Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА
Кафедра «Технология и оборудование машиностроения»
МЕХАНИКА ОБРАЗОВАНИЯ СЛИВНОЙ СТРУЖКИ
Методические указания к лабораторной работе
по дисциплине
РЕЗАНИЕ МАТЕРИАЛОВ
для студентов специальностей
151001, 151002 всех форм обучения
Нижний Новгород, 2010
Составители: Г. В. Гостев, И.Л. Лаптев
УДК 621.9. 01 (075.8)
Механика образования сливной стружки: Методические указания к лабораторной работе для студентов специальностей 151001 и 151002 по дисциплине «резание материалов» / НГТУ; Сост.: Г. В. Гостев, И.Л.Лаптев. Н. Новгород, 2010, 16 с.
Рассмотрены вопросы изучения деформированного и напряженного состояния в зоне резания при обработке с образованием сливной стружки как на модельном уровне, так и экспериментально, а также силы резания в условиях свободного резания.
ИВЦ ИПТМ. Учебно-методические комплексы кафедры «Компьютерное проектирование металлообрабатывающих и инструментальных систем». УМК «Резание материалов». Методичка Нарост.doc.
© Нижегородский государственный
технический университет
им. Р.Е.Алексеева, 2010.
ВВЕДЕНИЕ
При выполнении лабораторной работы изучается один из разделов курса, имеющий принципиальное значение для разработки расчетных методов определения сил резания. Хотя в основу рассмотрения вопроса о том, как образуется сливная стружка, положена одна из простейших моделей, концептуально она с достаточной полнотой отражает реально происходящие процессы. Основные принципы, на базе которых излагается материал, разработаны в трудах бывшего заведующего кафедрой «Металлорежущие станки и инструменты», одного из крупнейших ученых страны в области обработки металлов резанием в 50 - 80-е годы заслуженного деятеля науки и техники, доктора технических наук, профессора Моисея Исааковича Клушина.
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение деформированного и напряженного состояния в зоне резания и определение его показателей при образовании сливной стружки.
2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
2.1. Описание зоны образования сливной стружки
Рассмотрение вопросов дается для случая свободного прямоугольного (l =0O) резания c j = 900 (строгание, точение диска с поперечной подачей) инструментом с плоской передней поверхностью при отсутствии явлений наростообразования.
При резании с образованием сливной стружки под воздействием режущего инструмента на срезаемый слой с толщиной а и шириной b впереди передней поверхности инструмента создается переходная пластически деформируемая зона (переходная зона), в которой путем пластической деформации происходит превращение срезаемого слоя в стружку. Переходная зона по своим свойствам не принадлежит ни к срезаемому слою, ни к стружке. В общем случае она имеет форму криволинейного многоугольника, ориентированного под углом сдвига b1 к направлению вектора скорости резания (рис. 1). Толщина ее составляет несколько десятых миллиметра. Частицы срезаемого слоя, лежащие перед переходной зоной деформируются только упруго. Частицы, пересекающие переходную зону, становятся частицами стружки, которая представляет собой упруго напряженное тело на длине контакта ее с передней поверхностью инструмента С. В результате пластической деформации зерна срезаемого слоя в стружке изменяют свою форму. Направление их максимальной вытянутости просматривается в виде полос или строчек.
Рис. 1
а) б)
Рис. 2
При образовании сливной стружки в переходной зоне происходят деформации двух видов - простого сдвига и сжатия. Деформация сдвига может происходить по схеме чистого сдвига или по схеме простого сдвига. При малых (упруго - пластических) деформациях эти две схемы сдвига практически не различаются. Так как в переходной зоне имеют место большие деформации, различие учитывать необходимо. Деформация чистого сдвига складывается из равномерного растяжения вдоль одной оси и сжатия вдоль другой (рис. 2,а). При деформации простого сдвига перемещение точек деформируемого тела происходит лишь в направлении одной оси X на расстояния, пропорциональные координате Y (рис. 2,б). Направление главных линейных деформаций при простом сдвиге можно оценить по направлению главных осей эллипса, получаемого после деформации окружности, вписанной в первоначально выделенный элемент (квадрат). Большая ось эллипса соответствует направлению максимально удлиненного волокна после деформации.
