Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования 15
1.1. Влияние параметров состояния материала и качества поверхностного слоя деталей на их эксплуатационные свойства 15
1.2. Методы расчета параметров состояния поверхностного слоя деталей в зависимости от процессов механической обработки 24
1.3. Влияние технологической наследственности на формирование параметров состояния поверхностного слоя деталей 39
1.4. Анализ исследований по изучению закономерностей разрушения материалов 41
1.5. Особенности разрушения металлов в процессе механической обработки 43
1.6. Анализ результатов обзора. Цели и задачи исследования 46
Глава 2. Построение математической модели устанавливающей взаимнуюсвязь качества обработанной поверхности детали со структурно-энергетическими параметрами материала 50
2.1. Основные положения комплексного подхода к прогнозированию закономерностей пластической деформации материалов в процессе механической обработки 50
2.2. Установление взаимной связи между твердостью материала и приложенным напряжением в процессе механической обработки на уровне твердого тела 53
2.3. Определение остаточных технологических напряжений на основе истинного предела текучести металлов и коэффициента перенапряжения межатомных связей 69
2.4. Основные положения термодинамической теории прочности и разрушения твердых тел
2.4.1. Установление взаимной связи накопленной упругой энергии с твердостью материала в процессе пластической деформации 80
2.4.2. Упрочнение и разрушение материалов в процессе механической обработки при сдвиговом механизме пластической деформации 83
2.4.3. Накопление и диссипация упругой энергии в ядре дислокации при движении по плоскости скольжения 87
2.4.4. Повышение начального уровня упругой энергии сталей легированием 102
2.5. Кинетика упрочнения и разрушения материалов в процессе механической обработки при вязком механизме пластической деформации 107
2.5.1. Основные положения кинетической теории прочности и понятие о энергии активации 107
2.5.2. Кинетические уравнения деформационного упрочнения и динамического возврата пластической деформации 114
2.5.3. Зависимость энергии активации от структурного состояния обрабатываемого материала, напряжения и температуры 117
2.6. Термокинетика процесса возврата и рекристаллизации при механической обработке 123
2.6.1. Современные представления о термокинетике возврата и рекристаллизации 123
2.6.2. Скорость выделения накопленной упругой энергии дефор-ма-ции 129
2.6.3. Энергия активации процесса возврата и рекристаллизации 136
2.6.4. Определение температуры начала и конца процесса рекристаллизации 140
2.7. Прогнозирование формирования шероховатости обработанной поверхности на основе термодинамического критерия разрушения 145
Выводы 151
Глава 3. Построение математической модели устанавливающей взаимную связь структурно-энергетических параметров поверхностного слоя детали с технологическими условиями обработки 153
3.1. Термодинамические аспекты процессов механической обработки 154
3.1.1. Процесса точения 154
3.1.2. Процесса шлифования 157
3.1.3. Процесса поверхностной пластической деформации (ППД) 164
3.2. Напряженное состояние материала в процессе механической обработки 166
3.3. Прогнозирование глубины оптимального упрочнения материала в процессе механической обработки 187
3.4. Расчет температурных полей и скорости охлаждения материала в процессе резания 193
3.5. Закономерности формирования остаточных технологических напряжений и шероховатости поверхности детали в зависимости от технологических условий обработки 196
3.6. Разработка экспериментально-аналитической модели прогнозирования максимального износа лезвийного инструмента по заданным параметрам качества поверхностного слоя детали 207
3.6.1. Прогнозирование допустимого износа инструмента по заданной шероховатости обработанной поверхности 208
3.6.2. Прогнозирование допустимого износа инструмента по заданной точности обработки 210
3.6.3. Определение интенсивности износа и стойкости инструмента в процессе резания 211
Выводы 214
Глава 4. Экспериментальная проверка математических моделей формирования качества и структурно-энергетических параметров поверхностного слоя детали в процессе механической обработки 217
4.1. Методика проведения экспериментов 217
4.2. Результаты исследований и их обсуждение 220
Выводы 240
Глава 5. Разработка математических моделей прогнозирования параметров состояния поверхностного слоя детали с целью обеспечения заданного срока ее эксплуатации 242
5.1. Прогнозирование параметров состояния для обеспечения заданной относительной абразивной износостойкости материала...242
5.2. Прогнозирование параметров состояния для обеспечения заданной усталостной прочности материала 250
Выводы 268
Глава 6. Разработка комплексной методики обеспечения качества поверхностного слоя деталей на основе прогнозирования рациональных структурно-энергетических параметров материала и технологических условий механической обработки 269
6.1. Основные положения методики и последовательность их выполнения 269
6.2. Математическая модель оптимизации режимов механической обработки детали на основе детерминированного подхода 275
6.3. Пути реализации основных положений разработанной методики 282
6.4. Внедрение 284
Основные выводы 288
Библиографический список использованной литературы 291
Приложения. Акты внедрения 313
- Методы расчета параметров состояния поверхностного слоя деталей в зависимости от процессов механической обработки
- Упрочнение и разрушение материалов в процессе механической обработки при сдвиговом механизме пластической деформации
- Прогнозирование глубины оптимального упрочнения материала в процессе механической обработки
- Прогнозирование параметров состояния для обеспечения заданной усталостной прочности материала
Введение к работе
Важнейшей задачей машиностроения в условиях рыночной экономики является производство продукции высокого качества и долговечности при минимальной ее себестоимости [1].
