ВЛИЯНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ НАЛОЖЕНИЯ НА РЕЗЕЦ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ВЕЛИЧИНУ УСИЛИЯ РЕЗАНИЯ

 

Колотушкин Н.Н., Рябов А.В., Усачёв М.Ю., Ториков Е.Н.

 (БГИТА, г.Брянск, РФ)

 

Influence of a direction of imposing on a cutter of ultrasonic fluctuations on size of effort of cutting.

 

При определении физической сущности резания с ультразвуком и его эффективности большое значение имеет направление вводимых колебаний.

Возможно, что для различных материалов при ультразвуковой об­работке резанием направление колебаний инструмента может быть различным. Одним из основных условий успешного применения метода механической обработки с возбуждением в зоне резаная УЗК является установление оптимального направления колебаний режущего клина в процессе обработки. УЗК, введённые в зону резания, вызывают дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента относительно заготовки, что приводит к периодическому повороту векторов сил трения на передних и задних поверхностях инструмента. Это уменьшает сопротивление схода стружки, Т.е. облегчает процесс стружкообразования. УЗК, введённые в зону резания, в оп­ределённых условиях значительно снижают силы и температуру резания. В этих условиях, очевидно, на величину уменьшения указанных параметров будет влиять направление колебаний в зоне контакта режущего клина с обрабатываемой деталью. В связи с этим ниже делается попытка теоретически рассмотреть вопрос об оптимальном направлении колебаний, Т.е. таком направлении, которое даёт наибольшее снижение усилий резаная.

Рассмотрим лежащее на передней грани режущего клина тело массы m, которое будем считать материальной точкой.

 

Рисунок 1- Схемы сил, действующих на объём стружки при резании с наложенными ультразвуковыми колебаниями на резец: а - на переднюю грань; б - по Клушину М.И.: в - на заднюю грань; г - треугольник сил: F -сила трения на передней грани; N -сила нормального давленая на передней грани; F ₁ - сила трения на задней грани; N₁ - сила нормального давления на задней грани; Sг - силы, действующие в плоскости граней, равные нижней границе сил, поддерживающих тело в движении

 

На это тело действуют силы: N - нормальная сила, прижимающая тело к плоскости; S - сила, направленная параллельно этой плоскости; -сила трения; Ф - переменная сила, изменяющаяся по гармоническому закону с ультразвуковое частотой.

Все теоретические исследования будут проводиться из следующих допущений: 1- Элемент стружки считается твёрдым телом. 2. Задний угол принят равным нулю, вследствие его малости в зоне резания. З. Коэффициент трения по задней и передней поверхностям резца приняты равными. Перемещение стружки по передней грани происходит с постоянной скоростью. 4. Сила Ф равна амплитудному значению и направлена по наибольшей оси эллипса колебаний.

Как известно, коэффициент трения скольжения можно определить как отношение нижней границы Smin - сил, поддерживающих движение тела в направлении силы S к нормальной реакции N

.                                                                                   (1)

 В работе А.Б. Блехмана и Г.Ю.Джанеладзе отмечается, что при трении в условиях колебаний, когда кроме сил S и N действует сила, изменяющаяся по гармоническому закону, следует различать эффективные коэффициенты трения. Авторы рассматривают случай, когда переменная сила Ф₁ параллельна силе S.

^{Движение тела по плоскости из состояния покоя будет возможно, если сумма сил S и Ф произведёт} наибольшую величину силы трения покоя - f*N, причём это условие будет удовлетворено при таком S=Smin, которое в сумме с амплитудным значением переменной силы, превзойдёт наибольшую силу трения, т.е.

                                                          Smin=f * N - Фо,      

                                                                 Откуда

 

Эффективный коэффициент трения fэф. определяется по формуле Smin\N подобно тому, как это делается при отсутствии переменной силы, т.е.

                                           

                                                                                                (2)

Условная величина F_эф не может быть отождествлена с физическим, истинным коэффициентом трения, так как исходные положения, т.е. измерение значений сил не дают достаточных данных для суждения, имеет ли место влияние колебаний на структуру и свойства соприкасающихся тел или все явления легко объясняются на основании механических соображений. Поэтому факт зависимости F_эф от      свидетельствует об изменении истинного коэффициента трения под действием УЗК. Аналогичным образом находятся F_эф для случая, когда сила Ф₂ перпендикулярна силе S и параллельна силе N , т .е.