Величина происшедшей (конечной) деформации оценивается различными характеристиками. При простом сдвиге ее можно оценить абсолютной величиной - углом поворота w первоначально выделенной (до деформации) ортогональной к направлению деформации линии; относительным сдвигом:
e = tg w (1)
и истинным сдвигом g - суммой тангенсов бесконечно малых изменений первоначального прямого угла с учетом того, что он строится заново в каждый момент деформации. Численно g = e.
Знание величины деформации необходимо для определения величины деформационного упрочнения (при конструкторских расчетах в области упругих деформаций для этой цели используется экспериментально установленный закон, в соответствии с которым напряжение пропорционально деформации). Умножив напряжение на площадь его действия можно оценить силы, действующие на этой площадке.
Направление максимальной вытянутости зерен (текстуры) при простом сдвиге по отношению к направлению сдвигов оценивается углом текстуры y (см. рис. 2,б), который определяется из выражения:
y = arcctg{0.5[2+( e 2 + 4)1/2]} (2)
2.2. Силовое воздействие в зоне резания
Рис. 3
Как отмечалось, стружка представляет собой упруго-напряженное тело. Через нее со стороны передней поверхности инструмента осуществляется передача силового воздействия в переходную зону для преодоления в ней сопротивления пластической деформации. Равнодействующая R сил нормальной N и касательной F (сила трения), распределенных по довольно сложным законам, располагается на расстоянии примерно в 1/3С от режущей кромки (рис. 3). Сила R, которая называется силой стружкообразования, создает также момент относительно режущей кромки. Сила N является проекцией R на направление перпендикулярное передней поверхности и наклонена к ней под углом трения r, сила F - проекция R на направление, совпадающее с направлением схода стружки по передней поверхности. При этом:
tg r = m = F / N , (3)
где m - коэффициент трения между стружкой и передней поверхностью инструмента. При обработке сталей m составляет 0.5 ... 0.8.
Стружка на инструмент воздействует с силой R’, равной R по модулю и противоположной по направлению (см. рис. 3). Выберем систему координат так, чтобы ось Z была направлена параллельно скорости резания, а Y - перпендикулярно к ней. Составляющими R’ по этим осям будут Rz и Ry. Помимо этого на инструмент воздействуют силы со стороны поверхности резания в момент контакта ее с задней поверхностью. Силы, действующие на заднюю поверхность инструмента F1 - сила трения и N1 - нормальная сила, приложены к фаске износа задней поверхности, которая возникает в первые моменты контакта инструмента, и являются результатом упругого восстановления поверхностного слоя, деформируемого впереди переходной зоны под действием силы стружкообразования R. Силы F1 и N1 направлены по осям Z и Y соответственно. Они возрастают при увеличении механических свойств обрабатываемого материала и площади фаски износа, т. е. ширины среза b и длины фаски hз. Можно считать, что влияние толщины среза a на силы F1 и N1 отсутствует (при a> 0.05 мм).
Результирующие силы, действующие на инструмент, находятся как сумма сил, приложенных к передней и задней поверхностям:
Pz = Rz + F1 , (4)
Py = Ry + N1,
где: Rz = R cos (r - g), (5)
Ry = R sin (r - g),
g - передний угол инструмента.
2.3. Модель переходной пластически деформируемой зоны
С целью анализа процессов, происходящих в переходной зоне, модель представляется в упрощенном виде. По этому поводу существует несколько предложений. В данной работе рассматривается одна из простейших моделей (рис. 4). Предполагается, что при деформировании срезаемого слоя в переходной зоне изменения ширины среза b не происходит (реальное увеличение b составляет 2...4%). Изменение величины и скорости движения частиц срезаемого слоя (от V до Vстр) происходит в переходной зоне АMm’a, границы которой параллельны. При относительном перемещении инструмента и заготовки из точки a в точку А происходит пластическая деформация простого сдвига элемента срезаемого слоя АMma и трансформация его в элемент стружки Аmm’a’. После окончания этого
Рис. 4
начинается образование следующего элемента. Выделенный в элементе срезаемого слоя до его деформации квадрат A123 к окончанию процесса деформации превращается в элемент стружки - параллелограмм А12’3’. В соот-ветствии с (1) степень деформации, которую приобрела стружка, - относительный сдвиг составит:
e = tg w = m’m / h (6)
Из рис. 4 видно, что:
m’m / h = m’N / h + Nm / h ,
следовательно, в переходной зоне происходит деформация величиной:
e = ctg b1 + tg (b1- g) (7)
При обработке сталей значения e составляют 2...4.