Эксплуатационные свойства (износостойкость, усталостная прочность, коррозионная стойкость, контактная прочность и др.), характеризующие долговечность и надежность работы различных машин, в значительной степени зависят от исходного состояния материала и параметров качества поверхностного слоя деталей (твердости HV0, шероховатости Rz, остаточных напряжений первого рода о0Ст), которые задаются при проектировании и формируются различными технологическими методами обработки [2,3,4,5].
При конструкторско-технологической подготовке производства назначение и технологическое обеспечение системы параметров качества, обеспечивающих заданный срок эксплуатации детали, ввиду сложности проблемы, осуществлялось в основном эмпирическим или полуэмпирическим путем с использованием различных методик статистической обработки экспериментальных данных.
Обычно, проведение экспериментальных исследований требует больших трудозатрат, связанных с расходом материала, инструмента, электроэнергии, что не позволяет оперативно и гибко реагировать на изменение требований рынка. При этом необходимо учитывать, что полученные зависимости пригодны только для определенных технологических условий обработки металлов, а также заданных условий эксплуатации изделия.
В последние годы отечественными учеными С.С. Силиным, Э.В. Рыжовым, А.Г. Сусловым, Д.Г, Евсеевым, В.К. Старковым, В.Ф. Безъязычным, Д.Д, Лаптевым были сделаны попытки рассмотрения технологии механической обработки металлов и ее влияние на формирование параметров качества поверхностного слоя деталей с позиций механики деформирования твердых тел, теплофизики, теории дислокаций и теории подобия, которые позволили получить определенные положительные результаты. Однако предложенные методы не могут претендовать на полное решение данного вопроса, так как не учитывают весь комплекс факторов (накопление упругой энергии и выделение большей ее части в виде тепла от совместного действия напряжения и температуры, время нахождения обработанной поверхности в зоне интенсивного протекания процесса рекристаллизации, максимальную степень упрочнения, образование субмикротре-щин, упругую разгрузку на атомном уровне и др.) влияющих на механизм формирования параметров качества обрабатываемой детали при резании и ППД. Более глубокое изучение механизма формирования структуры и качества поверхностного слоя деталей в процессе механической обработки возможно лишь на основе использования структурно-энергетических (термодинамических) параметров (плотности дислокаций pj, коэффициента перенапряжения межатомных связей ка, истинного предела текучести си.т, внутренней энергии Uj, упругой энергии накопленных дефектов Ue,-, тепловой составляющей внутренней энергии UTj) и установления закономерностей их изменения в зависимости от технологических условий обработки. Использование структурно-энергетических параметров позволяет учитывать всю сложность явлений протекающих в зоне контакта инструмента с деталью, обосновать и реализовать пути управления этими параметрами состояния поверхностного слоя изделия при резании и ППД.
Проблема качества признается сегодня ключевой во всем мире, что вызывает необходимость создания современных систем управления качеством или, как сейчас принято называть, систем менеджмента качества.
В связи с вышеизложенным, установление взаимосвязи качества поверхностного слоя детали со структурно-энергетическими параметрами материала, а также разработка метода управления формированием данными параметрами в процессе механической обработки, является в настоящее время важной научной проблемой.
Целью данной работы является обеспечение качества поверхностного слоя деталей на основе прогнозирования рациональных структурно-энергетических параметров материала и технологических условий процесса механической обработки. Следует отметить, что для достижения поставленной цели и решения существующей научной проблемы необходимо разработать комплекс математических моделей, описывающих физическую сущность взаимосвязи качества обработанной поверхности детали с рациональными структурно-энергетическими параметрами материала и технологическими условиями процесса механической обработки. При этом, ввиду сложности проблемы, необходимо использовать комплексный подход, который объединяет научные направления в различных областях знаний: физики металлов, механики деформирования, материаловедения, термодинамики, термокинетики, теплофизики, а также учитывать иерархию структурных уровней пластической деформации, предложенной акад. В.Е. Паниным: вакансии (атомы), дислокации, субблоки, зерна и твердое тело (деталь).
Методы и средства исследований. Теоретические и экспериментальные исследования выполнены на основе современных положений технологии машиностроения, теории резания, механики пластической деформации, физики твердого тела, теплофизики технологических процессов, термодинамики, термокинетики и математической статистики. Широко применялась вычислительная техника, а также стандартное и специальное оборудование, измерительные устройства и приборы.
Научная новизна. На основе комплексных теоретических и экспериментальных исследований, а также внедрения результатов в производство решена актуальная научная проблема, связанная с созданием теоретических основ установления взаимной связи качества поверхностного слоя детали со структурно-энергетическими параметрами материала и разработки метода управления формированием этих параметров в процессе механической обработки.
