Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ способов повышения эффективности обработки металлов резанием, в том числе с опережающим пластическим деформированием (ОПД). Постановка цели и задач исследования 7
1.1. Анализ способов повышения эффективности обработки металлов резанием 7
1.2. Анализ способов обработки резанием с ОПД 30
1.3. Постановка цели и задач исследования 35
Глава 2. Методика проведения экспериментальных исследований 37
2.1. Описание экспериментальной установки 37
2.2. Выбор обрабатываемых материалов, режущего инструмента 38
2.3. Методика осуществления ОПД 42
2.4. Определение температурной напряженности процесса резания и теплофизических характеристик обрабатываемого материала 47
2.5. Получение и исследование корней стружек 53
2.6. Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований 57
Выводы по главе 2 59
Глава 3. Исследование физических процессов в зоне резания при точении с ОПД 60
3.1. Особенности контактного взаимодействия в зоне деформирования 61
3.2. Механизм стружкообразования при резании с ОПД 91
3.3. Влияние характера ОПД на выходные параметры процесса обработки 106
Выводы по главе 3 115
Глава 4: Повышение работоспособности режущего инструмента и производительности обработки при точении с ОПД 117
Выводы по главе 4 132
Глава 5: Повышение качества и производительности обработки при точении с ОПД 134
5.1. Улучшение параметров микрогеометрии поверхностного слоя деталей, обработанных точением с ОПД 134
5.2. Математическая модель формирования шероховатости обработанной поверхности при точении с ОПД и традиционном точении 152
5.3. Особенности напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя деталей, обработанных точением с ОПД 174
Выводы по главе 5 181
Глава 6: Практические рекомендации по обработке точением с ОПД 183
Выводы по работе 189
Список использованной литературы 191
- Анализ способов повышения эффективности обработки металлов резанием
- Особенности контактного взаимодействия в зоне деформирования
- Влияние характера ОПД на выходные параметры процесса обработки
- Особенности напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя деталей, обработанных точением с ОПД
Введение к работе
Актуальность работы.
В современных экономических условиях технологические процессы машиностроительного производства должно отличаться высоким уровнем эффективности. На сегодняшний день механическая обработка материалов остается доминирующим методом формообразования поверхностей. В частности, точение является главным способом изготовления деталей типа тел вращения.
Объектом настоящего исследования является точение труднообрабатываемых коррозионно-стойких хромистых и сложнолегированных сталей ферритно-го, мартенситно-ферритного и мартенситного классов, которые применяются для изготовления деталей, работающих в условиях ударных нагрузок, в среде газов, агрессивных сред, повышенных (до 800 С) и пониженных температур. Процесс точения данных материалов отличается значительной температурно-силовой напряженностью, осложненной высокочастотной цикличностью струж-кообразования, что обусловливает пониженную работоспособность инструмента, качество обработки и производительность операций. Повышение эффективности точения данных труднообрабатываемых сталей предполагается за счет обеспечения повышения работоспособности режущего инструмента, производительности процесса и качества получаемых поверхностей.
Для решения задач, стоящих перед диссертационным исследованием, используется способ точения с опережающим пластическим деформированием (ОПД) по обрабатываемой поверхности [Патент РФ №2399460]. Комбинированные методы резания с ОПД характеризуются наличием резервов существенного повьппения эффективности механической обработки, при этом они не требуют специальных мер по обеспечению безопасности труда.
Исследование способа точения с ОПД по обрабатываемой поверхности является актуальной задачей, решение которой направлено на обеспечение возможности практического применения способа резания и расширения научной базы для совершенствования комбинированной обработки. На сегодняшний день имеется опыт изучения резания с ОПД, однако существует ряд аспектов, требующих либо углубленного исследования, либо не рассматривавшихся ранее. Необходимо определить характер физических явлений, протекающих в зоне резания при применении ОПД и установить резервы повышения эффективности обработки, выявить условия наибольшего повышения обрабатываемости сталей, разработать математическую модель, позволяющую прогнозировать прирост эффективности точения от применения ОПД и предложить практические рекомендации по точению с ОПД.
Цель работы.
Повышение работоспособности режущего инструмента, производительности обработки и качества обработанных поверхностей при точении труднообрабатываемых сталей ферритного, мартенситно-ферритного и мартенситного классов с использованием ОПД.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
Исследование физических основ повышения эффективности обработки точением при использовании ОПД;
Установление условий наиболее рационального ведения обработки точением с ОПД;
Определение условий резания, способствующих повышению работоспособности режущего инструмента при точении с ОПД;
Исследование направлений повышения производительности обработки при точении с ОПД;
Исследование особенностей процесса повышения качества обработанной поверхности при точении с ОПД;
Разработка математической модели формирования шероховатости обработанной поверхности при традиционном точении и точении с ОПД;
Разработка практических рекомендаций, направленных на реализацию повышения эффективности обработки точением при использовании ОПД.
Методы и средства исследования.
