ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕПЛАНАЦИИ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ МЕРНОГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ КРУЧЕНИИ АНАЛИТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Авторы:
1.
Дагестанский государственный технический университет
(профессор)
Махачкала, Республика Дагестан, Россия
Махачкала, Республика Дагестан, Россия
2.
Кубанский государственный университет
Тип:
Статья
Страницы:
с 14
по 21
Статус:
Опубликован
Получено:
20.05.2018
Одобрено:
25.05.2018
Опубликовано:
25.05.2018
Классификаторы:
УДК 624.074.5
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
мерный инструмент, мётчик, депланация, функция кручения, стержень сложного поперечного сечения
Аннотация (русский):
Для анализа колебательного движения при резании металлов необходимо составить математическую модель системы. Математическая модель динамической системы считается заданной, если известны параметры системы, однозначно определяющие её состояние, и указан закон изменения состояния во времени. Поэтому каждому исследованию колебательных движений должно предшествовать определение параметров колебательных контуров математической модели. Рабочая часть мерного инструмента представляет собой стержень сложного профиля, что значительно затрудняет проведение таких расчётов. В научной литературе отсутствуют приемлемые для инженерной практики формулы, поэтому данные по характеристикам мерного инструмента, в частности депланации, дают значительный разброс. Цель статьи - получить расчётные зависимости депланации поперечного сечения мерного инструмента. Для расчётов используются методы теории упругости. Разработана методика определения функции депланации при кручении мерного инструмента аналитическим методом. Полученные функции используются для нахождения переменной составляющей толщины среза мерным инструментом при резании в условиях вибраций. Методика апробирована на примере расчёта функции кручения в зависимости от геометрических характеристик поперечного сечения мётчиков. Полученные расчётные зависимости позволяют с оптимальной точностью задать параметры технологической системы при анализе динамики процесса обработки металлов мерными инструментами.
Для анализа колебательного движения при резании металлов необходимо составить математическую модель системы. Математическая модель динамической системы считается заданной, если известны параметры системы, однозначно определяющие её состояние, и указан закон изменения состояния во времени. Поэтому каждому исследованию колебательных движений должно предшествовать определение параметров колебательных контуров математической модели. Рабочая часть мерного инструмента представляет собой стержень сложного профиля, что значительно затрудняет проведение таких расчётов. В научной литературе отсутствуют приемлемые для инженерной практики формулы, поэтому данные по характеристикам мерного инструмента, в частности депланации, дают значительный разброс. Цель статьи - получить расчётные зависимости депланации поперечного сечения мерного инструмента. Для расчётов используются методы теории упругости. Разработана методика определения функции депланации при кручении мерного инструмента аналитическим методом. Полученные функции используются для нахождения переменной составляющей толщины среза мерным инструментом при резании в условиях вибраций. Методика апробирована на примере расчёта функции кручения в зависимости от геометрических характеристик поперечного сечения мётчиков. Полученные расчётные зависимости позволяют с оптимальной точностью задать параметры технологической системы при анализе динамики процесса обработки металлов мерными инструментами.
