Патенты

Наши патенты

Патент 2053047

Дата регистрации:  28.01.1982

Изобретение относится к механической обработке материалов и преимущественно может быть использовано при изучении ди­намики процесса резания на токарном стан­ке.

Известна однокоординатная установка для исследования динамики процесса реза­ния на металлорежущем станке, содержа­щая корпус и основание, связанное упруги­ми элементами, выполненными в виде стерж­ней с инерционной массой, в которой распо­ложен резец [1].

Однако известная установка позволяет измерять только тангенциальную состав­ляющую силу резания и ее невозможно ис­пользовать для проведения самостоятель­ных исследований динамического процесса резания по каждому из трех взаимно пер­пендикулярных направлений X, Y и Z в от­дельности. Выполнение одинаковых по па­раметрам упругой механической системы и различных по конструкции трех устройств трудоемко и дорого, а результаты иссле­дований на них всегда будут иметь погреш­ности, связанные с изготовлением.

Это устройство также не позволяет оп­ределить как параметры однокомпонентной упругой механической системы, в которой закреплен резец, влияют на динамику про­цесса даже только в заданном направлении, т.е. в известном устройстве невозможно из­менение жесткости, демпфирования, массы однокоординатной упругой механической системы.

В известном устройстве отсутствуют тех­нические решения по ликвидации крутиль­ных перемещений инерционной массы с рез­цом в основной плоскости. Появление кру­тильных перемещений нарушит плоско-па­раллельное движение инерционной массы с резцом и исказит картину влияния пере­мещения механической системы в интере­сующем направлении действия составляю­щей силы резания на зону стружкообразования. Это снизит ценность и точность не­обходимых исследований.

Целью изобретения является расшире­ние диапазона исследований динамическо­го процесса резания однокоординатной уп­руг, и механической системой.

Для достижения поставленной цели в однокоординатной установке для исследо­вания динамики процесса резания на метал­лорежущем станке, содержащей корпус и основание, связанное упругими элементами, выполненными в виде стержней с инер­ционной массой, в которой расположен ре­зец, в инерционной массе выполнены три резцедержателя с резцами, а основание вы­полнено в виде трех взаимно перпендику­лярных элементов, имеющих базовые плос­кости, предназначенные для жесткого сое­динения с корпусом, причем вершина каждого из резцов расположена на одинаковом расстоянии, равном высоте центров стан­ка, от одной из трех базовых плоскостей основания.

Установка также снабжена упругими регулируемыми демпферами и съемными пружинными элементами, взаимодействую­щими с инерционной массой и установлен­ными на торцах основания, противополож­ных каждой его базовой поверхности.

Это обеспечивает возможность исследова­ния динамики процесса резания однокоор­динатной упругой механической системой в трех взаимно перпендикулярных направ­лениях, позволяет по каждому из направ­лений в отдельности определить как зона стружкообразования влияет на перемещение однокоординатной механической системы и как перемещение режущей кромки в интере­сующем направлении действия составляю­щей силы резания изменяет зону стружкообразования. При этом на установке можно исследовать как изменение параметров од­нокоординатной механической системы вли­яет на изменение зоны стружкообразования и динамику процесса резания, т.е. по каж­дому из направлений возможно изменение

  жидкости, демпфирования и массы одно­координатной механической системы.

Расширение диапазона исследований ди­намического процесса резания в установке обеспечено также тем, что по трем взаимно перпендикулярным направлениям X, Y и Z применяют поочередно одну и ту же одностепенную упругую механическую систе­му. Для этого перед экспериментом, вращая в пространстве основание упругой системы, устанавливают и закрепляют его на стан-

  ке так, что инерционная масса с резцом имеет возможность поступательно переме­щаться только вдоль интересующей состав­ляющей динамической силы резания Рх[х(т), х(т)] или PvlY(t), Y(t)] или Prz(t), z(t)]. Это обеспечивает возможность сравнения и анализа результатов по трем взаимно перпендикулярным направ­лениям.