Теоретические исследования выполнялись с использованием современных положений теории резания материалов, обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД), технологии машиностроения, механики разрушения и физики твердого тела, статистического анализа и методик математического моделирования.
Экспериментальные исследования проводились на основе планирования экспериментов с применением спроектированной и изготовленной технологической оснастки для точения с ОПД по обрабатываемой поверхности и современных средств исследования процесса резания.
Научная новизна работы.
1. Установлены особенности физических процессов, протекающих в зоне реза
ния, способствующие повышению эффективности точения при применении ОПД.
Установлены закономерность изменения теплопроводности обрабатываемого материала, подвергнутого ОПД, и ее влияние на характер физических процессов в зоне резания.
Установлены закономерности изменения эффективности точения с ОПД обрабатываемой поверхности в зависимости от условий и режимов обработки.
Разработана математическая модель формирования шероховатости получаемой поверхности при традиционном точении и точении с ОПД по обрабатываемой поверхности.
Установлено повышение эксплуатационных характеристик выпускаемой продукции при точении с ОПД по сравнению с традиционным резанием, обусловленное уменьшением накопленной скрытой энергии деформирования, относительной деформации кристаллической решетки и напряжений II рода в поверхностном слое деталей.
Практическая ценность.
1. Спроектировано и изготовлено двухроликовое приспособление для точения с ОПД по обрабатываемой поверхности, позволяющее выполнять деформирование в широком диапазоне рабочих усилий.
Разработана математическая модель, описывающая закономерности формирования шероховатости при точении с ОПД по обрабатываемой поверхности и традиционном точении, позволяющая прогнозировать получаемую величину среднего арифметического отклонения профиля Ra, определять прирост эффективности процесса резания при использовании ОПД и вносить соответствующие коррективы в базовый технологический процесс, в том числе на этапе проектирования. На базе математической модели создана программа для ЭВМ для расчета величины параметра Ra поверхности, обработанной традиционным точением и точением с ОПД.
Разработаны практические рекомендации, позволяющие реализовать повышение эффективности точения при использовании ОПД.
Апробация работы.
Основные положения работы представлялись на XIII-XVI регион, конф. молодых исслед. Волгоградской обл. (ВолгГТУ, Волгоград, 2008-2011), ПМНТК «Теплофиз. и технол. аспекты управ, качеств, в машиностр.» (ТІ У, Тольятти, 2008), МНК «Производственные технологии» (Рим, Флоренция, Италия, 2008, 2010), 46-49-ой внутривуз. НК ВолгГТУ (Волгоград, 2009-2012), МНК «Молодая наука XXI века» (ДГМА, Краматорск, Украина, 2010), ВНТК «Методы повыш. технол. возмож метал-лобраб. оборуд. с ЧПУ» (УГАТУ, Уфа, 2010), МНТК «Автомобиле- и тракторостр-е в России: приоритеты разв-я и подготов. кадров» (МГТУ «МАМИ», Москва, 2010).
Публикации.
Основные материалы диссертации опубликованы в 21 печатной работе, в том числе, в одной монографии, девяти изданиях, рекомендованных ВАК, и трех зарубежных. Получены патент РФ на изобретение и свидетельство РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Реализация результатов работы.
Результаты исследования приняты к внедрению в ОАО «ПО «Баррикады» (г. Волгоград). Прогнозируемый годовой экономический эффект составляет 180000 рублей.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов по работе и списка использованной литературы. Работа содержит 209 страниц машинописного текста, 75 рисунков, 27 таблиц, список использованной литературы, включающий 169 наименований (из них 29 зарубежных).
Анализ способов повышения эффективности обработки металлов резанием
Исследователями, как отечественными, так и зарубежными, велись и ведутся работы по совершенствованию процесса резания металлов и сплавов, улучшению обрабатываемости и повышению качества обработанных деталей машин.
Вопросам интенсификации процесса резания и неразрывно связанными с ним проблемами исследования механизмов и закономерностей стружкооб-разования, контактного взаимодействия инструмента и обрабатываемого материала посвящены труды таких ученых, как В. Ф. Бобров, Г. И. Грановский, Н. Н. Зорев, Ю. Г. Кабалдин, В. С. Камалов, Т. Н. Лоладзе, А. Д. Макаров, В. Н. Подураев, А. Н. Резников, А. М. Розенберг, В. К. Старков, Н. В. Талантов и многие другие.
В работах Н. Н. Зорева [37] рассматривается взаимосвязь характеристик процесса резания и их влияние на процесс механической обработки. Труды А. Н. Резникова [103] посвящены исследованиям тепловых явлений, протекающих в процессе резания. Работы В. Ф. Боброва, А. Д. Макарова, Ю. Г. Кабалдина [12], [55], [130] посвящены рациональному выбору режимов обработки, материала и геометрии режущего инструмента и описанию закономерностей процесса резания. Вопросом повышения обрабатываемости сталей, в том числе, путем подогрева обрабатываемого материала, занимался Н.В. Талантов [126], [91]. Исследованиями процесса резания с использованием ультразвука и вибраций занимались Э. А. Сатель, В. С. Камалов, А. И. Марков [91] и другие. Повышение эффективности обработки материалов резанием реализуется в нескольких направлениях: увеличение эффективности технологических средств осуществления процесса резания (станочного оборудования, режущих инструментов, технологической оснастки); оптимизация и автоматизация процесса резания; интенсификация процессов механической обработки (высокопроизводительные процессы резания, процессы резания с особыми кинематическими и физическими схемами обработки, комбинированные методы обработки).