Рис. 5
Величину e можно рассчитать, если известен угол b1 . В рамках данной модели его можно определить через коэффициент утолщения стружки Ка = а1 / a:
tg b1 = MK / KA = =MK /(MC - CD) =
= a/[(a1/cosg)-a tgg] = =cos g / (a1/a - sin g )
Окончательно получаем:
tgb1= cos g / (Ka - sin g ) (8)
Направление максимальной вытянутости зерен к направлению скорости резания оценивается углом b2 , который в соответствии с рис. 5 и формулой (2) может быть определен как:
b2 = y + b1 (9)
2.4 Модель напряженного состояния в зоне резания
Напряженное состояние рассматривается в переходной зоне, на передней поверхности инструмента и в стружке. Момент силы R относительно режущей кромки не учитывается.
Рис. 6
В результате воздействия со стороны передней поверхности в переходной зоне возникает напряженное состояние, обуславливающее переход срезаемого слоя в стружку. Силу стружкообразования R можно разложить на две составляющие: силу сжатия Rсж, перпендикулярную переходной зоне, и силу сдвига Rсдв, параллельную ей (рис. 6). Касательные напряжения tсдв на гранях прямоугольного элемента в переходной зоне вызываются силой Rсдв.
Под действием силы Rсж возникает сжимающее напряжение s1, а под действием части силы Rсдв, распределенной на участке Аа’ - сжимающее напряжение s2. По оси, перпендикулярной чертежу, возникает сжимающее напряжение s3, препятствующее развитию деформаций в этом направлении. Доказано, что s1 = s2 = s3 = p, где p - гидростатическое давление, названное по аналогии с давлением в жидкостях, находящихся в покое.
Таким образом, напряженное состояние в переходной зоне характеризуется касательным напряжением tсдв с наложенным на него гидростатическим давлением p. Значения гидростатического давления p и касательного напряженияtсдв определяются делением соответствующей силы на площадь ее действия (см. рис.6):
p = Rсж /(АМ b) = Rсж sin b1/(a b) (10)
tсдв = Rсдв /(АМ b) = Rсдв sin b1/(a b)
Выразим значения Rсж и Rсдв через силу R:
Rсж = R sin(r+b1-g)
Rсдв = R cos(r+b1-g)
Окончательно получаем:
p = R sin(r+b1-g) sin b1/(a b) (11)
tсдв = R cos(r+b1-g) sin b1/(a b)
Напряжение tсдв постоянно на всей длине переходной зоны, хотя и изменяется за время образования элемента стружки от предела текучести обрабатываемого материала до предела текучести материала стружки. Гидростатическое давление p увеличивается при приближении к передней поверхности инструмента. По формулам (11) определяются средние значения напряжений tсдв и p.
Рис. 7
Напряженное состояние на площади контакта стружки с передней поверхностью инструмента длиной С и шириной b1 = b характеризуется нормальным sN и касательным tF напряжениями, ориентированными также, как силы N и F. В рамках данной модели наибольшее значение sN = sN MAX имеет место в области режущей кромки и численно равно гидростатическому давлению p. В конце длины контакта С значение sN = 0. Распределение sN по длине С принимается линейным (рис. 7). Исходя из этого получается соотношение для определения длины контакта С:
С = 2а cos r / [sin(r+b1-g) sinb1] (12)
Напряжение tF принимается неизменяющимся на длине С (см. рис. 7). Средние значения нормальных sN СР и касательных tF СР напряжений определяются следующим образом:
sN СР = N / (b С) = R cos r / (b С) (13)
tF СР = F / (b С) = R sin r / (b С)
Как отмечалось, передача силового воздействия со стороны передней поверхности инструмента в переходную зону идет через упруго напряженную стружку. Для этого она должна обладать необходимой прочностью. Если ее прочность будет недостаточна, то сливная стружка образовываться не будет. Будет формироваться другой тип стружки (скалывания или отрыва), т. е. сливная стружка будет образовываться тогда, когда обеспечивается ее минимально необходимая несущая способность.
Рис. 8
Касательные напряжения появляются не только в переходной зоне, но и в нормальном к передней поверхности сечении стружки на длине С. В сечении qq’ (рис. 8) напряжение sN =0 и напряжений в стружке не будет. В сечении 11’ возникает напряжение tСТР 1 из-за действия в этом сечении нормальной силы, распределенной на участке 1q. В сечении 22’ возникает напряжение tСТР 2 , которое будет больше tСТР 1 , т.к. его величина определяется большим значением нормальной силы, распределенной на участке 2q и т. д. Наибольшее перерезывающее напряжение tСДВ СТР возникает в наиболее опасном сечении МК, т. к. в точках, более близких к режущей кромке, быстро увеличивается площадь сечения, на которую действует нормальная сила.
