1.2 Промышленное применение вибраций при резании. Методика определения оптимальных условий
Изыскание новых методов обработки металлов резанием ведется путем изменения характера приложения механического воздействия на срезаемый слой (например, на вибрационное, сверхскоростное), использования качественно новых видов воздействия на материал срезаемого слоя (химического, электрического), применения комбинированных методов обработки, построенных на совмещении равномерного механического воздействия с вибрационным, тепловым, химическим, электрическим воздействиями. Сочетание каждого из этих процессов с другими, а также комбинации из трех или четырех элементов определяют известные к настоящему времени новые методы обработки металлов снятием стружки. Комбинированные методы обработки отличаются наибольшей эффективностью. Значительное место среди них занимает механическая обработка с вибрациями в специальных средах, совмещающая равномерное движение резания с вибрационным воздействием на материал срезаемого слоя в химически активной среде.
Применение резания с вибрациями на оптимальных режимах позволяет успешно решать многие актуальные проблемы, стоящие перед металлообрабатывающей промышленностью.
Резание с вибрациями обеспечивает надежное дробление стружки. Интенсификация процессов механической обработки путем использования твердосплавного и керамического инструментов применения методов многоинструментальной обработки и силового резания резко увеличивает количество стружки. При обработке многих материалов стружка сливная. Она загромождает цеховое пространство является причиной травм рабочих, затрудняет эксплуатацию универсального и особенно автоматизированного оборудования, требуя для отвода от движущихся узлов станков дополнительного труда рабочего.
Процесс удаления стружки заключается в ее дроблении и выносе из рабочего пространства станка. Мелкодробленая стружка легко удаляется шнековыми и пневматическими устройствами. Дробление стружки до настоящего времени вызывает серьезные затруднения. Достоинством широко применяемых в настоящее время способов дробления стружки (лунки, уступы, накладные стружколомы) является простота: на многих операциях они дают удовлетворительное решение этой задачи. Вместе с тем они несовершенны.
Другими возможными способами стружкодробления является оснащение станка устройствами, позволяющими периодически прекращать подачу режущего инструмента, т.е. осуществлять так называемое дискретное резание или быстро отводить инструмент в направлении, противоположном направлению подачи на величину больше толщины стружки.
При применении первого способа весьма значительные упругие деформации системы СПИД не позволяют мгновенно прекратить процесс резания. Кроме того, вследствие постепенного снятия упругих сил будет происходить образование борозд на обработанной поверхности. Периодические остановы приведут также к снижению производительности обработки. Второй способ по тем же причинам используется практически лишь на сверлильных станках.
Более перспективным и универсальным является использование для дробления стружки резания с вибрациями (между прочим оба упомянутых метода можно рассматривать как частные случаи резания с вибрациями очень малой частоты и негармонического вида). При резании с вибрациями в ряде случаев повышается обрабатываемость резанием материалов прежде всего нержавеющих и жаропрочных. Обрабатываемость материалов резанием определяется: интенсивностью износа инструмента; сопротивлением, оказываемым данным материалом движению резания, оцениваемым прежде всего по величине возникающих силы резания и температуры; качеством поверхности. Как показывают лабораторные испытания и опыт производственного внедрения, задание вибраций оптимальных параметров уменьшает интенсивность износа инструмента из-за снижения действующих сил, температуры и повышения эффективности применения смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), т.е. увеличивает стойкость инструмента и повышает качество поверхности. Применение вибрации также резко сокращает поломки инструмента и тем самым увеличивает срок их службы. Это подтверждают данные по вибрационному сверлению обычных и глубоких отверстий, когда получение мелкой стружки, удобной для удаления формы, исключает поломку сверл, вследствие ликвидации пробок из стружки в канавках сверла. Большое значение в процессе резания приобретают переходные процессы, связанные с врезанием и выходом инструмента. Все это позволило создать новый метод обработки — ударно-прерывистое резание. Оно характеризуется по сравнению с обычным большим удельным весом динамических явлений и повышенных скоростей резания в процессе стружкообразования при обеспечении удовлетворительных условий работы режущего клина за счет его периодического отдыха, сопровождающегося активным формированием на нем в среде СОЖ защитных пленок.
Переход на обработку резанием с вибрациями в ряде случаев обеспечивает повышение виброустойчивости системы и тем самым позволяет осуществить замену, быстрорежущего инструмента твердосплавным, т. е. повысить производительность обработки. Это очень важно в первую очередь для операций при обработке тонкостенных деталей.