Одним из традиционных путей повышения эффективности обработки металлов резанием является совершенствование применяемого станочного оборудования. На сегодняшний день отечественными и зарубежными исследователями, сотрудниками инженерных подразделений станкостроительных предприятий накоплен значительный опыт в области создания высокоэффективного металлообрабатывающего оборудования. Продукция данной отрасли выпускается фирмами из России, Японии, Германии, Китая, Италии, Южной Кореи, США, Швейцарии и др. Современные станки обеспечивают повышение эффективности обработки за счет увеличения производительности процесса резания и улучшения качества получаемых поверхностей. Среди основных тенденций при создании металлорежущего оборудования можно выделить следующие [137], [58], [31]:
- повышение уровня автоматизации станков за счет применения современных устройств ЧПУ, систем оптического распознавания объектов и информационных систем, обеспечение возможности подключения оборудования к локальным (Ethernet) и внешним (Internet) сетям;
- использование прогрессивных конструкций станочных узлов, механизмов и устройств (направляющих, шпинделей, цифровых следящих приводов, в том числе, линейных, быстродействующих устройств автоматической смены инструмента и заготовок, инструментальных магазинов емкостью более 100 инструментов, мехатронных модулей, роботов и др.). Одной из суще ственных задач повышения производительности является увеличение скорости перемещений органов станка при обработке, которая решается, например, использованием направляющих качения. Совершенствование конструкций приводов позволяет вести высокоскоростное резание. Другой аспект -повышение точности, реализуется за счет снижения температурных деформаций рабочих частей оборудования в процессе резания. Для этого станки оснащают системами охлаждения шарико-винтовых пар, шпинделя. Кроме этого, для повышения жесткости конструкции станка применяют специальные материалы для станин: стали, чугуны, полимерный бетон, синтегран, обладающие высокими демпфирующими свойствами;
- многофункциональность и высокая концентрация различных технологических операций в одном обрабатывающем центре. Так, различают то-карно-фрезерные, токарно-фрезерно-зуборезные, фрезерно-токарные, фре-зерно-сверлильно-расточные, лазерные комплексы в сочетании с механической обработкой и др. Такое оборудование позволяет получить высокоточную готовую деталь за один установ;
- возможность осуществлять многоинструментальную обработку с одновременным управлением более чем по 10 осям, что позволяет не прекращать работу станка даже при смене инструмента.
Таким образом, совершенствование станочного оборудования позволяет получить комплексный эффект повышения эффективности процесса резания, заключающийся в повышении производительности и качества обработки.
Совершенствование конструкций применяемого инструмента, материалов режущей части и технологий его изготовления обеспечивает повышение эффективности обработки резанием по ряду направлений. Так, формирование условий, способствующих снижению интенсивности изнашивания инструмента, позволяет увеличить стойкость при сохранении постоянства режимов резания, т. е. снизить затраты на обработку или повысить режимы при сохранении стойкости, т. е. увеличить производительность. Кроме этого, улучшение условий работы инструмента способствует повышению качества получаемых поверхностей. Данное явление рассматривается в работах многих авторов и обусловлено рядом взаимосвязанных причин. Например, снижение размерного износа инструмента способствует увеличению продолжительности времени работы в условиях, обеспечивающих соответствие геометрических размеров получаемых поверхностей техническим условиям на изготовление. Таким образом, совершенствование конструкций применяемого инструмента, материалов и технологий его производства является способом повышения эффективности обработки резанием. Отечественными и зарубежными исследователями велись и ведутся научно-практические поиски в данной области. Среди различных направлений можно отметить:
- совершенствование конструктивно-геометрических параметров режущего инструмента [91], [9], [128], [166], [ПО], [108]. При этом условно можно выделить два основных направления таких исследований: повышение эффективности работы режущей (режущего клина) и крепежно-присоединительной (корпусной) частей.