Наиболее существенными научными результатами являются следующие:
1. Обоснована методология обеспечения качества поверхностного слоя деталей на основе использования комплексного подхода для описания механизмов пластической деформации металлов в процессе механической обработки. 2. Разработан комплекс математических моделей, описывающих физическую сущность взаимной связи качества поверхностного слоя детали со структурно-энергетическими параметрами материала и технологическими условиями механической обработки. Это позволило разработать научные основы механизма формирования и управления параметрами качества изделия в процессе резания и ППД.
3. Построены математические модели для прогнозирования параметров состояния поверхностного слоя деталей с целью обеспечения заданной относительной абразивной износостойкости и усталостной прочности материала.
4.Установлено, что при температуре резания Tj (0,7 - 0,8) Ts преобладающим является сдвиговой механизм пластической деформации, в основу которого в работе положена дислокационно-термодинамическая схема, базирующаяся на физически обоснованном и экспериментально доказанном понятии: энергетически пульсирующих линейных дефектах (дислокациях). При температуре Tj (0,7 - 0,8)TS (резание с подогревом, шлифование) преобладающим является вязкий (атомно-вакансионный) механизм, для описания которого предложены кинетические уравнения. Использование дислокационно-термодинамической схемы и кинетических уравнений позволило аналитически определять величину накопленной упругой энергии, а следовательно, и упрочнение (твердость) любого микрообъема деформируемого материала в зоне резания с учетом силового и температурного факторов.
5. Установлено, что пластическая деформация материала начинается при напряжении, равному величине истинного предела текучести си.т, а его максимальная (критическая) твердость HV достигается при значении напряжения овт, которое назовем максимальным пределом прочности. Получены зависимости для расчета напряжения аит по коэффициенту перенапряжения межатомных связей кст и авт на основе положений теории дислокаций. Знание значений аи.т. и авга повышает точность прогнозирования глубины и степени упрочнения поверхностного слоя детали в процессе резания и ППД. 6. Теоретически обосновано и экспериментально доказано,что для расчета остаточных технологических напряжений первого рода а0Ст. необходимо использовать величину истинного предела текучести аит., а не физического ат что значительно повышает точность расчета значений аост и не требует использования уточняющих коэффициентов и функций.
7. На основе термодинамического критерия разрушения - критической плотности внутренней энергии U , равной энтальпии плавления материала Hs и предложенного в работе понятия: энергетически пульсирующих линейных дефектов (дислокаций), получены уравнения для расчета температур началаТн.р. и конца Тк.р. процесса рекристаллизации при резании и шлифовании. Использование которых позволяет значительно повысить производительность и качество обработанной поверхности.
8.Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что основная (первичная) и вспомогательная (вторичная) шероховатости обработанной поверхности формируются в микрообъеме заготовки перед режущей кромкой инструмента и в зоне контакта его задней поверхности с деталью, где внутренняя энергия достигает критической величины U , равной энтальпии плавления материала Hs. Предложенный подход позволяет с единых термодинамических позиций учитывать предварительное упрочнение и температуру нагрева материала, что значительно повышает возможность управлять процессом формирования шероховатости поверхности детали при резании и ППД.
9. Установленная экспериментально связь износостойкости инструментов с режимами резания, геометрией и типом СОТС позволила предложить экспериментально-аналитическую модель прогнозирования допустимого износа резцов по задней поверхности в зависимости от заданной шероховатости и точности обработки конкретной детали.
10. Разработана математическая модель оптимизации режимов механической обработки заготовки, учитывающая взаимную связь качества поверхностного слоя детали со структурно-энергетическими параметрами материала и технологическими условиями процесса резания, шлифования и ППД. Практическая ценность и реализация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили предложить методику, обеспечивающую качество поверхностного слоя деталей на основе прогнозирования рациональных структурно-энергетических параметров материала и технологических условий механической обработки. Разработанные методики использованы в производстве для обеспечения качества (твердости HVo, шероховатости Rz, остаточных технологических напряжений первого рода аост) поверхностного слоя и долговечности деталей сельхозмашин и механизмов на ГНТФ «Спецоборудование» г.Ташкент, фирме ООО «РУНО» г. Зерноград, а также деталей железнодорожного подвижного состава в вагонном депо «Хавает». В предложенных технологических процессах широко применялась методика расчета допустимого износа инструмента по задней поверхности в зависимости от заданной шероховатости и точности механической обработки, что позволило обеспечить заданное качество конкретной детали с учетом времени работы резцов и фрез. Рез-зультаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе на кафедре «Технология конструкционных материалов» АЧГАА (г.Зерноград).
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Концептуальные положения создания технологий, позволяющих обеспечивать заданное качество поверхностного слоя деталей на основе использования комплексного подхода для описания механизмов пластической деформации металлов в процессе механической обработки (резания, шлифования, ППД).
2. Система уравнений, описывающих взаимную связь качества поверхностного слоя детали (HV0, Rz, оост) со структурно-энергетическими параметрами материала (к , аит, р;, U , Uj, Ue ,Ue, UTj), и технологическими условиями механической обработки (t, S, Vp, у, а, р, г, ркр, VKp, Уд, Рн, СОТС).