Применение обработки резанием с вибрациями позволяет осуществить механизацию операций, на которых при использовании обычного метода резания применяется ручной труд. Это объясняется тем, что использование вибрации создает на ряде операций более благоприятные и стабильные условия для работы инструментов. К таким операциям относится сверление отверстий малого диаметра (1,0—3,0 мм) в деталях из нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, особенно с засверловкой их в косой торец, а также при обработке тонкостенных деталей.
Применение резания с вибрациями на ряде операций создает возможность автоматизации, так как обеспечиваемое этим методом надежное дробление стружки позволяет не прерывать автоматическую работу суппортов и шпинделей. Это имеет место при обычном резании; создает стабильные условия обработки для инструментов, работающих в затрудненных условиях.
Применение вибраций является одним из новых технических средств, обеспечивающих повышение эффективности автоматизации производства. Нередко полной автоматизации всего технологического процесса механической обработки деталей препятствует одна или две операции из-за их крайне малой производительности или невозможности выполнять их в автоматическом режиме. Например, в автоматизированном производстве широкое применение находят многошпиндельные агрегатные силовые головки. Так как все инструменты имеют одинаковую минутную подачу, то производительность всей головки определяется условиями резания.
Решающими условиями повышения производительности на операциях по обработке тонкостенных деталей является надежное стружкодробление и ликвидация крайней нестабильности движения резания. Поэтому при обычном резании на этих операциях режимы резания крайне низки и необходимо постоянное наблюдение за работой инструмента.
Изыскание рациональных условий механической обработки должно производиться комплексно на основе выяснения физико-химического механизма процесса резания и прежде всего основных явлений, его определяющих, — кинематики процесса и динамических свойств системы СПИД, напряженного состояния, пластических деформации и разрушения в зоне резания, трения, тепловых процессов, химических и электрических явлений на контактных поверхностях и других факторов. Они определяют структурную схему основных элементов, составляющих операцию механической обработки, т. е. взаимосвязь между исходными — первичными — параметрами, задаваемыми конструктором (обрабатываемый материал, размеры детали) и технологом (тип станка и приспособлений, схема настройки операций, конструкция и геометрия заточки инструмента, режимы резания, вид и способ подачи СОЖ), и вторичными параметрами, определяющими результаты выполнения механической обработки (эксплуатационные характеристики детали, в том числе точность обработки и качество поверхности, стойкость инструмента, производительность и экономичность обработки). Следует отметить, что приведенная рис. 1.1 структурная схема механической обработки: первичные параметры—процесс резания—вторичные параметры не является всеобъемлющей; каждый раздел ее может дополняться по мере совершенствования процессов резания и выяснения его физической сущности. Например, для улучшения процессов резания в качестве первичных параметров применяется введение постоянного тока в зону резания, а предварительный подогрев заготовок; несколько сложнее определить в этом отношении место вибраций. В определении взаимосвязи между первичными и вторичными параметрами, т. е. в установлении физико-химической сущности процесса резания, важное значение имеют жесткость упругой системы СПИД и вибрации. Вибрации при резании могут задаваться извне специальным вибратором или возникать в результате определенных особенностей процесса резания. В первом случае они относятся к первичным параметрам, во втором являются одним из явлений, определяющих физический механизм процесса резания при заданных условиях. Вибрации первого вида всегда задаются с определенным направлением, частотой, амплитудой и формой колебаний, улучшающими процесс резания, т.е. являются целенаправленными, полезными. Вибрации второго вида возникают в результате непредусмотренных при проектировании операции особенностей процесса резания, т. е. при выборе первичных параметров. В этом случае их направление, частота, амплитуда, форма в большинстве случаев получаются такими, что ухудшают результаты обработки, т. е. вторичные параметры: они снижают стойкость и, прочность инструмента, точность и
Рисунок 1.1 – Структурная схема механической обработки.
Вибрации, обусловленные процессом резания с оптимальными направлением, частотой и амплитудой позволяют использовать их для улучшения механической обработки—вторичных параметров, т.е. превратить вредные вибрации в полезные.
Характер взаимосвязи между отдельными элементами структурной схемы механической обработки различен. Так, если в цепи между первичными и вторичными параметрами существует только прямая связь, то между отдельными физическими явлениями, составляющими процесс резания, имеет место и обратная связь, т.е. они тесно связаны между собой, взаимно влияя друг на друга. Следует прежде всего отметить тесную взаимосвязь явлений пластического деформирования и трения, на основе которой построены все исследования, механики процесса стружкообразования. Исключительно важны тепловые явления, так, до последнего времени взаимосвязь стойкости инструмента и производительности обработки определялась на основе рассмотрения только тепловых зависимостей. Периодические выходы инструмента из обрабатываемого материала при наложении вибраций качественно изменяют тепловые процессы при обычном резании, и тем самым при оптимальных параметрах снижают интенсивность износа.