                                                     Smin = f (N-Ф)

и выражение для соответствующего эффективного коэффициента fэф. трения будет

^­                                                  

В случае, когда Ф параллельна плоскости и направлена перпендикулярно силе S,величина Smin определяется из уравнения

                                          (Smin) ² + Ф0² = f²*N²

                                                                            ⁽³⁾

Таким образом, видно, что эффективные коэффициенты трения зависит от параметра , характеризующего интенсивность нагрузки.

Исследуя выражения 2 и 3, можно заметить, что эффективны трения во всех случаях с увеличением амплитуды переменной силы Ф сначала убывает, а затем обращается в нуль, ибо в том случае, если правые части зависимостей 2 и 3 отрицательны или мнимы, то соответствующие эффективные коэффициенты трения надо считать равными нулю, так как в этих условиях даже сколько угодно малая сила вызовет направленное движение тела. В первом и третьем случаях это имеет место при - , а во втором – при =1

Из приведенных соотношений можно также заметить, что наилучшее направление для получения минимального эффективного коэффициента трения 2, 3 будет зависеть от величины f  и отношения сил Ф/N.

Для процесса резания с УЗК наибольший интерес представляют два случая, когда Ф перпендикулярно S в нормальном сечении режущего клина и Ф параллельно S, так как практически в процесс е резания древесных материалов получаются колебания, которые по направлению могут быть близкими к указанным двум направлениям. В связи с этим следует заметить, что наиболее эффективное направление для каждого конкретного случая зависит от отношения Ф/N и коэффициента трения, полученного при обычном резании. Если f изменяется от единицы до нуля, то оптимальное направление УЗК в сторону уменьшения угла наклона, который отсчитывается от плоскости передней грани. Если f - близко к единице, то наблюдается обратное явление. Как известно УЗК дают возможность значительно повысить режимы резания, а в этих условиях коэффициент трения, полученный при обычном резании, сравнительно велик и доходит до f = 0,8-0,9. Очевидно, в этом случае оптимальный угол наклона УЗК будет приближаться к его максимальному значению при данных f, Ф , N, т.е. к направлению перпендикулярному к углу схода стружки. Итак, рассмотрено изменение эффективного направления от приведенных параметров для сил, действующих в одной плоскости.

Итак, величина оптимального угла наклона УЗК режущего клина зависит от коэффициента трения, отношения нормальных сил на передней и задней гранях клина, полученных при резании без УЗК, и от переднего угла резания.

Для проверки теоретических расчетов были проведены экспериментальные работы, заключающиеся в следующем. В колебательной системе закреплялись концентраторы - инструменты на специальном кронштейне .разработанном автором с разным расположением инструмента - резца вдоль и перпендикулярно ультразвуковой волне. Это дало возможность получать в зоне резания различные по направлению УЗК. По величине амплитуда смещения регулировалась выходной мощностью ультразвукового генератора. Геометрия режущей части инструмента - резца была одинаковой.

 

Как известно, общая равнодействующая сила при резании состоит из сил по передней и задней граням режущего элемента. Силы на задней грани для незатупленного инструмента по своим значениям сравнительно невелики и не зависят от сил на передней грани. Так, силы нормальных реакций на изменение времени контакта резца с материалом от угла наклона ультразвуковых колебаний.

На рисунке 2 представлены графики зависимостей составляющих сил резания Рк Рn от толщины стружки и направления наложении колебаний при резании с УЗК ультразвука. Как видно из графиков, наибольший эффект снижения сил резания происходит при наложении УЗК на лезвие вдоль режущей кромки. Это подтверждается проведенными теоретическими исследованиями.

Рисунок 2 - Влияние направления ультразвуковых колебаний на составляющие Рк и Рп силы резания при изменении толщины стружки - h: 1 - резание без УЗК; 2 - направление колебаний перпендикулярно лезвию; 3 - направление колебаний вдоль лезвия