имеющая наибольшую амплитуду вибраций) была больше, чем при большем значении подачи. Перестроение экспериментальных кривых, представленное на рисунке (б) доказывает, что закон А = / (5) аналогичен закону А = / (у). Возникло предположение, что опытная кривая А = / (?) также должна иметь такой же шатрообразный характер. Подтверждение этому было найдено в работах И. Тлустого [13]. Невозможность получить такие зависимости в опытах объясняется тем, что левая (возрастающая) ветвь кривой А = / (5) требует задавать такие малые подачи, которых нет у станков, а для получения правой (ниспадающей) ветви кривой А = / (?) требуется задавать такие большие глубины резания, при которых происходит поломка резца или механизма станка.

После анализа результатов этих опытных данных напрашивалось предположение, что интенсивность автоколебаний зависит от интегрального параметра (объединяющего значения режима резания) - температуры. Серия оригинальных экспериментов [8] блестяще подтвердила эту гипотезу. Причем принятие этой точки зрения объясняет непонятные на первый взгляд результаты опытов, в которых применение СОЖ в одних случаях устраняло, а в других - вызывало вибрации (дело в том, что все зависит от конкретного значения температуры, при которой происходит это явление [8]).

Исключение возникновения автоколебаний при резании металлов, с точки зрения исследователей кафедры технологии машиностроения, состоит в том, что виброгашение рационально осуществлять технологическими методами. Последнее означает, что, во-первых, не следует существенно изменять (оптимальные) условия выполнения технологического перехода, во вторых - избегать использования сложных, дорогих и, главное, громоздких виброгасящих устройств, которые чаще всего мешают оператору. (Комплекс таких мер и методов представлен, в частности, в работах [9, 15]).

Учитывая основополагающие положения по физике возникновения и развития автоколебаний, изложенные выше, можно разработать стратегию по борьбе с вибрациями, учитывающую конкретные условия выполнения операции и перехода. Во-первых, можно варьировать температуру резания. Здесь ресурсы методов достаточно ограниченные, тем не менее возможно снизить температуру, применив обильное охлаждение, или повысить, применив в заточке резца фаску Д.И. Рыжкова [11]. (Можно также менять геометрические параметры инструмента, прежде всего передний угол у [3, 9]).

Во-вторых, эффективным средством гашения автоколебаний является уменьшение влияния механизма регенерации следа [3]. При фрезеровании уменьшить это влияние можно, используя фрезы с разным

Зависимости интенсивности вибраций от режима резания и конструкции упругих резцов: а - графики А = / (V), А = / (з), и А = / (/); б - характер взаимосвязи изменения интенсивности вибраций с изменением скорости резания V и подачи з; в - конфигурации упругих резцов

наклоном углов зубьев [10]. При токарной обработке весьма эффективно использовать упругие резцы-виброгасители [4], конструкции которых показаны на рисунке (в). При проектировании таких резцов необходимо придерживаться следующих правил.

1. Полюс поворота головки резца должен быть расположен таким образом, чтобы под действием усилия резания Р в полупериод врезания головка резца уходила от заготовки в направлении -у, а не врезалась в нее. Конструкции таких инструментов показаны на рисунке (в) - резцы а, б, в, г, д, е. Конструкции неправильных упругих резцов - это резцы ж и з, изображенные на том же рисунке.

2. При исследовании динамики эффекта виброгашения упругими резцами [15] было выяснено, что параметры резца (т2 - масса головки и у2 - жесткость резца) должны находиться с массой заготовки т1 и ее жесткостью]х в следующем соотношении

./? и

т„

т,

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Амосов И.С. Осциллографические исследования вибраций при резании металлов // Точность механической обработки и пути ее повышения: сб. М.: Машгяз, 1951.

2. Дроздов Н.А. К вопросу о вибрациях станка при токарной обработке обработке // Станки и инструмент. 1937. № 22.

3. Ильницкий И.И. Колебания в металлорежущих станках и пути их устранения. М.: Машгиз, 1958.

4. Каширин А.И. Исследование вибраций при резании металлов. М.: Изд-во АН СССР, 1944.