3. Зависимости для расчета твердости металлов HVj по величине накопленной упругой энергии Ue, и наоборот, в процессе легирования, термической и механической обработках. 4. Методика расчета величины накопленной микрообъемом заготовки упругой энергии при сдвиговом механизме процесса резания металлов на основе предложенной дислокационно-термодинамической схемы пластической деформации, которая базируется на введенном в работе понятии: энергетически пульсирующих линейных дефектах (дислокациях).
5. Кинетические уравнения, описывающие скорость накопления в микрообъеме заготовки упругой энергии и скорость ее выделения в виде тепла при аннигиляции образующихся дефектов при вязком (атомно-вакансионном) механизме пластической деформации металлов в процессе резания.
6. Зависимости для расчета температуры начала Тн.р. и концаТк.р. процесса рекристаллизации при резании металлов, полученных на основе термодинамического критерия разрушения - критической плотности внутренней энергии U , равной энтальпии плавления материала Hs 7. Методики расчета шероховатости обработанной поверхности и величины образующихся субмикротрещин в поверхностном слое детали в процессе механической обработки, полученные на основе использования термодинамического критерия разрушения U .
8. Зависимости для расчета остаточных технологических напряжений первого рода оост, полученных на основе использования истинного предела текучести аит, который определяется по коэффициенту перенапряжения межатомных связей кд и учитывает упругую разгрузку материала после пластической деформации в процессе резания на атомном уровне.
9. Экспериментально-аналитическая модель прогнозирования допустимого износа режущего инструмента по задней поверхности, в зависимости от заданной шероховатости поверхности и точности обработки конкретной детали.
10. Математическая модель оптимизации режима механической обработки детали на основе детерминированного подхода.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались: на II Республиканской научно-технической конференции "Производство и научно-техническое творчество ученых и специали 13 стов" (г. Ташкент, 1974); на Республиканской научно-технической конференции "Прогрессивные технологические процессы в машиностроении" (г. Ташкент, 1975); на Всесоюзной конференции "Теплофизика технологических процессов" (г. Тольятти, 1976; г. Волгоград, 1980; г.Ташкент, 1984) ; на Республиканской научно-практической конференции ученых и специалистов "Актуальные проблемы повышения качества продукции, производительности труда и эффективности производства" (г.Ташкент, 1978); на Всесоюзной конференции " Качество и стандартизация (г.Махачкала, 1987); на Всесоюзном научно-техническом совещании Оптимизация условий эксплуатации и выбора характеристик абра зивного инструмента в машиностроении (г.Челябинск, 1978; г. Ленинград, 1982 г.; г.Новгород, 1988); на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Повышение долговечности деталей машин путем оптимизации физико-механических свойств покрытий" (г. Москва, 1990); на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Энергетический подход к оптимизации технологических условий абразивной обработки" (г. Москва, 1990); на Республиканской научно-технической конференции "Современные методы термической, химико-термической обработки и поверхностного упрочнения деталей машин и инструментов" (г.Ташкент, 1990); на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Поверхностный слой, эксплуатационные свойства деталей машин и приборов" (г.Москва, 1991);на Международной научной конференции "Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях" (г. Комсомольск-на-Амуре, 1998); на Международной научно-технической конференции "Проблемы совершенствования зерноуборочной техники: конструирование, организация производства, эксплуатация и ремонт" (г. Ростов-на-Дону, 1999); на Международном научно-техническом семинаре "ИНТЕРПАРТНЕР-99" (г. Алушта, 1999); на Международной научно-технической конференции "Процессы абразивной обработки. Абразивные инструменты и материалы" (г. Волжский, 2001); на Международной научно-технической конференции "Производство и ремонт машин" (г. Ставрополь, 2005), а также на расширенных заседаниях кафедр «Технология конструкционных материалов» Азово-Черноморской государственной агроин 14 женерной академии (г.Зерноград, 2003); «Технология машиностроения», «Металлорежущие станки и инструменты», «Автоматизация производственных процессов» Донского государственного технического университета (г. Ростов-на-Дону, 2004); «Технология машиностроения», «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета (2005), а также на расширенном заседании лабораторий «Машиноиспользования» и «Технического обслуживания сельхозтехники» ВНИГТГИМЭСХ (г.Зерноград, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 71 работа (17 в изданиях, рекомендованных ВАК). Отдельные практические разработки защищены авторским свидетельством.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, 6 приложений, содержит 321 страницу машинописного текста, 75 рисунков, 17 таблиц.
Основные материалы опубликованы в работах [104, 105, 128, 129, 145, 206-215,227,234-237].
Работа выполнялась в Ташкентском институте инженеров железнодорожного транспорта и Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии по научно-техническим программам «Энергетические принципы в оценке процесса разрушения материалов при различных способах механической обработки» и «Методы повышения надежности агрегатов и поддержания их работоспособности».
Считаю необходимым выразить искреннюю благодарность д.т.н. проф. Д.Г. Евсееву за ценные советы и пожелания при обсуждении проблем, рассматриваемых в данной работе.