По каждому из направлений схема реза­ния установкой близка к расчетной схеме

  резания одностепенной упругой системой с сосредоточенной массой, что позволяет сравнивать результаты экспериментов с расчетами на ЭВМ.

В трех направлениях установка позво- ляет исследовать как влияют вибрации ре­жущего инструмента, например отрезного резца, на динамику однокоординатной ме­ханической системы, как изменение пара­метров однокоординатной механической системы резцедержателя влияет на вибрации режущего инструмента и т.д.

На установке целесообразно исследова­ние процесса стружкодробления при помощи поступательных перемещений режущей кромки по каждому из трех взаимно пер­пендикулярных направлений в отдельности.

Разборный корпус, жестко соединяемый с основанием, обеспечивает крепление уп­ругой механической системы установки на суппорте станка в трех взаимно перпенди­кулярных направлениях.

Основание, выполненное из двух плит, образующих двухгранный, прямой угол, обеспечивает любое поступательное пере­мещение инерционной массы с резцом вдоль одной оси и одновременно взаимно перпен­дикулярное расположение стержней, делает возможным легкое и жесткое базирование и крепление основания к разборному корпусу во всех своих позициях.

Выполнение трех наружных опорных ба­зовых плоскостей основания параллельно опорным базовым плоскостям трех резце­держателей позволяет наиболее точно и просто обеспечить расположение вершин резцов, закрепляемых в резцедержателях, относительно центров станка.

Повышение точности поступательного перемещения режущей кромки в установке обеспечено выполнением стержней, макси­мальных по длине и равных по величине, что одновременно допускает значительные перемещения режущей кромки при сохра­нении линейной зависимости между дейст­вующей силой и перемещением. Располо­жение стержней взаимно перпендикулярно на максимально разнесенном друг от друга расстоянии ликвидирует любые крутильные перемещения инерционной массы.

Длина стержней, разнесение их на мак­симальное расстояние ограничено необхо­димым расположением трех резцедержате­лей вблизи центра инерции колеблющейся массы при одновременном выполнении их расположения   по высоте   центров   станка.

На фиг. 1 показано положение установ­ки на суппорте токарного станка для иссле­дования динамических процессов при точе­нии вдоль оси Z; на фиг. 2 — то же, при точении вдоль оси Y; на фиг. 3 — то же, при точении вдоль оси X.

Установка содержит основание 1, выпол­ненное из двух плит, образующих двухгран­ный прямой угол, две наружные поверхнос­ти которых и одна торцовая сторона явля­ются тремя базовыми опорными наружны­ми взаимно перпендикулярными плоскостя­ми А, В и С. Основание 1 беззазорно свя­зано упругими элементами 2 в виде цилинд­рических стержней с инерционной массой 3, имеющей вид плиты, в центре инерции ко­торой имеются отверстия для закрепления на ее внешней стороне D дополнительных  масс, что позволяет изменять параметры упругой   механической   системы   установки.

С целью ограничения пяти степеней сво боды инерционной массы 3 стержни 2 рас положены на максимально возможном рас стоянии друг от друга, перпендикулярно опорным базовым плоскостям основания А и В. Стержни 2 выполнены одинаковыми. Для сохранения всех стержней 2 равными по длине пара стержней утоплена в стака­нах 4 основания 1 и инерционной массе 3. Одинаковость стержней 2, их максимально возможная длина, оптимальность попереч­ного сечения выполнены из условий повы­шения кинематической точности поступа­тельного перемещения инерционной мас­сы 3 в пределах 3 мм, компановки и распо­ложения инерционной массы 3 относитель­но высоты центров станка, обеспечение ли­нейной зависимости между силой и пере­мещением инерционной массы, устойчивос­ти однокоординатной упругой механической системы установки. В инерционной массе 3, вблизи ее центра инерции, имеются три резцедержателя 5, где при помощи болтов 6 закреплен режущий инструмент, например резцы 7. В резцедержателях 5 опорные, ба­зовые плоскости под инструмент Е, F, G взаимно перпендикулярны и параллельны соответствующим наружным опорным базо­вым поверхностям основания 1, а именно Е//А, F//B, G// С. Вершина каждого из рез­цов 7, закрепляемых в резцедержателях 5, расположена на одинаковом расстоянии Н, равном высоте центров станка, от одной из трех наружных опорных базовых взаимно перпендикулярных плоскостей основания 1.