Величина напряжения tСДВ СТР определяется исходя из следующего принципа. Толщина стружки а1 устанавливается ровно такой, при которой прочность стружки (несущая способность) достаточна для передачи в переходную зону воздействия, необходимого для преодоления сопротивления tСДВ . Исходя из этого и определяется tСДВ СТР . При b1 > g его величина равна:
tСДВ СТР = R [ 2 cos r - sin (b1 - g) sin(r+b1-g)] / (2 a b Ka) (14)
Входящий в формулы для вычисления напряжений угол r определяется следующим образом. Исходя из формулы (5):
r = arc tg (Ry / Rz + g) (15)
3. ЗАДАЧИ РАБОТЫ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ
3.1. Теоретически изучить процессы, происходящие при образовании сливной стружки, и вызывающие их причины.
3.2 Определить средние значения напряжений в переходной пластически деформируемой зоне, на передней поверхности и в стружке.
Задача решается на основании проведения экспериментов по определению сил резания и измерения параметров стружки.
4. ОПИСАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ПРИБОРОВ
Экспериментальная часть работы выполняется на токарно-винторезном станке 1К62, оснащенном тиристорным приводом с плавной регулировкой частоты вращения шпинделя в пределах 8...2000 об/мин. Опыты проводятся при наружном продольном точении заготовки из конструкционной стали твердосплавным резцом, установленном в динамометре. Используется проходной резец с острозаточенной вершиной и плоской передней поверхностью ( l = 0О, j < 90O). Измеряются составляющие силы резания Pz и Py. Кроме этого, с помощью штангенциркуля измеряется толщина стружки а1.
В качестве динамометра используется электрический универсальный дина-мометр УДМ-600. Он позволяет измерять составляющие силы резания при точении, фрезеровании, шлифовании, осевую силу и крутящий момент при сверлении, зенкеровании, развертывании и нарезании резьбы метчиком и рассчитан на усилие 6 кН.
Основой динамометра является квадратная пластина, установленная в корпусе динамометра на упругих опорах , на которых наклеены тензометрические преобразователи. Тензодатчики представляют собой несколько витков тонкой проволоки, которая изменяет электрическое сопротивление при деформации преобразователя. Опоры имеют трубчатую форму и воспринимают нагрузку лишь в одном направлении - вдоль оси. Под действием каждой из составляющих силы деформируются соответствующие опоры, а в месте с ними и тензодатчики, соединенные в мостовые схемы. Сигналы с мостовой схемы в виде изменения силы тока, пропорционального деформациям поступают на два канала четырехканального усилителя ТА-5, а затем - на входы двухканального самопишущего потенциометра КСПП-4 (рис. 9), на одном из каналов которого ре
Рис. 9
гистрируется сигнал Hpz, пропорциональный силе Pz, а на другом - сигнал Hpy, пропорциональный силе Py.
Динамометры не позволяют определить непосредственно силы резания; их показания соответствуют деформациям, пропорциональным действующей силе. Поэтому между величиной записи и силой имеется линейная связь:
Pz = Kpz Hpz (16)
Py = Kpy Hpy ,
где Kpz и Kpy - тарировочные коэффициенты каждого измерительного канала.
Тарировочные коэффициенты находятся путем тарирования динамометра, т. е. нагружения его известными силами с регистрацией при этом отклонений пера самопишущего потенциометра и построения по этим величинам тарировочного графика. Угол наклона графика будет характеризовать коэффициент пропорциональности или тарировочный коэффициент.
Более подробная информация о различных конструкциях динамометров приведена в [ 1 ], с. 109 - 112.
5 ОХРАНА ТРУДА
Обслуживание металлорежущего станка при выполнении экспериментальной части работы выполняется учебным мастером. Поведение студентов в лаборатории и при проведении экспериментов регламентируется инструкцией по технике безопасности в лаборатории резания.
6. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
Определение средних значений напряжений
Экспериментальная часть
Рис. 10
Опыты проводятся при несвободном резании при отношении глубины резания t к подаче s больше 5. При таком отношении t / s участие вспомогательной режущей кромки при острозаточенной вершине резца не ощущается и измеряемые силы резания и направление схода стружки при свободном и несвободном резании практически не отличаются. Это дает возможность использовать для определения напряженного состояния модель, рассмотренную в п.3. 4.
Измерительные оси динамометра X,Y и Z направлены так, как показано на рис. 10. Процесс же образования сливной стружки происходит только в секущей плоскости, перпендикулярной режущей кромке, т. е. совпадающей с направлением XY. Для расчета напряжений необходимо определить силы Pz (перпендикулярно чертежу) и Pxy. Для определения Pxy достаточно в основной плоскости измерить одну из сил Py или Px. В работе измеряется составляющая Py. Тогда:
Pxy = Py cos j
После определения Pxy производится ее переобозначение. В дальнейшем Pxy будем обозначать как Py.
à) á)
Рис. 11
Алгоритм выполнения экспериментальной части работы представлен на рис. 11,а. Предварительно перед выполнением работы задаются постоянные элементы режима резания - скорость резания V в м/c, глубина резания t в мм, тарировочные коэффициенты Kpz и Kpy в Н/мм, а также величина угла в плане j и диаметр заготовки D. Затем рассчитывается частота вращения шпинделя n в об/мин и вместе с подачей S0 устанавливаются на станке. При проведении эксперимента фиксируются величины Hpz и Hpy с помощью самопишущего потенциометра и измеряется толщина стружки a1. Опыты проводятся при 5 значениях подачи S0 с двухкратным повторением. Результаты фиксируются в журнале-отчете.
Алгоритм обработки результатов экспериментов представлен на рис. 11,б. Определяются силы Pz и Pxy в Н, производится переобозначение Pxy на Py, рассчитываются значения a, b и Ka. Результаты фиксируются в журнале - отчете. Далее методом экстраполяции силовых зависимостей
Рис. 12
Pz = f(a) и Py = f(а) на нулевое значение толщины среза определяются силы F1 и N1. Так как силы Rz и Ry на передней поверхности уменьшаются при снижении a, силы F1 и N1 не зависят от a, то при a0 PzF1, PyN1. По средним значениям полученных Pz и Py на миллиметровой бумаге строятся зависимости
Pz = f(a) и Py = f(а) и определяются F1 и N1 (рис. 12).
Расчетная часть
Расчетная часть представляет программу вычислений напряжений, действующих в переходной зоне, на передней поверхности инструмента и в стружке. После ввода исходных данных и коэффициента Ka, полученных экспериментально, производится расчет составляющих Rz и Ry силы стружкообразования R , а также углов трения r и сдвига b1 , коэффициента трения m и относительного сдвига e .
Дальнейший расчет проводится по трем блокам, используя формулы, приведенные в п. 3.4:
определяются гидростатическое давление p и касательное напряжение сдвига tсдв , действующие в переходной пластически деформируемой зоне;
определяются средние нормальные sN СР и касательные tF СР напряжения, действующие на передней поверхности инструмента;
определяется касательное напряжение в стружке tсдв.стр.
После вычисления по трем блокам изменяется толщина среза а, и цикл расчета повторяется.
Блок-схему алгоритма расчета студенты составляют самостоятельно.
Выводы по работе
В выводах отмечается:
как влияет толщина среза а на Pz, Py и Ka;
результаты сравнения уровня значений коэффициента трения, наблюдаемого при резании и у трущихся пар деталей машин;
результаты сравнения уровня степени деформации (по интенсивности деформации еi = 0.58 e) стружки и при растяжении в шейке образца в момент его разрушения (еi = 0.4);
результаты сравнения tсдв, tF СР и tсдв.стр с пределом текучести обрабатываемого материала при растяжении;
результаты сравнения уровня полученных значений С с толщиной среза а.
Список литературы
1. Розенберг, Ю.А. Резание материалов: Учебник / Ю.А.Розенберг: Курганский гос. ун-т; Тюменский гос. нефтегазовый ун-т. – Курган: Зауралье, 2007.
2. Трембач, Е.Н. Резание материалов: Учебник/Е.Н.Трембач и др. – 2-е изд., перераб. и доп. - Старый Оскол: ООО «ТНТ», 2007.
3. Ящерицын, П.И. и др. Теория резания. Физические и тепловые процессы в технологических системах: Учебник для втузов. - Мн.: Высш. шк., 1990. 512 с.