Методы расчета параметров состояния поверхностного слоя деталей в зависимости от процессов механической обработки
"Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях" (г. Комсомольск-на-Амуре, 1998); на Международной научно-технической конференции "Проблемы совершенствования зерноуборочной техники: конструирование, организация производства, эксплуатация и ремонт" (г. Ростов-на-Дону, 1999); на Международном научно-техническом семинаре "ИНТЕРПАРТНЕР-99" (г. Алушта, 1999); на Международной научно-технической конференции "Процессы абразивной обработки. Абразивные инструменты и материалы" (г. Волжский, 2001); на Международной научно-технической конференции "Производство и ремонт машин" (г. Ставрополь, 2005), а также на расширенных заседаниях кафедр «Технология конструкционных материалов» Азово-Черноморской государственной агроин-женерной академии (г.Зерноград, 2003); «Технология машиностроения», «Металлорежущие станки и инструменты», «Автоматизация производственных процессов» Донского государственного технического университета (г. Ростов-на-Дону, 2004); «Технология машиностроения», «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета (2005), а также на расширенном заседании лабораторий «Машиноиспользования» и «Технического обслуживания сельхозтехники» ВНИГТГИМЭСХ (г.Зерноград, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 71 работа (17 в изданиях, рекомендованных ВАК). Отдельные практические разработки защищены авторским свидетельством.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, 6 приложений, содержит 321 страницу машинописного текста, 75 рисунков, 17 таблиц.
Основные материалы опубликованы в работах [104, 105, 128, 129, 145, 206-215,227,234-237].
Работа выполнялась в Ташкентском институте инженеров железнодорожного транспорта и Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии по научно-техническим программам «Энергетические принципы в оценке процесса разрушения материалов при различных способах механической обработки» и «Методы повышения надежности агрегатов и поддержания их работоспособности».
Считаю необходимым выразить искреннюю благодарность д.т.н. проф. Д.Г. Евсееву за ценные советы и пожелания при обсуждении проблем, рассматриваемых в данной работе.
Эксплуатационные свойства детали в значительной степени зависят от структуры материала и параметров качества ее поверхностного слоя. В этой области известны работы ученых: И.А. Одинга, СВ. Серенсена, А.И. Исаева, А.А. Маталина, A.M. Сулимы, А.В. Подзея, B.C. Мухина, П.И. Ящерицина, Э.В, Рыжова, B.C. Ивановой, Д.Г. Евсеева, А.Г. Суслова, Старкова В.К., В.Ф. Безъязычного, Д.Д. Папшева, А.Д. Макарова, М.А. Елизаветина, Э.А. Сателя и др.
Предварительное упрочнение материалов (термообработкой, легированием, пластическим деформированием) снижает их пластичность, значительно уменьшает величину совместной пластической деформации материалов трущихся поверхностей и предотвращает или уменьшает схватывание металлов [6].
Наклеп, в результате повышения твердости HV0 материала, увеличивает износостойкость деталей [7]. В работах [3, 4] отмечается, что полезное влияние наклепа часто проявляется как при сухом трении, так и при трении со смазкой. Особенно сильно сказывается наклеп при циклическом нагружении деталей. В этом случае предел выносливости повышается на 25-30% и более. Однако при эксплуатации деталей в условиях повышенных температур, порядка 700-800 С и выше, наклеп поверхностного слоя начинает играть отрицательную роль и может снизить эксплуатационные свойства изделия.
Сильное влияние на эксплуатационные свойства деталей оказывают величина и знак остаточных напряжений первого рода ± аост формируемых в процессе обработки деталей машин. Исследованию влияния остаточных напряжений на прочностные характеристики и усталость деталей посвящено большое количество работ [4, 8-13].
В работах [4, 14] отмечено, что в большинстве случаев механической обработки изменение режимов резания, приводящих к увеличению напряжений в зоне формирования поверхностного слоя и степени пластического деформирования, приводит к росту остаточных напряжений сжатия.
Экспериментальные исследования показали [4], что при формировании в поверхностном слое напряжений сжатия - аост предел выносливости увеличивается, а при формировании напряжений растяжения +аоег - уменьшается.
А.А. Маталиным установлено[4], что остаточные напряжения сжатия в большей мере повышают предел выносливости, чем снижают его такие же по величине остаточные напряжения растяжения.
Эксплуатационные свойства деталей машин в значительной степени определяются шереховатостью обработанной поверхности [3, 4, 10, 12, 13, 15]. Уменьшение величины шероховатости ведет к росту опорной поверхности и снижению коэффициента концентрации напряжений, что в свою очередь способствует повышению усталостной прочности и износостойкости материалов. Так, например, полированные детали из высокопрочной стали имеют предел выносливости на 40% больший, чем грубо обточенные [15].
Для обеспечения минимального износа, при заданных условиях трения, необходимо назначить и технологически обеспечить в процессе механической обработки оптимальную величину шероховатости. Увеличение высоты неровностей по сравнению с оптимальным значением повышает износ в результате возрастания механического зацепления, скалывания и среза неровностей поверхности [16]. Уменьшение высоты неровностей против оптимального значения приводит к резкому возрастанию износа в связи с возникновением молекулярного сцепления и заедания плотно соприкасающихся поверхностей повышенной гладкости.
