IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

 В условиях современного машиностроения в автоматизированном производстве при организации процесса механической обработки материалов, которые обладают высокими эксплуатационными характеристиками и при точении дают сливную стружку, повышается необходимость обеспечения дробления стружки.

В зависимости от условий резания припуск преобразуется в стружку определенной формы. При первом же обороте заготовки стружка, перемещаясь по естественной траектории, сталкивается с каким-либо препятствием. Взаимодействие стружки с препятствиями является необходимым условием ее дробления [1]. В качестве препятствий могут выступать: поверхность резания; обрабатываемая поверхность; обработанная поверхность; задняя поверхность резца.

            Любые другие препятствия, расположенные достаточно далеко от площадки контакта стружки с передней поверхностью, например, выступающие части станка (суппорт, резцедержатель, поддон, кулачки шпинделя и т.д.), также могут оказывать влияние как на условия стружкообразования, так и на процесс дробления стружки. Взаимодействие стружки с такими препятствиями носит случайный характер и в дальнейшем во внимание не принимается.

Анализ известных схем дробления стружки [2] показал, что при их разработке использован неверный подход к описанию реакции на стружку со стороны конкретного препятствия. В упрощенных схемах дробления препятствия рассматриваются в статике, т.е. как неподвижные, а условия контакта стружки с ними принимаются одинаковыми. В реальных условиях взаимодействие стружки с препятствиями имеет разные условия. В одном случае, например, при контакте стружки с задней поверхностью, последняя  может рассматриваться как неподвижное препятствие, так как скорость перемещения стружки значительно превосходит скорость движения токарного резца. В других случаях - препятствия совершают движения, скорости которых превышают скорость движения стружки. Не учитывается при описании схем и то, что стружка может иметь контакт одновременно с несколькими препятствиями. При этом одни препятствия могут тормозить движение стружки, а другие, напротив, способствовать его увеличению. Не принимается во внимание и влияние силы реакции препятствия на условия взаимодействия стружки с другими препятствиями.

Особенностью сливного стружкообразования является способность стружки легко изменять свою начальную форму в процессе реза­ния под действием внешних сил за счет изменения напряженно-деформированного состояния зоны резания. Упрощенный подход к описанию схем дробления не учитывает многообразие форм стружки и возможности ее трансформации в реальных условиях обработки. Ранее отмечалось [3], что для условий чистового точения наиболее благоприятной является стружка в форме коротких винтовых, цилиндрических или «плоских винтовых» спиралей. Тем не менее, ни одна из рассмотренных схем не обосновывает процесса разрушения многовитковой стружки. Однако, при врезании инструмента в заготовку, процессу дробления стружки на участки в форме кольца или меньшие фракции, всегда предшествует процесс разрушения многовитковой стружки.

Для каждой формы стружки характерна своя схема дробления. Однако, схемы дробления для стружки этой формы в литературе отсутствуют. Поэтому, назрела необходимость в более детальном описании механизма дробления стружки с учетом особенностей взаимодействия с препятствиями, что позволит конкретизировать условия и процесс разрушения витка многовитковой стружки. Рассмотрим процесс образования стружки в форме винтовой спирали с момента врезания резца в материал заготовки.

При врезании резца в материал заготовки постепенно увеличивается толщина и ширина срезаемого слоя. Изменение толщины и ширины срезаемого слоя сопровождается изменением условий стружкообразования, что выражается в поэтапном преобразовании формы стружки (рис. 1.).

При точении стали 45Х резцом, оснащенным СМП CMNG 120408-GM (Korloy - Южная Корея),  в момент врезания толщина поперечного сечения  стружки a_ст изменяется от нулевого (рис. 1, кадр 1) до максимального значения (рис. 1, кадр 9). В этом случае, формирование стружки включает следующие этапы: 

• формирование прямой стружки (рис. 1, кадр 2);
• формирование стружки в форме плоской спирали (рис.1,кадр3);
• формирование стружки в форме «цилиндрической» спирали (рис. 1, кадр 4 - кадр 6);
• формирование стружки в форме винтовой спирали (рис. 1, кадр7 - кадр 9).

Переход от одной формы стружки к другой сопровождается изменением среднего радиуса ее витка. При переходе от прямой стружки к стружке в форме плоской спирали средний радиус витка изменяется от бесконечности до определенного значения.