Ключевые слова:
мерный инструмент, мётчик, депланация, функция кручения, стержень сложного поперечного сечения
мерный инструмент, мётчик, депланация, функция кручения, стержень сложного поперечного сечения
Для обработки отверстий используются следующие мерные инструменты: свёрла, мётчики, развёртки, зенкеры. Если сравнивать указанные инструменты, то можно заметить, что они имеют много общих характерных черт. У всех инструментов много лезвий с большим количеством режущих кромок; рабочая часть инструмента имеет, как правило, две части - режущую и калибрующую; размеры инструмента ограничены размерами обрабатываемого отверстия; и, самое главное, рабочая часть инструмента представляет собой некруглый стержень, и на него распространяется известное положение Сен-Венана о кручении некруглых стержней [1, 2]. Согласно этому положению все точки поперечного сечения некруглого стержня при закручивании, кроме поворота вокруг оси кручения, получают ещё соответствующие перемещения вдоль оси, что вызывает искривление поперечного сечения или депланацию сечения. Величина депланации пропорциональна нагрузкам, действующим на инструмент в процессе работы. Изгиб поперечного сечения, например мётчика, ведёт к повороту и изгибу зубьев, угол подъёма винтовой нарезки в пределах зуба изменяется и не соответствует расчётному [3]. Зубья мётчика при повороте своими боковыми гранями будут срезать дополнительную стружку, увеличивая общую площадь среза [4]. Изменение площади среза приводит к изменению сил резания. Этот факт необходимо учитывать при исследовании вибраций при резании [5, 6]. Методика решения Определение депланации поперечного сечения стержня произвольного сложного сечения является сложной задачей. Её решение может быть получено различными методами. Из численных методов наиболее популярным является метод конечных элементов, который предполагает дискретизацию всей площади поперечного сечения [7]. В методе граничных элементов дискретизация производится для контура поперечного сечения, а внутри области используется аналитическое решение. В данной работе для определения функции кручения используется аналитический метод, задающий формулы контура поперечного сечения. Мерный инструмент представляет собой упругий стержень, режущая часть которого в поперечном сечении имеет сложную конфигурацию. Изгиб поперечного сечения можно определить через коэффициент депланации δ. Как правило, задача о кручении стержней произвольного сечения сводится к поиску решения уравнения Лапласа (гармонической функции) ∇2ψ = 0, при условии, что функция ψ принимает на контуре значения (1) или к нахождению функции напряжения Прандтля F(x, y) из решения уравнения Пуассона ∇2F = -2 при нулевых значениях функции напряжения на контуре [8]. При этом между функциями ψ и F существует однозначное соответствие: Естественно предположить, что угол скручивания θ пропорционален расстоянию l рассматриваемого сечения до нижнего основания Θ = τкl, где τк - степень закручивания или крутка постоянная, которая изменяет угол взаимного поворота поперечных сечений, отстоящих друг от друга на единицу высоты (угол закручивания на единичной длине инструмента). Продольное перемещение а при скручивании можно определить по формуле, предложенной в [9] а = τкδ(х, у), где δ(х, у) - коэффициент депланации или функция Сен-Венана, которая характеризует перемещение точек поперечного сечения из его плоскости. Функция кручения удовлетворяет равенству и находится из дифференциальных соотношений Коши-Римана . Тогда для функции δ(х, у) с учётом формулы (1) получим выражение (2) где интегралы J1 и J2 берутся по контуру поперечного сечения. Из формулы (2) видно, что, задав форму контура поперечного сечения инструмента точными геометрическими формулами, можно определить значение функции Сен-Венана, не прибегая к приближенным графическим методам. На рис. 1 представлена расчётная схема к исследованию депланации поперечного сечения мерного инструмента на примере мётчика. Рис. 1. Поперечное сечение режущей части мётчика Наиболее нагруженные точки сечения инструмента при закручивании лежат на контуре. Это несколько упрощает задачу и позволяет отыскивать только контурные значения функции кручения. Тогда формулу (2) целесообразно переписать в виде суммы трёх интегралов (3) где L1, L2, L3- длины кривых DAB, ZNM, LEF соответственно. Эта формула вытекает из условия равенства нулю функции кручения на участках BZ, ML, ED, где выполняется равенство где d - наружный диаметр инструмента. Кривую L1 можно представить в виде суммы