Упрочнение и разрушение материалов в процессе механической обработки при сдвиговом механизме пластической деформации
Процесс резания лезвийным и абразивным инструментами является сложным комплексом физико-химических явлений (механических, тепловых, электрических, диффузионных, адгезионных и др.), которые сопровождают взаимодействие инструмента с материалом обрабатываемой детали, формируя при этом систему параметров, определяющих качество поверхностного слоя.
Одной из главных задач механики резания является изучение пластической деформации обрабатываемого материала. Пластическая деформация одновременно протекает в зонах стружкообразования и контакта стружки с передней поверхностью инструмента, а также контакта обрабатываемого материала с задней поверхностью инструмента.
Процесс стружкообразования представляет собой последовательное повторение двух этапов деформирования срезаемого слоя: а) сжатие некоторого объема металла, находящегося перед передней по верхностью режущего инструмента; при этом одновременно происходят сдвиги внутри образующего элемента; б) при достижении напряжения величины равной пределу прочности про исходит сдвиг или скалывание элемента стружки в целом. Исследованию механики процесса резания посвящено много работ как у нас в стране, так и за рубежом [48-51],[ 86-95]. B.C. Кушнер [96] на основе термомеханического подхода установил, что при резании пластичных металлов предел текучести обрабатываемого материала вследствие деформационно-скоростного упрочнения и температурного разупрочнения достигает на участках передней и задней застойной поверхностной зоны максимальных значений, не зависящих от режима резания: учет этого факта позволил разработать более точные методы расчета касательных напряжений и температур. В разработанной термомеханической модели процесса резания, которая благодаря учету влияния температуры на предел текучести позволила количественно описать влияние условий резания на характеристики процесса стружко-образования (касательные и нормальные напряжения, размеры зоны деформации и застойной зоны: длину контакта и усадки стружки, действительный угол схода стружки и минимальную стабилизирующую фаску), а также на температуры и силы резания. В работе А.А. Козлова [97] рассмотрен путь интенсификации процессов резания на основе анализа эффектов неустойчивости упругопластических деформаций в зоне стружкообразования и контактных явлений. В технологических процессах производства деталей машин большое место занимают операции шлифования. Поэтому анализ результатов исследований разрушения материалов в процессе шлифования представляет значительный интерес.
Процесс резания при шлифовании осуществляется массой абразивных зерен весьма малого размера, неопределенной формы и геометрии.
Исследованию природы разрушения металлов абразивными зернами и поиску путей увеличения эффективности алмазно-абразивной обработки посвящены работы В.П. Кащеева [18], В.Д. Кузнецова [23], Н.Е. Маслова [50, 98], С.Н. Корчака [99], М.М. Хрущева и М.А. Бабичева [100], К.В. Савицкого [101] и др.
Е.Н. Маслов [50, 98] считает, что шлифование является массовым микроцарапанием поверхностного слоя твердого тела абразивными зернами. Протекание процесса снятия стружки абразивным зерном зависит от ряда факторов: механических свойств обрабатываемого металла, коэффициента трения между царапающим элементом и материалом, отношения а/р (где а - толщина срезаемого слоя, ар- радиус округления вершины царапающего элемента). Лишь при отношении а/р 0,5-0,6 возможно срезание стружки. При малой величине нормальной силы Руд происходит только скольжение царапающего элемента по обрабатываемому материалу. При увеличении силы Ру, когда а/р возрастает, возможно смятие материала. При прочих равных условиях более острые абразивные зерна, имеющие меньший радиус округления вершины, обеспечивают меньшую величину скольжения.
Аналогичного мнения придерживается В.Д. Кузнецов [23]. Он определил, что механизм абразивного разрушения твердых тел сводится к сумме большого числа элементарных процессов царапания.
Б.И. Костецкий [64] отметил, что процесс образования стружки происходит следующим образом. Вначале абразивное зерно не режет, а скользит с большим трением по поверхности детали, создавая увеличивающуюся радиальную силу. Далее, когда напряжение от совместного действия тангенциальной и радиальной сил превысит предел текучести шлифуемого металла, зерно врезается и начинается отделение стружки. Длина участка проскальзывания зависит от физических свойств шлифуемого металла и степени остроты режущих граней абразивных зерен. Затупление зерен круга приводит к увеличению длины участка проскальзывания, а также к повышению радиальной силы и количества образующейся теплоты.
М.М. Хрущов и М.А. Бабичев [100] процесс абразивного разрушения представляют как царапание металла зернами абразива, большинство из которых оставляет выдавливаемый след, а меньшая часть, с благоприятно расположенными гранями, снимает стружку.
А.К. Зайцев [102] полагает, что абразивное разрушение представляет из себя процесс резания, но с мельчайшей или витой стружкой - для вязких материалов, и стружкой скалывания - для хрупких материалов.