К первой области изысканий следует отнести следующие: изменение формы, количества и геометрического положения режущих кромок и поверхностей, проектирование стружколомающих элементов и др. Например, широко известен резец конструкции В. А. Колесова [91], [9], позволяющий совмещать одновременное повышение производительности и качества обработки благодаря разделению снимаемого слоя металла между основной, переходной и зачистной режущими кромками. В работе [128] предложена конструкция сменной многогранной пластины (СМП), в которой вершина сформирована в виде двух ступеней, одна из которых выполняет функцию срезания припуска (особенности ее геометрии характерны для получистовой обработки - наличие упрочняющей фаски), а вторая (особенности геометрии, характерные для чистовой обработки - острая режущая кромка и большие значения переднего угла) - функцию формообразования обработанной поверхности; при этом каждая из них работает независимо от другой. Автор работы [128] отмечает, что СМП такой конструкции обладает повышенной виброустойчивостью, обеспечивает стабильное дробление стружки и повышает производительность обработки благодаря объединению получистовой и чистовой операций. Принцип разделения режущей кромки на участки, выполняющие разные функции съема основной величины припуска и формирования обработанной поверхности, активно используется фирмами-производителями режущего инструмента. Так по данным «Sandvik Coromant» [166] зачистные пластины (технология «Wiper») позволяют осуществлять обработку на высоких подачах с хорошим качеством обработки и с сохранением стружколомающей функции.
Ко второму направлению можно отнести разработки, направленные на; повышение точности и жесткости крепления СМП, повышение жесткости инструментальной державки, создание державок с функцией внутреннего подвода смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС), державок для мелкоразмерной обработки, многофункциональных державок, создание конструкций державок для модульных инструментальных систем и др. Например, в работе [ПО] описывается конструкция расточного резца, корпус которого имеет квадратное сечение по всей длине. Такой инструмент имеет жесткость в среднем в 4-5 раз большую, чем у обычного резца, и позволяет значительно повысить режимы обработки; совершенствование инструментальных материалов, химического состава и структуры износостойких покрытий [36], [124], [62], [63], [111], [166], [18] и др. Например, в работах [124], [125] сообщается, что применение трехэлементных покрытий в зависимости от их состава и условий резания позволяет повысить период стойкости режущего инструмента при обработке заготовок из стали ЗОХГСА в 1,25-2,27 раза по сравнению с использованием двухэлементных покрытий TiAlN, TiZrN и TiSiN и в 3,2-5,52 раза по сравне нию с использованием покрытия TiN, а при обработке заготовок из стали 12Х18Н10Т - в 1,25-2,24 раза и в 1,8-4,38 раза соответственно.
Особенности контактного взаимодействия в зоне деформирования
При внедрении режущего клина обрабатываемый материал находится в сложном напряженном состоянии. В зоне первичных (области опережающего упрочнения и разрушения металла вблизи режущей кромки (см. зоны 1, 2 рисунок 3.1)) и вторичных (области контакта с передней и задней поверхностями инструмента (см. зоны 3, 4 рисунок 3.1)) деформаций действуют напряжения разной величины, знака и непостоянного характера, обусловленного комплексной нестационарностью процесса резания. Частицы металла, двигаясь в зоне опережающего упрочнения навстречу режущей пластине последовательно накапливают деформацию, тем самым исчерпывая запас пластичности, что является необходимым условием возникновения разрушения на кромке инструмента, то есть реализации съема стружки. В результате описанного взаимодействия стружка (см. зона 5 рисунок 3.1) представляет собой сильно деформированный материал, а под образующейся поверхностью (см. зона 6 рисунок 3.1) формируется упрочненный слой с характеристиками, отличными от свойств металла в исходном состоянии [120].
Промышленно выпускаемые стали и сплавы являются поликристаллическими телами. Структура реального металла отлична от идеальной наличием дефектов строения: точечных (вакансии, дислоцированные и примесные атомы и др.), линейных (дислокации), поверхностных (границы между различными фазами и между блоками мозаики и др.) и объемных (например, скопления точеных дефектов типа пор). Упрочнение металлов и сплавов в результате пластической деформации, вызванное движением и размножением дефектов кристаллической решетки обусловлено главным образом дислокациями [119].
Исходное (до деформирования) состояние материала характеризуется определенной плотностью дислокаций и их хаотичным распределением. Приложение напряжения со стороны инструмента к поверхностям раздела в процессе резания вызывает активизацию размножения дислокаций из поверхностных источников (на инициирование поверхностного генератора требуется напряжение в два раза меньшее по сравнению с источником, расположенным в объеме твердого тела). Имевшиеся в металле дислокации, а также зародившиеся вновь, начинают продвижение в полосах скольжения вглубь материала. Такие полосы представляют собой область тела с повышенной плотностью несовершенств, перемещающихся по параллельным плоскостям. В них происходят процессы зарождения, смещения, торможения у препятствий (границы сильно разориентированных зерен, примесные атомы и др.) и наружной поверхности срезаемого слоя и выбросов дислокаций в соседние участки. Так происходит упрочнение металла в результате пластической деформации. Описанный процесс упрочнения характеризуется насыщением объемов твердого тела энергией дислокаций. Атомы, расположенные в зоне влияния последних, теряют устойчивость и система кристаллической решетки выводится из равновесного состояния. Как только в локальном объеме материала плотность внутренней энергии достигнет критического значения, произойдет процесс разрушения [128], [154], [67]. Данный механизм применительно к процессу стружкообразования реализуется дислокационно следующим образом.