Трансформация формы стружки от плоской спирали к «цилиндрической» спирали вызывает некоторое увеличение радиуса. Переходу от «цилиндрической» спирали к винтовой предшествует соскальзывание стружки с передней поверхности (рис. 1, кадр 6), что в свою очередь увеличивает радиус витка. При дальнейшем увеличении толщины стружки, имеющей форму винтовой спирали (рис. 1, кадр 7 - кадр 9), наблюдается уменьшение среднего радиуса. 

Если в процессе врезания при отрыве от передней поверхности в точке A стружка приняла форму винтовой спирали, то ее внутренний край контактирует с обрабатываемой и задней поверхностями соответственно в точках В и С (рис. 2). 

Реакцией обрабатываемой поверхности на контакт со стружкой является сила P_o, которую можно разложить на две составляющие: силу P_oN, направленную перпендикулярно обрабатываемой поверхности; силу P_ot, направленной по касательной к обрабатываемой поверхности в сторону вращения заготовки.

Сила P_oN стремится оттолкнуть, а  сила P_ot - подхватить стружку.  Первая сила стремиться изменить направление схода и увеличить радиус витка стружки, а вторая - уменьшить радиуса ее витка. Необходимо отметить, что контакт внутреннего края стружки с обрабатываемой поверхностью точечный. Внутренний край стружки имеет минимальную толщину и является наиболее гибкой частью сечения стружки. При этом обрабатываемая поверхность имеет большую скорость движения, чем стружка. Все это приводит к тому, что условия контакта между ними не устойчивые и постоянно изменяются.

Реакцией задней поверхности на контакт со стружкой является сила P_з, которую также можно разложить на две составляющие: силу P_зN, направленную перпендикулярно задней поверхности; силу P_зt, направленную параллельно задней поверхности в сторону к обрабатываемой поверхности заготовки. Сила P_зN стремится оттолкнуть стружку, а  сила P_зt - препятствует ее движению. Стружка  контактирует с задней поверхностью своим внутренним  краем. В этом случае, задняя поверхность имеет скорость перемещения значительно меньшую, чем скорость стружки. Поэтому, взаимодействие стружки с задней поверхностью имеет более стабильный характер, чем с обрабатываемой поверхностью.

Если точка B  располагается выше линии центров заготовки, то под воздействием силы P_o происходит подхват стружки. В результате точка B перемещается в положение ниже линии центров (рис 3).  

Момент перемещения точки B из одного положения в другое сопровождается упругой деформацией, что вызывает вначале увеличение, а затем уменьшение радиуса витка на участке от точки A до точки B (см. рис. 2). При адаптации зоны стружкообразования на такое воздействие на виток стружки может привести к изменению направления ее схода. Если точка C располагается относительно точки В на расстоянии, меньшем среднего радиуса витка стружки, то под воздействием силы P_з точка С переместится вниз от режущей кромки, а точка В - наоборот ближе к ней. Такие перемещения вызывают упругую деформацию витка стружки в точке B и изменяют положение оси ее траектории движения.

При дальнейшем формировании стружки под действием силы тяжести и центробежной силы происходит раскачивание свобод­ного конца стружки (рис. 4), которое в дальнейшем переходит в сложные колебательные движения относительно базовой плоскости АВС, образованной тремя опорными точками А, В и С контакта стружки с передней, обрабатываемой и задней поверхностями (см. рис. 2). В зависимости от условий схода многовитковой стружки могут иметь место два различных явления - гашение или усиление колебательных движений свободного конца стружки [4, 5]. В первом случае, формируется винтовая спираль большой длины, а при встрече с конструктивными элементами станка или другими препятст­виями она либо разрушается на отрезки различной длины, либо формирует «путаный» клубок.

Во втором случае, например, при движении свободного конца стружки в направлении к обрабатываемой поверхности и задней грани СМП, за счет упругих деформаций происходит разворот ее витка (рис. 5).