С.Н. Корчак [99] считает, что в момент врезания зерна температура металла в зоне контакта остается высокой в результате работы предшествующих зерен, т.е. работа зерна на всем пути резания происходит в среде нагретого до высокой температуры металла, только на выходе зерно попадает во вновь подаваемые холодные слои металла, поэтому сопротивление разных по химическому составу сталей пластическому деформированию в горячем состоянии будет существенно отличаться друг от друга и может оказаться, что относительная разница прочностей в "холодном" состоянии не совпадает с разницей их при высокой температуре. Это свойство процесса вызывает закономерное изменение производительности при шлифовании сталей разной структуры и химического состава.
Прогнозирование глубины оптимального упрочнения материала в процессе механической обработки
Уравнение (2.131) получено для условий, предполагающих, что в деформируемых объемах в зоне резания зарождаются и накапливаются элементарные дефекты только одного і-го типа. Обычно же в деформируемых объемах обрабатываемого материала может зарождаться и накапливаться спектр из п различных дефектов. Однако следует иметь в виду, что вклад различных механизмов в суммарную повреждаемость элемента твердого тела зависит от скорости протекания микроскопического элементарного акта, зависящей в основном от величины свободной энергии активации U . Причем, как следует из системы уравнений (2.131)-(2.132), контролирующим механизмом, вносящим решающий вклад в суммарную повреждаемость элемента тела, оказывается тот, величина энергии активации которого является наименьшей. Поэтому влияние на повреждающее действие других микроскопических механизмов, имеющих более высокие значения энергии активации процесса, ничтожно мало и ими можно пренебречь. В выражение (2.131) можно положить количество механизмов образования дефектов п=1. При низкотемпературной деформации в процессе обработки, ведущим механизмом является дислокационный, а при высокотемпературной - атомно-вакансионный.
Предэкспоненциальный множитель kj/h соответствует частоте переходов активационных комплексов черед энергетический барьер. Для каждой температуры он является универсальной постоянной, независимо от природы материальной системы и типа кинетического процесса. Экспоненциальный (больц мановский) множитель ехр обычно рассматривают как меру вероятности существования активированного комплекса; с другой стороны, его можно считать той долей общего числа элементарных структурных единиц материальной системы, которая обладает необходимой для данного процесса энергией активации U .
В основу аналитического описания кинетики элементарных актов атомно-молекулярных перегруппировок положено уравнение (2.131) теории абсолютных скоростей реакций, а также представление Р.Беккера об энергии активации, как обратимой и изотермической работе, которую необходимо затратить, чтобы перевести элементарные частицы из исходного (равновесного) в активируемое состояние. Первостепенное внимание при этом уделено зависимости энергии активации от напряженного и структурного состояний элемента обрабатываемого материала, а также исследованию и аналитическому описанию кинетики микроскопических процессов контролирующих деформационное упрочнение, повреждаемость и динамический возврат.
Уравнение (2 Л 31) имеет первостепенное значение для понимания того факта, что изменение свободной энергии (изобарно-изотермического потенциала) активации, а не теплоты (энтальпии) активации определяет скорость реакции процесса дислокационного или атомно-вакансионного.
В соответствии с теорией упрочнения, рассмотренной выше, структурное состояние материала можно интегрально характеризовать двумя параметрами -плотностью упругой (накопленной) энергией иео и величиной напряжения течения (пределом текучести) о"т между которыми существует однозначная связь (2.17),(2.43),(2.71),(2.72).
Теоретическая зависимость Uei=f(Ue0) представлена на рисунке 2.22. Анализ дайной зависимости показывает, что скорость накопления упругой энергии Uel в зависимости от ее начальной величины носит затухающий экспоненциальный характер.
Следовательно, по мере роста твердости материала в результате термообработки, легирования или приложенного напряжения о"І5 значения упругой энергии Uei и внутреннего напряжения os в микрообъеме твердого тела увеличиваются. Внутренние напряжения as за счет роста плотности дислокаций и уменьшения расстояния между ними в процессе деформирования возрастают и действуют в противоположную внешним силам 5\ сторону, что снижает их эффективность, в результате чего скорость процесса накачки упругой энергии уменьшается.
Полученные формулы (2.131), (2.132) позволяют прогнозировать методом перебора с определенным шагом начальную величину упругой энергии в материале Ueo, которая обеспечит необходимую скорость накопления упругой энергии Uei при механической обработке детали и ее эксплуатации.
Следует отметить, что полученные зависимости Uel =f{Ue0) подтверждаются экспериментальными исследованиями других авторов [31,185].
При рассмотрении кинетической концепции деформирования и разрушения материалов при механической обработке наибольший научный и практический интерес представляет вопрос прогнозирования изменения энергии активации процесса образования и аннигиляции точечных дефектов от величины приложенного напряжения Oj и температуры Tj.
Энергия активации процесса сжатия стали 45 определялась из системы уравнений (2.131), (2.132).
Зависимости энергии активации процесса пластической деформации образцов при сжатии на уровне твердого тела показаны на рисунке 2.23.
