Функционирование станка связано с проявлениями различных процессов, природа которых определяется взаимодействием инструмента и обрабатываемой заготовки, конструктивных элементов несущей системы и привода, действием факторов энергообеспечения и управления, влиянием окружающей среды [1, 7, 8].
Различают две группы процессов [3]:
К рабочим процессам относятся:
Рабочие процессы протекают в подвижных соединениях элементов системы станка.
Процесс резания представляет собой упруго-пластическое деформирование материала заготовки режущим инструментом [2]. По современным воззрениям при этом возникает сжатие и изгиб (внецентренное сжатие) срезаемого слоя материала и стружки [4]. Сила резания определяется [9] свойствами материала, сечением срезаемого слоя и другими условиями (скоростью резания, геометрией инструмента, используемой смазочно-охлаждающей жидкостью и др.) Влияние условий резания проявляется через изменение параметров напряженнодеформированного состояния зоны стружкообразования и через изменение свойств обрабатываемого материала. Последнее в основном связано с интенсивным тепловыделением в процессе пластического деформирования и соответственно с высокими температурами.
Возникает взаимосвязь изменения напряженного состояния в процессе деформирования, в свою очередь меняющегося при изменении напряженного состояния, а также происходящего при этом изменения свойств обрабатываемого материала, оказывающего обратное воздействие на характеристику деформирования [3].
Таким образом, процесс резания (стружкообразования), равно как любой процесс деформирования материального тела, представляет собой замкнутую динамическую систему [3]. Это означает, что он может быть устойчивым и неустойчивым. При устойчивом деформировании образуется так называемая сливная стружка. Неустойчивому соответствует формирование стружек надлома (хрупкое разрушение материала), элементной и суставчатой (вязкое полное или частичное разрушение стружки). Характерной особенностью деформирования при резании является образование нароста на режущем инструменте. Он возникает в зоне торможения деформирования и может быть устойчивым, т.е. сохраняться в процессе резания, или неустойчивым, периодически срывающимся. Нарост образуется [2| в области некоторых температур, границы изменения которых зависят от свойств обрабатываемого материала.
Нарост представляет собой часть заторможенного слоя материала, оставшуюся на инструменте, другая часть слоя уносится стружкой. Разделение частей происходит вследствие локального повышения пластичности материала под влиянием высокой температуры, локализующейся в середине (по толщине) заторможенного слоя, т.е. не на поверхности режущего инструмента, а внутри стружки [3].
При черновой обработке нарост может быть полезен, так как повышает стойкость инструмента, защищая режущее лезвие от изнашивания. При чистовой обработке он вреден, так как резко ухудшает качество обработанной поверхности. Устраняется нарост обычно повышением скорости резания (выход за пределы верхней температурной границы наростообразования) или устранением заторможенной зоны при увеличении переднего угла режущего инструмента.
Образование сливной стружки без нароста является одним из условий получения высокого качества обработанной поверхности. Однако такая стружка плохо удаляется из зоны резания, что создает значительные трудности при автоматизации процесса обработки. В этом случае используются различные методы дробления стружки.
Процесс трения между подвижными элементами несущей упругой системы станка оказывает большое влияние на точность и производительность обработки. Трение определяет устойчивость заданных движений рабочих органов станка, чувствительность установочных перемещений, энергетические потери, надежность работы различных механизмов станка и т.д.
Чрезвычайно широкий диапазон изменения условий движения (скорости и нагрузки имеют значения, отличающихся на несколько порядков) обуславливают наличие в станках фрикционных пар различного типа. Используются направляющие, подшипники, муфты, тормоза с трением скольжения смазанных и несмазанных поверхностей. При этом применяются смазочные вещества различных типов (жидкие, газовые, твердые), частично или полностью разделяющие трущиеся поверхности деталей станка. В последнем случае реализуется трение в слое жидкости или газа. Соответственно создаются системы подачи смазочного вещества в зону трения.
Широкое распространение в станках имеет процесс трения качения, который реализуется в направляющих и подшипниках качения.
Существует большое многообразие материалов трущихся деталей, в том числе и специально выбираемых с высокими антифрикционными и иными специфическими свойствами.
По своей природе процесс трения является разновидностью деформирования материалов [10], в том числе жидких и газообразных, со всеми присущими ему особенностями, о которых сказано выше применительно к резанию. Взаимодействие элементов деформационной системы |3] является замкнутым, содержащим обратные связи между напряженным и деформационным состояниями, тепловыми процессами и свойствами материалов. Потеря устойчивости процесса деформирования при трении проявляется в форме заедания, наростообразования на контактных поверхностях направляющих, опор, перемещаемых деталей и т.д.
Процесс трения сопровождается износом контактирующих деталей станка, потерей режущей способности инструмента. Износостойкость в значительной мере определяет долговечность и точность оборудования и инструмента [1, 8].
Гидро- и аэродинамические процессы протекают в подвижных соединениях (подшипники, направляющие скольжения, и т.п.) деталей станка, а также в гидравлических и пневматических приводах станков [1, 8]. Они определяют несущую способность слоев жидкостной и газовой смазки, жесткость соответствующих элементов конструкции, точность траекторий перемещения, энергетические потери и нагрев в зонах протекания процессов. Течение жидкости и газа в станочных устройствах, как правило, носит ламинарный характер. Случаи проявления турбулентности встречаются редко.
Электромагнитные процессы связаны с работой электропривода, электромагнитных муфт, тормозов и некоторых специальных устройств электроавтоматики.
Электроэрозионные и электрохимические процессы являются рабочими процессами специальной группы станков [6].
Плазменные процессы нашли применение в станках при обработке резанием труднообрабатываемых материалов.
Лазерное излучение используется в метрологических целях. При достаточной мощности источника излучения применяется в оборудовании, предназначенным главным образом для термической обработки материалов и для некоторых специфических видов обработки твердоструктурных материалов.
Динамические процессы в станках играют значительную роль в обеспечении качества и точности изделий, а также производительности обработки и надежности оборудования. Формообразующие движения инструмента и заготовки, траектории которых заданы кинематически, нарушаются вследствие деформаций упругой системы (станок, приспособление, инструмент, деталь). Деформации происходят под действием сил, порождаемых рабочими процессами (резания, трения и т.д.) и других сил (тяжести, инерции, сил возникающих вне станка) [1, 3, 5].
Существенное значение имеют тепловые деформации системы под влиянием тепла, выделяемого при работе станка, или вследствие изменения теплового состояния окружающей среды [1, 7, 8].
В зависимости от характера воздействия, в том числе его изменения во времени, деформации могут быть статическими или изменяющимися по тому или иному закону во времени. В станках возникают вынужденные колебания и автоколебания. Автоколебания определяются взаимодействием упругой системы и рабочих процессов. Соответственно различают функционные автоколебания, автоколебания при резании и т.п.
Деформации упругой системы при переходных процессах (врезание и выход инструмента, разгон и торможение перемещаемых органов станка и т.п.) могут иметь форму колебаний, затухающих во времени, или форму, характеризуемую монотонной зависимостью, например, экспоненциальной.
Колебания системы (кроме случаев, когда они являются особенностью рабочего процесса, например, ультразвуковых станков) снижают точность обработки и долговечность (например, стойкость инструмента). Поэтому в станкостроении большое внимание уделяется борьбе с колебаниями. Продолжительность переходных процессов во многих случаях влияет на производительность станков.
Москва, "Машиностроение", Редактор Б.И. Черпаков
Читайте также: Заводы производители металлорежущих станков в России
Полезные ссылки по теме
Справочник металлорежущих станков