Механика процесса резания обусловливает формирование максимальных контактных напряжений у кромки лезвия. Поэтому в этой области упрочнение обрабатываемого материала протекает наиболее интенсивно - растет плотность дислокаций в полосах скольжения и уширение последних. Несовершенства кристаллической решетки активно взаимодействуют, в результате чего появляется полостная дислокация (сверхдислокация), по сути представляющая собой субмикротрещину. Как только ширина трещины достигнет критического размера, она начнет распространяться перед режущей кромкой под действием приложенных напряжений, то есть будет реализован процесс съема срезаемого слоя. Материал в точке разрушения доведен до критического состояния, характеризуемого соответствующей плотностью внутренней энергии [120].
Металлы относятся к полухрупким телам. Это выражается в том, что если в обрабатываемом металле при данной температуре и скорости деформирования плотность дислокаций в очаге разрушения успевает за характеристическое время достигнуть некоторого критического значения, то материал разрушается вязко. Если этого не произойдет, то металл склонен к хрупкому разрушению (чугуны, пластмассы и др.).
В материалах, разрушающихся вязко, требуются дополнительные затраты энергии, расходуемой на деформирование поступающей на лезвие массы металла, для продвижения зародившейся трещины (она перемещается одновременно с режущей кромкой). Во время распространения последней вблизи нее также происходит интенсивная пластическая деформация. В про-цессе сопутствующей деформации по фронту развивающейся трещины зарождаются и перемещаются дислокации, происходит изгиб и разворот зерен, а также разориентировка элементов субструктуры в них. Работа, которую должен совершить клин на доведение попавших в зону опережающего упрочнения (см. зона 1 рисунок 3.1) конечных объемов материала до критического состояния (разрушения), определяет интегральную сумму напряжений, действующих в зоне первичных деформаций. Так в том числе, формируется величина реакции, приложенной к передней поверхности инструмента, или для токарной обработки - тангенциальная составляющая силы резания. Параллельно с этим величина напряжений, обусловленных необходимостью поддержания зарождения и продвижения дислокаций, определяет температурный уровень процесса (известно, что основная доля работы пластической деформации превращается в тепловую энергию).
Энергия формирования новой поверхности (энергия разрушения) в реальных условиях определяется эффективной поверхностной энергией уэф и фактической площадью образующейся поверхности с учетом ее шероховатости [119]:
Формирование новой поверхности при резании металлов в значительной степени связано с активацией поверхностных источников дислокаций типа источников Франка-Рида. Разрушение металла требует постоянного включения в работу большого числа новых источников дислокаций и, следовательно, затрат энергии.
Таким образом, величина работы, затрачиваемой на доведение обрабатываемого материала до критического энергетического (деформационного) состояния, т. е. до разрушения, определяет уровень температурно-силовой напряженности разделения металла в зоне первичных деформаций.
Нельзя оставить без внимания еще один аспект пластического деформирования металлов, описанный В. К. Старковым в работе [119], - дислокационная структура поверхностного слоя жаропрочных сплавов имеет общий характер для различных способов обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием (ППД). Это явление было обнаружено методом декорирования дислокаций и проявляется в упорядоченном движении множества дислокаций от поверхности в глубь металла по различным системам скольжения. Количество таких систем зависит от типа кристаллической решетки и степени легирования упрочняемого материала, величины действующего напряжения и других факторов. Иными словами, резание и ОПД, например, обкатыванием, на определенных этапах выполняют сходное воздействие на дислокационную структуру металла. Отсюда можно предположить, что первое в период начального контакта режущего инструмента с материалом заготовки может быть заменено каким-либо видом ППД.
В соответствии с изложенными положениями рассмотрим механизм положительного влияния ОПД на процессы, протекающие в зоне первичных деформаций. Следует отметить, что явления, протекающие в областях первичных и вторичных деформаций при резании, неразрывно связаны и взаимообусловлены. Характер разделения металла по линии среза отражается как на состоянии зон стружкообразования и КПД по передней и задней поверхностям инструмента, так и наоборот.
Согласно схеме, представленной на рисунке 3.2, ОПД создает в поверхностном слое обрабатываемой детали упрочненный слой определенной глубины и степени наклепа, характеризующийся большей плотностью несовершенств кристаллической решетки по сравнению с материалом в исходном состоянии. Отсюда следует, что частицы металла, поступающие в зону опережающего упрочнения, создаваемую режущим инструментом, обладают повышенной величиной деформации.
Влияние характера ОПД на выходные параметры процесса обработки
Исследование изучаемого способа точения в рамках данной диссертационной работы, а также анализ литературы, посвященной разрушению твердого тела, обработке резанием и ГШД, привели к предположению, что эффективность изменения параметров процесса точения при использовании ОПД по обрабатываемой поверхности должна зависеть от характера опережающего деформирования.
В работе [139] для способа точения с ОПД, отличного от исследуемого в настоящей диссертации, а именно для деформирования по поверхности резания, указывается на существование экстремальной зависимости сил и температур съема металла от величины предварительного нагружения. Отмечается, что каждому значению толщины резания соответствует определенное усилие ОПД, обеспечивающее наибольшее снижение температурно-силовой напряженности процесса.