Ось стружки принимает положение перпендикулярное к базовой плоскости ABC. Точка В  перемещается вниз и в сторону от режущей кромки, а точка С - вверх и в сторону от вершины СМП. В таком положении виток стружки воспринимает силы реакции со стороны препятствий в плоскости его наибольшей жесткости. Взаимодействие стружки с задней поверхностью и обрабатываемой поверхностью имеет точечный контакт.  Данные условия являются более благоприятными для возрастания усилия Р_з до величины, обеспечивающей торможение витка на задней поверхности.

При движении свободного конца стружки вверх, виток разворачивается и принимает положение, показанное на рис. 6. Ось винтовой спирали располагается параллельно к базовой плоскости ABC (см. рис. 2). При таком положении витка стружка контактирует с обработанной и задней поверхностями своей открытой стороной.  Взаимодействие стружки с препятствиями из точечного контакта переходит к контакту на некоторой площади.

Данные условия являются наиболее благоприятными для возрастания усилия Р_з до величины, обеспечивающей торможение витка на задней поверхности.

При уменьшении скорости движения стружки на  участке между точками В и С и одновременном воздействии вновь образующихся слоев стружки, произойдет увеличение радиуса витка на участке от точки А до точки В (рис. 7, а). При этом на контактной стороне внутреннего края стружки возникают сжимающие напряжения, а на свободной стороне ее внешнего края - растягивающие.

При достаточно высокой жесткости стружки на свободной стороне ее внешнего края образуется трещина, что приводит к разрушению целостности витка (рис. 7, б). Если напряжения в стружке не превысили предельную деформацию, а увеличение радиуса витка привело к потере его устойчивости (аналогично потере устойчивости витка винтовой пружины), действие сил со стороны препятствий исчезает и формируется неориентированный участок («путанка», - рис. 7, в). Такой процесс характерен для стружки с малой жесткостью.

Приведенные результаты исследования процесса дробления многовитковой стружки позволяют сделать следующие выводы:

1. Необходимыми условиями устойчивого дробления являются стабильное формирование многовитковой стружки в процессе резания, высокая жесткость витка и его торможение в месте контакта с препятствием.
2. В момент врезания режущей части резца в материал заготовки, процессу устойчивого дробления стружки всегда предшествует формирование непрерывной стружки и переходный процесс, сопровождаемый неустойчивым дроблением.
3. Необходимыми условиями для дробления многовитковой стружки в форме винтовой, «цилиндрической» и «плоской винтовой» спирали являются наличие трех точек контакта с обрабатываемой поверхностью, задней и передней поверхностями инструмента, а также внешнее воздействие на виток, достаточное для возрастания силы реакции со стороны задней поверхности до величины, обеспечивающей торможение стружки.
4. Моменту разрушение витка многовитковой стружки соответствует положение оси ее спирали, когда она перпендикулярна базовой поверхности, сформированной тремя точками контакта, при этом силы со стороны препятствия действуют в плоскости наибольшей жесткости витка, или параллельна базовой плоскости, что увеличивает площадь контакта стружки с задней поверхностью инструмента.

 

Список литературы

1. Благовещенский А.В., Борискин О.И., Хайкевич Ю.А., Хлудов В.С., Хлудов С.Я. Управление качеством чистового точения на основе выбора рациональной формы и геометрических параметров передней поверхности режущей пластины / А.В. Благовещенский, О.И. Борискин, Ю.А. Хайкевич, В.С. Хлудов, С.Я. Хлудов // Тула: Гриф и К, 2007.- 208 с.
2. Хлудов С.Я. Механизмы стружкодробления при точении / Хлудов С.Я. //Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. - 152 с.
3. Васин С.А., Хлудов С.Я. Проектирование сменных многогранных пластин. Методологические принципы / С.А.Васин, С.Я.Хлудов// М.: Машиностроение, 2006. - 352 с.
4. Борискин О.И., Беляев В.В., Денисов И.Е., Хайкевич Ю.А., Хлудов С.Я. Исследование работоспособности резцов, оснащенных СМП с видоизмененной формой режущей кромки и ротационными элементами / О.И. Борискин, В.В. Беляев, И.Е.Денисов, Ю.А. Хайкевич, С.Я. Хлудов // Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. - 168 с.
5. Васин С.А., Иванов В.В. Стружкодробление при точении / С.А. Васин, В.В. Иванов // -Тула: Изд-во ТулГУ, 2001.- 151с.

Код для цитирования: Скопировать