Вибрации при обработке материалов резанием

При обработке материалов резанием существует два вида колебаний:

вынужденные и самовозбуждающиеся (автоколебания). Вынужденные колебания возникают под действием внешней, периодически возмущающей силы, к которой можно отнести:

1. Переменные силы резания, действующие на технологическую систему в результате прерывистого резания

2. Центробежные силы инерции неуравновешенных вращающихся масс (заготовка, патроны, шкивы)

3. Силы удара, возникающие в результате поломки или неточного изготовления элементов технологической системы (зубчатого колеса)

4. Передача колебаний на станок от другого оборудования

Автоколебания характеризуются отсутствием внешних периодически возмущающих сил. Периодические возмущающие силы при автоколебаниях вызываются самими колебаниями и прекращаются после прекращения последних. Единой точки зрения на причины возникновения автоколебаний нет. Основной гипотезой, подтвержденной практикой, является отставание (запаздывание) изменения сил резания при изменении толщины срезаемого слоя вследствие сближения и удаления заготовки и инструмента в процессе резания.

Автоколебания могут вызвать образование и срыв нароста, образование и скалывание элементов стружки, схватывание и налипание обрабатываемого материала на задней поверхности режущего инструмента. Элементы режима резания и геометрия режущего инструмента оказывают влияние только на амплитуду А колебаний. Частота колебаний от них не зависит, а определяется жесткостью и массой технологической системы.

Амплитуда автоколебаний зависит как от размеров срезаемого слоя, так и от скорости резания. Увеличение толщины срезаемого слоя, а следовательно, и подачи уменьшает амплитуду колебаний (рис.55,б), а ширины срезаемого слоя (глубины резания) – увеличивает ее (рис.55,в). Скорость резания на амплитуду колебаний влияет немонотонно (рис.55,а). Вначале при увеличении скорости резания амплитуда возрастает, а после достижения определенного значения скорости начинает уменьшаться. С увеличением переднего угла инструмента амплитуда колебаний уменьшается (рис.55,г) Увеличение главного угла в плане уменьшает амплитуду колебаний, что связано с уменьшением ширины срезаемого слоя и увеличением его толщины.

Тепловые процессы при обработке материалов резанием Основные источники образования теплоты при резании. Тепловые потоки в зоне резания

Основными источниками теплоты при резании являются: пластические деформации материала в зоне основных пластических деформаций OLM, в результате которых образуется теплота деформации Qд; трение стружки по передней поверхности, в результате которой образуется теплота трения по передней поверхности Qтп; трение обрабатываемого материала по задней поверхности, в результате чего образуется теплота трения по задней поверхности Qтз.

Таким образом общее количество теплоты, образующейся при резании Q будет рвано:

Q= Qд+ Qтп+ Qтз.

Уравнение теплового баланса при резании имеет вид:

Qд+ Qтп+ Qтз=Qс+ Qр+ Qи+ Qв,

где Qс – теплота, уходящая в стружку; Qр – теплота, уходящая в инструмент; Qи – теплота, уходящая в заготовку, Qв – теплота, уходящая во внешнюю среду.

Количество теплоты, уходящее в стружку, инструмент и заготовку, существенно зависит от скорости резания. Как видно из рис.57, с увеличением скорости резания количество теплоты, уходящей в стружку, возрастает, а в инструмент и заготовку – уменьшается. При лезвийной обработке без применения СОЖ наибольшее количество теплоты уносится стружкой (50 – 80 %), в инструмент поступает 40 – 10 %, в заготовку – 9 % и в окружающую среду – 1 %.

Теплота при резании играет двойную роль. С одной стороны она облегчает процесс резания, т.к. определяет интенсивность протекания процесса разупрочнения обрабатываемого материала. С другой стороны – непрерывное тепловое воздействие на контактные площадки режущего инструмента приводят к их износу.

Кроме того, интенсивное тепловое воздействие на технологическую систему ведёт к температурным деформациям ее элементов, что может вызвать снижение точности обработки.

Рассмотрим тепловые потоки в зоне резания. В обозначении количества теплоты, поступающей в стружку, инструмент и заготовку от различных источников, введем индексы «’», «”», «”’» соответственно. Часть теплоты деформации, уходящей в стружку обозначим Qдс, в заготовку – Qди.

Рассмотрим движение тепловых потоков от каждого из тепловых источников. Часть теплоты деформации Qд (рис.59) уходит в стружку в виде потока Qдс, который в свою очередь частично остается в стружке Qдc’ , через контакт по передней поверхности поступает в инструмент Qдс”, а через контакт по передней и задней поверхностям – в заготовку Qдс”’. Вторая часть теплоты деформации в виде потока Qди уходит в заготовку. Часть этого потока остается в заготовке Qди”’, другая часть через контакт по задней поверхности переходит в инструмент Qди”, а третья через контакт по задней и передней поверхностям уходит в стружку Qди’. Теплота трения по передней поверхности Qтп в виде трех потоков уходит в стружку Qтп’, в заготовку Qтп”’ через контакт по задней поверхности и в инструмент Qтп”. Аналогично теплота трения по задней поверхности – в заготовку Qтз”’, в инструмент Qтз” и в стружку Qтз’.

Д ля упрощения схемы движения тепловых потоков в зоне резания введем понятие итоговых потоков. Количество теплоты, поступающей в заготовку, будет равно:

Qи=Qди’’’+Qдс^’’’+Qтп’’’+Qтз’’’.

Величину потоков Qди”’ и Qтз”’ можно определить как:

Qди’’’=Qди-Qди’’-Qди’ ; Qтз’’’=Qтз-Qтз’’-Qтз’.

Тогда: Qи=Qди+Qтз-(Qди’’+Qди’+Qтз’’+Qтз’-Qдс’’’-Qтп’’’).

Тепловые потоки (Qди’’+Qди’+Qтз’’+Qтз’-Qдс’’’-Qтп’’’) обозначим через Qз. Тогда выражение для определения количества теплоты, поступающей в заготовку, можно записать в виде:

Qи=Qди+Qтз-Qз,

где Qз – итоговый поток, образующийся в результате теплообмена по задней поверхности режущего инструмента.