Сообщение, представляющее интерес для развития представлений о немонотонности характера влияния ОПД на последующий процесс резания, было обнаружено в иностранной литературе [144]. Коллектив исследователей [144] опирается на общеизвестный факт: сульфидные включения в стали, такие, как сульфиды магния и железа, значительно увеличивают обрабатываемость. Положительное влияние проявляется в трех направлениях: указанные включения действуют как концентраторы напряжений в зоне трещино-образования при резании, оказывают смазывающее действие и выступают в качестве барьера для протекания диффузионных процессов между инструментом и материалом заготовки. Любое деформационное воздействие, предшествующее резанию, изменяет размер включений и расстояния между ними. На основании экспериментальных результатов авторы [144] пришли к следующим выводам; с увеличением степени предшествующей деформации увеличиваются перераспределение и группирование включений, расстояния между ними; обрабатываемость, выражающаяся в уменьшении усадки стружки, сил резания и шероховатости поверхности, сначала улучшается до максимального значения, соответствующего образцам с (18-28)% предварительной деформацией, а затем ухудшается.
В работе [14], посвященной механике разрушения твердого тела, отмечается, что за счет механического упрочнения деформирование воздействует на вязкость разрушения материала и, следовательно, можно ожидать, что оно влияет также и на процесс распространения трещины. Автор [14] ссылается на данные, согласно которым благотворное воздействие на процесс распространения трещин в листах из стали 2024 оказывают деформации от 1 до 3%, однако при больших деформациях механическое упрочнение становится слишком сильным и свойства материала вновь ухудшаются.
Таким образом, зависимость эффективности обработки резанием от характера ОПД должна отличаться определенной немонотонностью. Это находит подтверждение для точения с ОПД по обрабатываемой поверхности.
Принципиально зависимость температурно-силовой или температурно-деформационной напряженности процесса обработки, выражаемой силой и температурой резания, от характера ОПД представлена на схеме (рисунок 3.27). Некоторые экспериментальные данные вынесены на рисунки 3.11,3.12, 3.15, 3.16, 3.17, 3.30, 3.31, 3.32. Природа существования двух принципиально отличающихся видов воздействия ОПД обрабатываемой поверхности на процесс точения следующая. На первом участке (см. рисунки 3.27, 3.11, 3.12, 3.15, 3.16, 3.17, 3.30, 3.31, 3.32) с ростом коэффициента К0Пд происходит убывание температурно-силовой напряженности съема припуска до определенной точки-экстремума, соответствующей максимальному снижению силы и температуры резания. На данном этапе увеличение степени предварительной деформации, сообщаемой поверхностному слою заготовки, обусловливает сокращение работы, затрачиваемой инструментом на доведение объемов металла до критического состояния (разрушения) у кромки лезвия. Это способствует снижению интегральной суммы напряжений, действующих в зоне первичных деформаций и, соответственно, тангенциальной составляющей силы резания. Параллельно с этим происходит уменьшение уровня касательных и нормальных напряжений в зонах вторичных деформаций - стружкооб-разования и КПД, за счет улучшения параметров пластического течения срезаемого слоя. К этим изменениям относятся: увеличение угла сдвига /?, уменьшение размеров участков пластического С/ и полного контактов С и сопротивления деформированию во фронте стружкообразования и контактной области. Снижение сопротивления деформированию в зоне резания способствует уменьшению мощности источника тепловыделения. Подобная положительная тенденция развивается до определенных значений Копд, соответствующих наибольшему снижению температурно-силовой напряженности процесса резания. Коэффициент Кощ в областях наибольшего повышения эффективности обработки условимся называть кэФФ-ж (см. рисунки 3.27, 3.11, 3.12, 3.15, 3.16, 3.17, 3.30, 3.31, 3.32). Дальнейшее увеличение К0Пд приводит к качественному изменению процесса исследуемой обработки (переход к восходящей ветви кривой (см. рисунки 3.27, 3.11, 3.12, 3.15, 3.16, 3.17, 3.30, 3.31, 3.32)). Возрастание степени предварительного упрочнения приводит к уменьшению положительного влияния по сокращению работы пластического деформирования и, напротив, способствует увеличению сопротивления обрабатываемого тела внедрению режущего клина в зонах первичного и вторичного взаимодействия. Последнее обстоятельство обусловливает рост тепловыделения (повышение температуры резания) и сил резания за счет того, что увеличение сопротивления пластическому деформированию превалирует над соответствующим изменением температуры. Положение характеристической точки, или, если быть точнее, области к —— вдоль оси Кощ определяется особенностями процесса резания с ОПД обрабатываемой поверхности.
