Підвищення ефективності процесів чистової обробки на основі аналітичного моделювання силової взаємодії леза із заготівкою

Abstract

В дисертації розроблені методика моделювання силової взаємодії леза із заготівкою при різанні з товщиною зрізу, що безперервно змінюється у межах, порівняних з радіусом округлення РК, алгоритм розрахунків та програма його реалізації на ЕОМ. Задача визначення напружено-деформованого стану пластичної області вирішувалася методом ліній ковзання. Вихідними даними є: механічні властивості матеріалу, що оброблюється, геометрія леза та умови обробки. Виконана перевірка показала задовільну відповідність результатів прогнозування сили експериментальним даним. В результаті виконаних теоретичних досліджень за цією моделлю формалізовано процес утворення напливу попереду РК, визначено величини залишкової сили та мінімальної товщини зрізу, що реалізує процес різання у вигідних умовах. Використання результатів дослідження при проектуванні технологічного процесу дозволяє знизити енергоємність нестаціонарних процесів чистової обробки, підвищити ресурс інструменту і якість обробленої поверхні. При цитуванні документа, використовуйте посилання http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3509

Диссертация посвящена повышению эффективности процессов чистовой обработки на основе моделирования силового взаимодействия лезвия с заготовкой при резании с непрерывно изменяющейся толщиной среза, по величине соизмеримой с радиусом округления режущей кромки (РК). Актуальность исследования обусловлена тем, что большинство известных прогнозирующих моделей основано на допущении об абсолютно остром лезвии и, следовательно, они не могут быть применены для указанных условий. В то же время доля процессов чистовой обработки непрерывно увеличивается и необходимость их оптимизации требует разработки моделей процесса резания округленным лезвием. Результаты аналитических исследований автора и современные представления о процессе резания были обобщены, формализованы и положены в основу разработанной прогнозирующей модели силового взаимодействия округленного лезвия с заготовкой для случая свободного прямоугольного резания с непрерывно изменяющейся толщиной среза в условиях отсутствия наростообразования, позволяющей с ошибкой не более 21% (при a Ј r0) спрогнозировать контактные нормальные напряжения, силу взаимодействия лезвия с заготовкой, коэффициент усадки стружки, геометрию пластической области и остаточного наплыва без предварительного проведения каких-либо экспериментальных исследований собственно процесса резания. Прогнозируемые показатели определялись по данным о напряженно-деформированном состоянии (НДС) в пластической области, формирующейся перед округленной РК в процессе нестационарного резания. Ее граница заранее неизвестна. С целью аналитического определения НДС предложен способ описания конфигурации пластической области и разработаны соответствующие аналитические зависимости. За счет этого стало возможным раздельное определение напряженного и деформированного состояний в пластической области с помощью метода линий скольжения. Показано, что с самого начала контакта лезвия с заготовкой в ходе их относительного перемещения режим неустановившегося стружкообразования (образование наплыва перед РК) переходит в установившийся режим (образование стружки). Предложено математическое описание процесса образования наплыва перед режущей кромкой в процессе резания с постоянно изменяющейся толщиной среза, разработаны математическая модель этого процесса, алгоритм и программное обеспечение для его реализации на ЭВМ. Адекватность модели была подтверждена методом сравнения расчетной зависимости P=P(a) с результатами эксперимента, полученными как самим автором (методом тангенциального точения стали ШХ15), так и другими исследователями (на примере протягивания и строгания сталей 20, 30ХГСА, 33ХСА, 45Х и сплава В9ЗТ при толщине среза a Ј r0). В эксперименте автора зависимость P=P(a) определялась непосредственным измерением как силы взаимодействия лезвия с заготовкой, так и толщины среза на специальной экспериментальной установке, реализованной на базе станка 6Р13Ф3 с ЧПУ 2С42-65 совместно с измерительным комплексом, оснащенным динамометром УДМ1200, индуктивным датчиком толщины среза, АЦП, ЭВМ и другими вспомогательными устройствами. Также сравнивались конфигурация пластической области, распределение напряжений, проекции силы резания и усадка стружки при разных условиях. Выполнены исследования влияния различных факторов на ошибку прогнозирования. Показано, что она возникает в результате как принятых допущений, так и ошибки определения исходных данных. Методом вычислительного эксперимента исследовано влияние толщины среза a, скорости ее изменения, выраженной углом наклона исходной поверхности d, контактных касательных напряжений tn и переднего угла g на распределение контактных нормальных напряжений, силу взаимодействия лезвия с заготовкой, ее удельную величину, геометрию остаточного наплыва и остаточную силу, а также на соотношение проекций этих сил и коэффициент усадки стружки. Показано, что стружкообразование при обработке реальной поверхности имеет место уже при толщине среза, большей 2Ra. Однако реализация процесса резания в выгодных условиях возможна лишь при толщине среза свыше (0,2 - 0,4)r0. Установлено, что образование остаточного наплыва является результатом недостаточного оттока материала из пластической области и имеет место во всех случаях, когда лезвие выходит из контакта с заготовкой при нулевой толщине среза (тангенциальное точение, попутное фрезерование и др.). Показано, что размеры остаточного наплыва при переднем угле, близком к 0, увеличиваются с увеличением касательных напряжений на контактной поверхности. При этом величины проекций остаточной силы изменяются в узких пределах: (1,5 – 2,0)kbr0 для Pz и (1,8 – 2,8)kbr0 для Py. В результате выполнения исследований разработана инженерная методика определения показателей силового взаимодействия лезвия с заготовкой, которая реализована в программном обеспечении для ЭВМ. Она может быть использована уже на стадии проектирования элементов технологической системы для расчета сил закрепления инструмента, узлов станков и приспособлений на прочность и жесткость, оптимизации конструкции и геометрии лезвия и др. Выполнение рекомендаций, касающихся величины минимальной толщины среза, геометрических размеров остаточного наплыва и величины остаточной силы, позволяет снизить энергоемкость нестационарных процессов чистовой обработки, повысить ресурс инструмента и качество обработанной поверхности. Кроме этого, разработанный новый способ измерения радиуса округления РК может быть использован для контроля качества режущих лезвий в специализированном инструментальном производстве. При цитировании документа, используйте ссылку http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3509

A method of modeling of tool-workpiece interaction during the cutting with continuously varying undeformed chip thickness within the value of tool edge radius as well as calculation algorithm and respective software have been developed in this thesis. Stress and strain are determined with aid of slip line method. The source data are mechanical properties of workpiece material, tool geometry and cutting conditions. The model validation has shown a satisfactory correspondence between calculated and experimental data. The hypothesis of buldge formation mechanics, values of residual force and minimal undeformed chip thickness, which allows efficient cutting process, are the main results of this research. Its utilization during development of manufacturing technology can result in decrease of power-consumption of unsteady-state finish cutting operations, in increase of tool life and quality of machined surface. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3509