Изучение механизма резания как процесса, пластической деформации материала, превращаемого в стружку, отличается от его рассмотрения при таких технологических процессах, как обработка давлением, где степень деформации задается извне и является основным аргументом. При механической обработке характер распределения деформаций и их величина определяются условиями резания. Если в первом случае степень деформаций является результатом приложения заданной силы, то при резании, напротив, сила является функцией деформации и, в конечном счете, условий резания. Использование вибраций, задаваемых извне вибратором, может приводить к облегчению пластического деформирования и трения, что ведет к снижению сил резания и выделяемого тепла. Это свидетельствует о взаимосвязи между кинематикой процесса резания, напряженным состоянием, пластическими деформациями, трением, силой резания и тепловыми явлениями. Взаимосвязь между отдельными явлениями может быть непосредственная или косвенная. Действительно, одно из исследуемых явлений, составляющее процесс резания, может влиять как непосредственно, так и через изменение ряда других (цепочки) физических явлений, связывающих два исследуемых параметра, т. е. косвенно. Например, непосредственное влияние вибраций на износ инструмента связано с их циклическим воздействием на рабочие поверхности инструмента. Однако возникновение вибраций приводит к изменению кинематики процесса, пластических деформаций, тепловых явлений и др. Зачастую косвенная взаимосвязь явлений, составляющих процесс резания, имеет большее значение, чем непосредственная, а иногда и решающее. Кроме того, непосредственная и косвенная взаимосвязь отдельных физических явлений может оказывать как одинаковое, так и противоположное воздействие.
Большинство исследований вибраций при резании выполнено на основе упрощенных структурных схем. Чаще изучение вредных вибраций проводят на основе исследования влияния отдельных первичных параметров на интенсивность вибраций и результаты обработки. А. И. Кашириным выполнены исследования интенсивности вредных вибраций с учетом влияния особенностей процесса трения только на контактных поверхностях (рис. 1.2), Л. П. Соколовским—с учетом особенностей пластического деформирования при врезании и выходе инструмента, И. С. Штейнбергом—с учетом процесса наростообразования.
В последние годы были выполнены исследования вибраций, обусловленных запаздыванием сил стружкообразования и трения относительно вибрационного перемещения и особенностями стружкообразования, связанными с упругими деформациями системы СПИД (рис. 1.3), имеющей несколько степеней свободы. Надо отметить, что совершенно недостаточно изучен механизм влияния вредных вибраций, обусловленных процессом резания, на вторичные факторы и прежде всего на стойкость и прочность инструмента. Исследования полезных вибрации, задаваемых специальными вибраторами, проведены, как правило, на основе рассмотрения прямой взаимосвязи первичных и вторичных факторов, без изучения физических закономерностей процесса резания, определяющих эту взаимосвязь. Перечислять все выполненные методики исследований процесса резания c вибрациями в виде построения структурных схем нет надобности. Пользуясь приведенной общей структурной схемой механической обработки, можно построить заданное исследование процесса резания методически правильно. Помимо этого, использование структурных схем позволяет наиболее рационально решать технологические задачи, поставленные перед механической обработкой на данной операции, выявляя ее узкие места. Кроме того, они делают возможным определять рациональные границы целесообразного применения обычных методов механической обработки, сверх которых при заданных конструктором и технологом требованиях следует переходить на качественно иные методы обработки, например электрическую, химическую н в том числе обработку резанием с вибрациями
Рисунок 1.2 – Влияние первичных параметров на трение на контактных поверхностях.
Рисунок 1.3 – Влияние первичных параметров на стружкообразование
Изложение методики исследований вибраций при резании дано в работе. Отдельные ее положения сводятся к следующему. При изучении отдельных явлений, определяющих в целом физическую картину процесса резания с вибрациями, например кинематику процесса, динамику системы СПИД, напряженное состояние в зоне резания, пластические деформации, не имеет значения причина возникновения колебательного процесса. Это относится в равной мере и к влиянию вибраций на вторичные параметры. Во всех этих случаях имеют значение только режимы вибраций, т. е. их направление, частота, амплитуда, форма. Этот вывод позволил исследовать вибрации при механической обработке в общем виде, рассмотрев последовательно кинематику, механику и другие физические явления. Учитывая изложенное, следует отдельно выделять рассмотрение причин возникновения вибраций при резании.