Для связи основания 1 с суппортом стан­ка предназначен разборный корпус, состоя­щий из набора кронштейнов 8, 9 и 10 с уз­лами жесткого крепления. Кронштейны 8 и 9 (фиг. 1) являются корпусом установки при выполнении исследований по оси Z, кронш­тейн 9 (фиг. 2) — корпусом установки при выполнении исследований по оси Y, кронш­тейн 10 (фиг. 3) — корпусом установки при выполнении исследований по оси X. На тор­це основания 1, противоположном опорной базовой плоскости С, жестко укреплен кронштейн 11 с отверстиями, на котором закреплены регулируемый демпфер 12 и съемные пружинные элементы 13, взаимо­действующие с инерционной массой 3 и поз­воляющие изменять параметры упругой механической системы установки. Базовая поверхность J кронштейна 11 выполнена в одной плоскости с торцом инерционной мас­сы 3, что легко позволяет устанавливать в устройстве любые демпферы жесткости и другие устройства, например вибраторы для стружкодробления, не разбираемые при смене направлений исследования. Измерения параметров колебаний инерционной массы 3 с резцом 7 при динамическом резании вы­полнено в установке тензометрическим способом, для чего, например, под инерцион­ной массой 3, в ее центре инерции, распо­ложена упругая измерительная балочка 14 (фиг. 1).

Для исследования динамики процесса резания и взаимного влияния зоны стружкообразования на перемещение однокоординатной механической системы только в на­правлении, параллельном оси Z, следует установить основание 1 своей базовой плос­костью А на суппорт токарного станка и 1 закрепить его при помощи кронштейнов 8 и 9 (фиг. 1), призматический резец 7 или динамометр жестко закрепить с резцедержа­телем 5 так, чтобы опорная поверхность ин­струмента совпадала с опорной, базовой плоскостью Е резцедержателя 5. Резание производят обычным методом.

Динамический процесс резания в этом случае описывается следующим дифферен­циальным уравнением:

mz +z + cz = Pz[z(t),z(t)],   (1) где m,  и С — параметры упругой системы установки.

Для исследования динамики процесса резания и взаимного влияния зоны стружко-образования на перемещение однокоординатной механической системы только в на­правлении, параллельном оси Y, следует установить основания 1 своей базовой плос­костью В, на суппорт токарного станка и закрепить его при помощи кронштейна 9 (фиг. 2), призматический резец 7 или ди­намометр жестко закрепить в резцедержа­теле 5 так, чтобы опорная поверхность ин­струмента совпала с опорной, базовой плос­костью F резцердержателя 5. Резание произ­водят обычным методом.

Динамический процесс резания в этом случае описывается следующим дифферен­циальным уравнением:

mY + Y + cY = P4[Y(t), Y(t)L (2) где m,  и С — параметры упругой систе­мы установки.

При исследовании динамики процесса резания и взаимного влияния зоны стружкообразования на перемещение однокоординатной механической системы только в на­правлении оси X следует установить осно­вание 1 своей базовой плоскостью С на суппорт токарного станка и закрепить его при помощи кронштейна 10 (фиг. 3), призматический резец 7 или динамометр жестко закрепить в резцедержателе 5 так, чтобы опорная поверхность инструмента совпадала с опорной, базовой плоскостью G резцедер­жателя 5. Резание производят обычным ме­тодом.

Динамический процесс резания в этом случае описывается следующим дифферен­циальным уравнением:

где т, и С — параметры упругой системы установки.