5. Комиссаров В. И., Леонтьев В.И., Старостин В.Г. Размерная наладка универсальных металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1968. 207 с., ил.

6. Кудинов В.А. динамика станков. М.: машиностроение, 1967. 359 с.

7. Леонтьев Б.В. Исследование колебаний линейной системы с двумя степенями свободы применительно к резанию упругими резцами // Прогрессивные технологические процессы: сб. Кишинев: Штиинца, 1975. С. 14-18.

8. Леонтьев В.И. некоторые закономерности возникновения автоколебаний при точении стали // Тр. ДВПИ. 1962. Т. 56, вып. 4.

9. Леонтьев В.И., Леонтьев Б.В. Защита от низкочастотных вибраций на токарном переходе // Исследование и оптимизация процессов механической обработки при автоматизации технологического проектирования: межвуз. сб. Вып. 8. Владивосток: Изд-во ДВПИ, 1977.

10. Огнев Ю.Ф., Кукишев В.М., Чебоксаров В.В. Виброустойчивые концевые фрезы для обработки высокопрочных материалов на станках с ЧПУ // Тез. докл. 37-й науч.-техн. конф. ДВГТУ Владивосток: ДВГТУ, 1997. С. 107-108.

11. Рыжков Д .И. вибрации при резании металлов и методы их устранения. М.: Машгиз, 1961.

12. Соколовский А.П. Жесткость в технологии машиностроения. М.: Машгиз, 1946.

13. Тлустый И., Полачек М. теория возникновения автоколебаний при обработке и расчет устойчивости металлорежущих станков // Станки и инструмент. 1956. № 3, 4.

14. Штейнберг И.С. Устранение вибраций, возникающих при резании металлов на токарном станке. М.: Машгиз, 1947.

15. Эльясберг М.Е. Основы теории автоколебаний при резании металлов // Станки и инструмент. 1962. № 10, 11.

X

УДК 621.311

Г.В. Трещалов, Р.С. Федюк

ТРЕЩАЛОВ Герман Вячеславович - кандидат технических наук, главный инженер ННО «Инженерно-исследовательская группа «ЭРГ» (Ташкент, Узбекистан). E-mail: [email protected], ФЕДЮК Роман Сергеевич - преподаватель Учебного военного центра Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: [email protected] ©Трещалов Г.В., Федюк Р.С., 2012

Энергетический анализ гидродинамического «эффекта Трещалова»

Анализируется возможность масштабного моделирования гидродинамического эффекта, возникающего в безнапорном потоке жидкости, названного в ряде источников «эффектом Трещалова», при его ускорении и переходе режима потока через критическое состояние.

Ключевые слова: турбина, свободно-поточный, поток, глубина, критическая, гидродинамический, эффект, гидравлика, число Рейнольдса, число Фруда, гидравлический прыжок, эффект эжекции.

Energy analysis of hydrodynamic effect of power cain flow - «Treschalov's effect». German V. Treschalov (The Engineering and Research Group "ERG", Tashkent, Uzbekistan), Roman S. Fedyuk - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).

This article analyses the possibility of full-scale modelling of the hydrodynamic effect that appears in free hydraulic flow as a result of its acceleration and transition through a critical state.

Key words: energy, hydrodynamics, turbine, free flow, calm, turbulent, critical, sub critical, super critical, hydraulic jump, dept, effect, feedback, Froude number, Reynolds number, ejection effect.

В материалах [1, 3, 6] проведен анализ специфического гидродинамического эффекта в свободном безнапорном потоке жидкости и представлены результаты испытаний гидравлической свободно-поточной турбины оригинальной конструкции, работающей на основе этого эффекта. При замере мощности турбины выяснилось, что энергии она дает больше, чем по традиционным расчетам, несколько больше, чем полная кинетическая энергия потока [1]. Кроме того, испытания показали, что на выходе этой установки глубина потока уменьшается и несколько увеличивается скорость потока. Впоследствии выяснилось, что турбина работает, используя особый гидродинамический эффект, особенность которого состоит в том, что благодаря ускорению потока, создается локальный искусственный перепад уровней, и такая турбина, в отличие от традиционных свободно-поточных турбин, не замедляет выходящий поток, отнимая у него кинетическую