С учетом последовательности съема стружки с ОПД обрабатываемой поверхности глубина резания оказывает определяющее влияние на эффективность способа по повышению работоспособности режущего инструмента, производительности точения и качества обработанных поверхностей. Глубина внедрения лезвий при работе по упрочненному слою непосредственно связана с размерами этого слоя. Следует учитывать, что в зависимости от вида операции точения она может меняться в определенных диапазонах; традиционно [101], [118], [70] 0,2-0,5мм для чистовых и до 2мм для получистовых. При обработке предлагаемым способом на инструмент поступает предварительно деформированный материал. При этом в район активной части лезвия перемещаются объемы металла с определенными глубиной, степенью наклепа и распределением деформации по высоте слоя с наличием максимума упрочнения (см. рисунок 3.29). Реализация положительного эффекта обработки с ОПД (снижение работы разрушения по линии среза, улучшение условий стружкообразования и контактного взаимодействия и др.) подразумевает необходимость создания вдоль поверхности режущей кромки слоя с определенной дислокационной структурой. При этом деформация распределяется по глубине наклепанного слоя неравномерно с наличием максимума вблизи поверхности и состояния, соответствующего свойствам материала в исходном виде на конечной границе упрочнения. Данное обстоятельство обусловливает нелинейность закона изменения значений глубины наклепа ОПД, обеспечивающих максимальное снижение температурно-силовой напряженности процесса съема стружки от глубины резания (см. вид кривой на рисунке 3.28): с увеличением глубины резания необходимое значение ОПД уменьшается, уменьшается интенсивность увеличения усилия деформирования на стадии ОПД, что является благоприятным аспектом при осуществлении последнего методами ППД. Физическая природа такой зависимости состоит в одновременном существовании двух конкурирующих процессов. С одной стороны, увеличение глубины внедрения лезвий в обрабатываемое тело вызывает необходимость изменения глубины наклепа в том же направлении для обеспечения наличия продеформированного до определенной степени металла у активной части кромки. С другой стороны, одновременно с увеличением глубины наклепа растет степень упрочнения в районе приповерхностного максимума. Развитие последнего процесса способствует нарастанию сопротивления деформированию в зоне резания, сил и температур. Интенсивность второго процесса выше, поэтому кривая на рисунке 3.28 имеет вогнутый характер. Таким образом, слой, созданный ОПД и предназначенный для среза, должен обладать средним уровнем свойств по глубине, обеспечивающим максимальное повышение эффективности последую-щей обработки.
Особенности напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя деталей, обработанных точением с ОПД
Процесс пластического деформирования при обработке резанием реализуется благодаря зарождению, размножению, движению и взаимодействию дислокаций. Несовершенства строения ответственны за наличие упругих ис-кажений кристаллической решетки, которые формируют уровень скрытой энергии деформирования Uc поверхностного слоя обрабатываемого материа-ла. Исследованию напряженно-деформированного и энергетического состояний поверхностного слоя и связи этих характеристик с эксплуатационными свойствами продукции посвящен комплекс работ [122], [72], [127], [138], [19], [120], [119], [121], [55] и др. Так, согласно [120], [119], [121], энергия U накопленная металлом в результате упрочнения, может служить интегральной характеристикой напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя изготовленной детали. Чем ниже Uc, тем выше эксплуатационные свойства изделий сопротивление усталости и долговечность при знакопе-ременном нагружении в особенности при работе в условиях высоких температур. Минимум скрытой энергии деформирования обеспечивает повышение коррозионной стойкости и ответственен за снижение шероховатости полу-чаемой поверхности. Кроме того, релаксация упругих искажений (напряжений) кристаллической решетки металла, т. е. перераспределение дислокационной структуры в термодинамически более устойчивую конфигурацию, вызывает потери размерной стабильности деталей по прошествии периода времени с момента их изготовления. Таким образом, скрытая энергия деформирования Uc, накопленная в поверхностном слое, оказывает существенное влияние на эксплуатационные характеристики изделий, а разработка мер по улучшению напряженно-деформированного состояния материала является значимым способом повышения эффективности механической обработки.
Анализ, выполненный на основе представленных в работе [120] закономерностей влияния режимов и условий резания на формирование упрочненного и напряженного состояний поверхностного слоя, установил, что возрастание силовой нагруженности и увеличение неустойчивости процесса пластического деформирования ответственно за дестабилизацию эксплуатационных характеристик выпускаемых деталей.