Для выполнения исследований влияния прямолинейного перемещения режущей кромки в интересующем направлении дей­ствия составляющей силы резания Рх[х(т), x(t)] или PY[Y(t), Y(t)] или P2[z(t), z(t)] на зону стружкообразования целесооб­разно применять схему свободного резания. Для этого в резцедержателе 5 с минималь­ным вылетом устанавливают специальные резцы 7 с чувствительными элементами на режущей кромке. Визуально или при помо­щи скоростной кинокамеры по данным чувст­вительных элементов резцов 7 и показаний балочки 14 о колебаниях инерционной мас­сы 3 наблюдают процесс стружкообразова­ния при динамическом резании. При уста­новке малоинерционных динамометров в резцедержателях 5 измеряют показания ди­намометров, зависящие, например, от изме­нения толщины среза, при перемещениях инерционной массы 3.

— По каждому из трех взаимно перпендику­лярных направлений на установке можно исследовать как изменение параметров од-нокоординатной механической системы влия­ет на динамику процесса резания, т.е. по каждому из направлений возможно при по­мощи регулируемого демпфера 12, упругих элементов 13, навешивания масс изменять параметры однокоординатной механической

  системы.

Применение трехпозиционной однокоор­динатной установки, основные параметры которой m,  и С при последовательном исследовании по различным координатам ин­вариантны, позволяет повысить точность исследования влияния каждой из составляю­щих динамической силы резания в отдель­ности на механическую систему, так как независимо от положения (независимо от исследуемой координаты, по которой проводится исследование) левые части дифферен­циальных уравнений (1), (2) и (3) во всех случаях имеют один и тот же вид и не со­держат параметров движения механической системы по двум другим взаимно перпен­дикулярным направлениям.

Сущностью изобретения является уве­личение числа необходимых направлений исследования с одного до трех при помощи точной однокординатной механической сис­темы установки с задаваемыми параметрами.

Расширение диапазона необходимых ис­следований (с одного направления до трех взаимно перпендикулярных направлений) однокординатной     механической   системой позволяет существенно увеличить точность определения влияния зоны стружкообразова­ния на перемещение механической системы, производящей резание, и влияния перемещения и параметров механической системы на зону стружкообразования и на динамичес­кий процесс резания. Исследование этих взаимосвязей необходимо для правильного конструирования и назначения параметров механических систем станка и инструмента. В трех направлениях установка позволя­ет исследовать как влияют вибрации режу­щего инструмента, например отрезного рез­ца, на динамику однокоординатного резце­держателя, как изменение параметров од-нокоординатной механической системы рез­цедержателя влияет на вибрации режущего инструмента. На установке легко проводить исследования процесса стружкодробления при помощи поступательных направлений в отдельности, для чего на место регулируе­мого демпфера и съемных упругих элемен­тов устанавливается вибратор. Цель изобретения достигается тем, что по трем взаимно перпендикулярным направ­лениям X, Y и Z применяют поочередно од­ну и ту же одностепенную упругую меха­ническую систему. Для этого перед экспери­ментом, вращая в пространстве основание упругой системы, устанавливают и закреп­ляют его на станке так, что инерционная масса с резцом имеет возможность посту­пательно перемещаться только вдоль инте­ресующей составляющей динамической си­лы резания  или Ру[у(О, y(t)j или Р [z(t), z(t)]. Это обеспечивает возможность сравнения и анализа резуль­татов экспериментов по направлениям.

Применение трехпозиционной однокоординатной установки, основные параметры которой при последовательном исследова­нии по различным координатам инвариант­ны, позволяет повысить точность исследо­вания влияния каждой из составляющих динамической силы резания в отдельности на механическую систему, т.к. независимо    положения (независимо от исследуемой координаты, по которой проводится иссле­дование), жесткости, масса и демпфирую­щие свойства установки одни и те же, а до­пустимое перемещение инерционной массы установки не содержит параметров движения по оставшимся пяти степеням свободы. Расширение диапазона необходимых ис­следований точной однокоординатной меха­нической системой установки с задаваемы­ми параметрами с одного направления до

 трех позволяет более глубоко изучить физи­ческие явления, происходящие при дина­мическом резании, точно построить картину влияния перемещения и параметров однокоординатной механической системы, произ­водящей резание, на зону стружкообразования и на динамический процесс резания по каждому из трех взаимно перпендикуляр­ных направлений. Это необходимо для пра­вильного конструирования и назначения параметров механических систем станка и инструмента.


Каталог