кривых L1= ++ + CD, где - длины соответствующих дуг; CD - длина соответствующего прямого отрезка кривой. Уравнение дуги окружности с центром в точке О1 задаётся формулой где - абсцисса и ордината дуги окружности с центром в точке О1; r1 - радиус. Величина абсциссы и ординаты центра определяются по выражениям (4) (5) где dc - диаметр сердцевины поперечного сечения инструмента. С учётом формул (4) и (5) для интегралов J1, J2, после интегрирования по формуле (2) получим по длине дуги где Расчёт интегралов ведётся в интервале (хн; хв) - нижнего и верхнего предела интегрирования по длине дуги. Аналогично путём геометрических расчётов определяются значения интегралов и для остальных дуг. Координаты пределов интегрирования находим из совместного решения уравнений: - с точки В: (6) - с точки А: ; (7) - с точки С: (8) - с точки D: (9) По аналогии находим координаты других точек E, F, G, L, M, N, K, Z. В выражениях (6)-(9) принято обозначение r = АО2. На прямолинейных участках значение функции Сен-Венана определяется по формуле Зная величины интегралов J1, J2, по длинам дуг L1, L2, L3 можно определить значение функции Сен-Венана по длине контура поперечного сечения мётчика по формуле (3). Результаты расчёта Результаты расчёта значений δ(х, у) на микро-ЭВМ приведены в таблице. Зависимость функции кручения от геометрических параметров поперечного сечения трёхпёрого мерного инструмента d, мм dc, мм δ (х, у), мм2/рад 6 3,2 1,6625 8 3,6 1,802 8 4 2,021 8 4,4 2,211 10 4,5 2,8489 10 5 3,212 10 5,5 3,529 10 6 3,7895 10 6,5 4,0033 12 5,4 4,1493 14 6,3 5,7984 16 7,2 7,2217 Графики зависимости функции кручения δ(х, у) от величин d и dс трёхпёрого мётчика приведены на рис. 2, 3. Рис. 2. Зависимость функции кручения от диаметра мётчика в диапазоне размеров М8-М16 Рис. 3. Зависимость функции кручения от диаметра сердцевины dc мётчика М10 Для проверки правильности выведенных формул был проведён эксперимент. Мётчик нагружался моментом Мкр с использованием образцово-механического динамометра с погрешностью ±0,5 %, и с помощью инструментального микроскопа фиксировалось продольное перемещение зубьев мётчика при кручении. Величина δ(х, у) определялась по формуле где С - коэффициент жёсткости. На рис. 4 представлен график зависимости депланации поперечного сечения мётчика от величины крутящего момента Мкр. Рис. 4. Зависимость депланации мётчика от момента кручения Мкр Расхождение теоретических и экспериментальных значений составляет 5-28 %. Хорошее согласование теоретических и экспериментальных результатов исследования позволяет широко использовать их в инженерных расчётах. Заключение Разработана методика определения депланации поперечного сечения мерного инструмента аналитическим методом. Методика достаточно проста и может быть использована в расчётах при исследовании динамики процесса резания и точности обработки. Также было выяснено, что зависимость депланации от геометрических параметров инструмента, в частности от наружного диаметра и диаметра сердцевины инструмента, имеет нелинейный характер. Депланация зависит от формы контура стружечных канавок, что указывает на возможность влияния на переменную составляющую силы резания и точность обработки за счёт изменения формы и геометрии последних. Депланация зависит от момента закручивания и имеет различный характер для разных типоразмеров мерного инструмента.
1. Мусхелишвили Н. И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М.: Наука, 1966. 192 с.
2. Варданян Г. С. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности. М.: Ассоц. строит. вузов, 1995. 572 с.
3. Гусейнов Р. В., Гусейнова М. Р. Обоснование базы данных для исследования динамических процессов при резании // Вестн. Дагестан. гос. техн. ун-та. Технические науки. 2014. № 4. Т. 35. С. 36-44.
4. Матвеев В. В. Нарезание точных резьб. М.: Машиностроение, 1978. 88 с.
5. Гусейнов Р. В. Вибрации при обработке отверстий резанием // Металлообработка. 2017. № 4 (100). С. 23-28.
6. Гусейнов Р. В., Гусейнова М. Р. Расчётная модель динамики нелинейных систем // Вестн. Дагестан. гос. техн. ун-та. Технические науки. 2015. № 1 (36). С. 24-30.
7. Бреббия К., Уокер С. Применение метода граничных элементов в технике. М.: Мир, 1982. 248 с.
8. Fung Y. C. Foundations of Solid Mechanics. New Jersey: Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1965. Pp. 162-170.
9. Гусейнов Р. В., Рустамова М. Р. Исследование процесса обработки отверстий на основе нелинейной динамики // Вестн. Дагестан. гос. техн. ун-та. Технические науки. 2012. № 26. С. 77-80.