Микроискажения — кристаллов материала, вызванные пластической деформацией, обусловливают наличие напряжений II рода ап (см. формулу 5-29), уравновешивающихся в объемах отдельных зерен металла или их частей (субзерен, блоков мозаики) [116], [107], [16]. Под действием этих напряжений происходит неоднородная упругая деформация зерен и вследствие этого изменение межплоскостных расстояний, также неоднородное. Межплоскостные расстояния для плоскостей с индекеами интерференции (HKL) вместо строго определенной величины принимают значения в интервале от d-Ad до d+Ad (где Ad - максимальное отклонение величины межплоскостного расстояния от его среднего значения d) (см. рисунок 5.21). Относительная деформация (микродеформация) Adld характеризует величину микронапряжений. Зная Adld, можно вычислить значение напряжений II рода ап [116], [107], [16]:
В данной диссертационной работе для установления уровня искажен ности кристаллической решетки величин напряжений II рода ап и скры той энергии Uc, накопленной в поверхностном слое деталей, полученных после традиционного точения и точения с ОПД, выполнялись рентгенографические исследования. Проводился качественный фазовый рентгеноструктурный анализ на дифрактометре «ДРОН-3» в излучении железного анода (материал фильтра - Мп). Запись производилась в автоматическом режиме со скоростью движения счетчика Іградімин, с отметкой углов через Іград. Диапазон записываемых углов 20 : 15-105град. Дифрагированное излучение регистрировалось с помощью сцинтилляционного счетчика БДС-8 [60].
Фазовый состав образцов идентичен - а-Fe.
Для расчета характеристик тонкой структуры: физического уширения рентгеновских линий (являющегося интегральной характеристикой структурных искажений кристаллической решетки), размера кристаллитов (области когерентного рассеяния рентгеновских лучей - ОКР) и упругой деформации кристаллической решетки была проведена запись на дифрактометре двух рентгеновских отражений (П0) и (220). Скорость движения счетчика Наград/мин, отметка углов через 0,1град. В качестве эталонных (стандартных) использовались образцы металла после отжига. Расчет проводился по методу аппроксимации [49], [107], [16].
Режимы и условия точения следующие: обрабатываемый материал -сталь 20X13 (Е=218ГПа; ju=0,27); инструментальный материал - твердый сплав ВК6; скорость резания V=90M/MUH; подача s =0,25бмм/об; глубина резания t=lMM. при точении с ОПД К0Пд=2.
Порядок расчетов и результаты проведенных рентгенографических исследований представлены в таблицах 5.14-5.18. Следует отметить, что при резании металлов существуют предпосылки формирования неоднородной структуры упрочнения в поверхностном слое [119], [55]. Согласно [119] такая нестабильность обусловлена двумя факторами: технологическими особенностями процесса резания (изнашивание инструмента, неравномерность удаляемого припуска и др.) и структурной неоднородностью обрабатываемого материала (флуктуации в распределении препятствий движению дислокаций). Согласно представленным положениям природа повышения качества обработки точением при использовании ОПД следующая. Во-первых, при точении с ОПД установлено снижение изнашиваемости лезвий, абсолютных значений сил резания, амплитуды и частоты их колебаний в условиях циклического стружкообразования. Данные аспекты определяют повышение стабильности нагрузок, действующих со стороны резца на дислокации и их источники. Во-вторых, как отмечается в работе [119], минимального рассеяния характеристик упрочнения и, следовательно, повышенного качества обработки резанием можно достигнуть, улучшая структурную наследственность или структурную неоднородность обрабатываемого материала. При этом методы ППД обеспечивают более устойчивое деформационное состояние, чем процессы резания. При использовании ОПД металл поступает на резец после стадии предварительного деформирования, реализуемой ППД, с выстроенной структурой, что предопределяет более стабильное распределение дислокаций в поверхностном слое детали после точения исследуемым способом.
Условия резания, повышающие скрытую энергию деформирования Uc, одновременно способствуют ухудшению геометрических характеристик микрорельефа получаемой поверхности [120]. Данное положение согласуется с результатами исследований, представленных в настоящей диссертационной работе. При точении с ОПД обрабатываемой поверхности установлено снижение уровня скрытой энергии Uc и улучшение параметров шероховатости Ra, Rmax, Rz, Sm деталей по сравнению с традиционным резанием.
Таким образом, использование ОПД при точении обеспечивает улучшение напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя за счет сокращения величин накопленной скрытой энергии деформирования Uc, напряжений II рода ап и тем самым обусловливает повышение эксплуатационных характеристик выпускаемых деталей по сравнению с традиционным резанием. Снижение относительной деформации —, напряжений II рода и величины накопленной энергии структурой поверхностного слоя обнаружено рентгенографическими исследованиями. Характеристики —,аци Uc имеют средст близкие значения для точения с ОПД и обработки ППД, являющейся вом увеличения работоспособности деталей. Использование ОПД при точении обусловливает формирование более устойчивой структуры упрочнения в поверхностном слое изделия. Во-первых, при точении с ОПД установлено снижение изнашиваемости лезвий, абсолютных значений сил резания, амплитуды и частоты их колебаний в условиях циклического стружкообразова-ния. Данные аспекты определяют повышение стабильности нагрузок, действующих со стороны резца на дислокации и их источники. Во-вторых, при использовании ОПД металл поступает на резец после стадии предварительного деформирования, реализуемой ППД, с выстроенной структурой, что предопределяет более стабильное распределение дислокаций в поверхностном слое детали после точения исследуемым способом. При точении с ОПД снижение уровня скрытой энергии Uc сочетается с улучшением параметров шероховатости Ra, Rmax, Rz, Sm обработанной поверхности по сравнению с традиционным резанием.
