Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В основе лезвийной механической обработки лежат процессы пластической деформации и разрушения обрабатываемого материала, протекающие с высокими и сверхвысокими скоростями. Механика процесса резания служит теоретической и методологической базой для оптимизации геометрии режущего инструмента, режимов резания и прогнозирования качества механической обработки. Все известные на сегодняшний день закономерности процесса резания металлов получены на основе силовых и кинематических соотношений механики стружкообразования, разрушения и контактного взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов.
С внедрением в машиностроение труднообрабатываемых и жаропрочных материалов, высокоскоростных и комбинированных методов механической обработки традиционные подходы к оптимизации процесса резания оказываются малоэффективными, что связано с особенностью высокоскоростной пластической деформацией и структурными превращениями, деформационным упрочнением и структурной приспосабливаемостью режущего инструмента.
В настоящее время структурные превращения при пластической деформации материала рассматриваются с новых позиций - физической мезомеханики, ставшей неотъемлемой частью физики твердого тела и теории разрушения. Физическая мезомеханика предполагает наличие множества разномасштабных носителей пластической деформации, базируется на термодинамике неравновесных процессов. В физической мезомеханике мезомасштабному уровню отводится особая роль, в котором протекают наиболее активные диссипативные процессы, обеспечивающие синергетический алгоритм развития структур.
Для описания синергетических процессов, происходящих на мезомасштабном уровне, разработан математический аппарат, позволяющий прогнозировать физико-механические свойства материала, подверженного пластической деформации. Приложение физической мезомеханики к резанию материалов позволяет глубже понять физику этого процесса и раскрывает новые пути для прогнозирования и модернизации механической обработки. Процесс резания металлов является объектом изучения физической мезомеханики и одновременно удобной моделью высокоскоростного деформационного процесса.
Достигнутые успехи в исследовании процесса резания требуют постоянного уточнения в связи с совершенствованием знаний в ряде смежных областей и наук. Так, для количественного описания структурных изменений обрабатываемого материала на микро и мезомасштабном уровне необходима разработка количественных показателей интерфейса структурного состояния срезаемого слоя и обработанной поверхности. В этом направлении выполнена данная работа.
Актуальность темы исследования определяется возможностью более глубокого подхода к изучению процесса резания с позиций неравновесной термодинамики и физической мезомеханики, к разработке новых методов анализа процесса, а также к прогнозированию и оценке качества механической обработки.
Цель диссертации. Исследование деформационных процессов обрабатываемого материала при резании на основе принципов физической мезомеханики для прогнозирования твердости и шероховатости обработанной поверхности и количественного описания структурных изменений при стружкообразовании.
Основные задачи диссертации
-
Разработать количественные характеристики микро и мезоструктур на основе термодинамики фазово-структурных превращений и теории резания материалов для оценки деформационных процессов при механической обработке.
-
Разработать методику определения с использованием компьютерной металлографии микро и мезоструктурных характеристик процесса стружкообразования и формирования обработанной поверхности.
-
Выявить комплекс зависимостей влияния режимов резания на микро и мезоструктурные характеристики деформации срезаемого слоя и обработанной поверхности.
-
Исследовать шероховатость обработанной поверхности как результат разномасштабного процесса деформации обрабатываемого материала и его разрушения.
-
Разработать практические рекомендации для прогнозирования микротвердости и оценки шероховатости обработанной поверхности.
Методы и средства исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием соответствующих разделов теории резания материалов, материаловедения, теории пластической деформации, принципов физической мезомеханики, процессов механической и физико-технической обработки, теории вероятности и математической статистики и математического моделирования.
Экспериментальные исследования проводились с использованием профилографа-профилометра модели 296, металлографического микроскопа Микро-200 и растрового электронного микроскопа S 3400-N (Shimadzu). Обработка результатов изображений микроструктур осуществлялась с помощью программ Image.Pro.Plus.5.1, MAT LAB, DynAnalyzer.
Научная новизна
1. Предложен количественный показатель интерфейса структурного состояния срезаемого слоя при стружкообразовании, представляющий бинарное множество {q, D} (плотность границ микроструктурных объектов и их фрактальную размерность), позволяющий описывать структуру материала после интенсивной пластической деформации, в котором не выявляется зёренная организация.
2. Установлено, что по мере прохождения срезаемого слоя зоны сдвига и превращения его в стружку меняются носители пластической деформации, и переход активности деформационного процесса с микромасштабного уровня на мезомасштабный. Этот переход отражается на бинарном множестве {q, D} и заключается резком снижении (почти на порядок) плотности и инверсии направления фрактальной размерности границ раздела.
3. Выявлено, что развитие текстуры деформации обработанной поверхности является результатом мезоструктурной фрагментации, а их упорядоченная организация представляет активные диссипативные структуры, которые можно количественно оценить с помощью параметра структурной организации QC и фрактальной размерностью границ раздела D фрагментированных элементов. С повышением упорядоченности мезоструктуры фрактальная размерность границ и параметр их структурной организации снижаются.
4. Дана количественная оценка влияния различных масштабных уровней процессов пластической деформации и разрушения обрабатываемого материала на шероховатость обработанной поверхности, и показана доминирующая роль кинематики и динамики процесса резания.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Получен комплекс эмпирических зависимостей между параметрами интерфейса структурного состояния, режимами резания и свойствами обрабатываемого материала, позволяющий прогнозировать структуру, твердость и шероховатость обработанной поверхности, а также оптимизировать режимы резания для обеспечения необходимого структурного состояния обработанной поверхности.
Результаты работы внедрены на ЗАО «Завод твёрдых сплавов», ООО НПП «Унитех» (г. Комсомольск-на-Амуре) и использованы в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет».
Публикации. Основные положения диссертации отражены в 9-ти печатных работах, 3 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Материалы диссертационной работы изложены на 150 страницах основного текста, включающих 47 рисунков и 4 таблицы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 129 наименований и приложения.