Статистический анализ этих данных показывает, что для стали 45 твердостью HV 1800 энергия активации процесса накопления упругой энергии деформации Ue на уровне твердого тела (см. рис. 2.23) изменяется в сравнительно уз-ких пределах (IT=13,2-14,4 Дж/мм ) и хорошо коррелирует со значением энергии активации образования вакансий (12,2-19,2 Дж/мм3) [186], которая совпада-ет с энергией разрыва (диссоциации) межатомных связей (13,6-14,3 Дж/мм ) [187].
Прогнозирование параметров состояния для обеспечения заданной усталостной прочности материала
Определив по формуле (2.142) или (2.143) величину накопленной упругой энергии Uei по уравнениям (2.74), (2.71) или (2.72) рассчитываем твердость (упрочнение) HVj металла после различных технологических способах обработки.
Движущей силой процесса рекристаллизации является величина накопленной в микрообъемах (дислокациях) упругой энергии AUei деформации, а также температура нагрева Tj. Результаты расчета по уравнению (2.140) скорости выделения в виде тепла накопленной упругой энергии qtj в зависимости от AUei и Т; представлены в виде графиков на рисунке 2.26. Анализ уравнений (2.139), (2.140) показал, что мощность теплового эффекта qti зависит от плотности накопленной в деформируемых объемах упругой энергии AUei и температуре нагрева, образцов (см. графики на рис. 2.26). Чем больше плотность упругой энергии и температура нагрева, тем выше мощность теплового эффекта, и наоборот. Анализ зависимостей на рисунке 2.26 также показал, что скорость выделения в виде тепла qti накопленной упругой энергии начинает резко возрастать при достижении внутренней энергии величины, равной примерно 6,8-7,3 Дж/мм3. При таком значении внутренней энергии жесткость атомной решетки начинает уменьшаться, а скорость диффузионных процессов наоборот увеличивается [31,182]. Зависимость скорости выделения упругой энергии при Ti=const от ее величины определяет время остывания микрообъема t (см. рисунок 2.27).
Из графиков, представленных на рисунке 2.27 видно, что время процесса рекристаллизации при различных температурах нагрева и выдержки имеет свой максимум. Так при температуре выдержки Т;=1273 К максимальное время осты-вания tc=7,8 с достигается при AUei=l,8 Дж/мм , а при Tj=1423 К максимальное время остывания tc=4 с достигается при AUei=l,2 Дж/мм . Следовательно, для конкретной температуры нагрева и выдержки материала после пластической деформации в процессе резания имеется свое значение накопленной упругой энергии Диеь которое обеспечивает наибольшую термодинамическую устойчивость системы. Этот вывод дает возможность рассчитывать накопленную упругую энергию деформации, а следовательно и степень упрочнения материала в зависимости от температур технологической обработки и эксплуатации детали.
Анализ зависимости tc=t (AUd) (см. рис. 2.27) при Ti=const также показал, что при росте величины AUei время выделения накопленной упругой энергии сначала растет, а после достижения максимума начинает плавно снижаться. При достижении значений AUei=4,3 Дж/мм (Т;=1273К) и AUei=3,2 Дж/мм (Tj=1423K) время выделения максимальной упругой энергии практически равно нулю, т. е. выделение энергии происходит практически мгновенно. Это явление, на наш взгляд, объясняется тем, что внутренняя энергии U 9,2 Дж/мм3 составляет примерно величину 0,92 от энтальпии плавления сталей Hs=10 Дж/мм3. Таким образом, деформируемый микрообъем приобретает аморфную структуру и при дальнейшем быстром охлаждении может произойти вторичная закалка материала обрабатываемой детали.
Исходя из вышеизложенного, скорость выделения накопленной в ядрах дислокациях упругой энергии при движении по плоскости скольжения будет различной, а время аннигиляции согласно дислокационно-термодинамической схеме (см. рис. 2.13) может быть одинаковой. Наиболее устойчивыми с термодинамической точки зрения являются дислокации, расположенные в средней части полосы скольжения. Поэтому значения упругой энергии в этих дислокациях будут в конечном итоге определять среднюю степень упрочнения материала после различных технологических процесах обработки.
Скорость выделения в процессе возврата и рекристаллизации накопленной в микрообъемах (дислокациях) упругой энергии согласно уравнению (2.140) зависит от предэкспоненциального множителя к 17 h и энергии активации аннигиляции различного рода дефектов. Однако до сих пор не установлено, изменяется ли энергия активации или же она остается постоянной в ходе процесса. Предполагалось, что энергия активации - линейная функция увеличения плотности дислокаций. Эксперименты, однако, не подтверждают этого положения[189]. В работе [202] было высказано предположение, что энергия активации изменяется в процессе возврата и рекристаллизации. Но этот процесс не исследовался, и функциональная зависимость представлена не была.
Для получения эмпирических зависимостей qa = f(U3a) и 1/эа = /(Д/е/,7)) были проведены специальные эксперименты по отжигу образцов из стали 45 HVol800 после сжатия на определенную степень деформации. Результаты экспериментов представлены в приложениях 3, 4. Температура нагрева образцов принималась выше температуры начала процесса рекристаллизации. Ее величина рассчитывалась по методике, которая будет рассмотрена в следующем параграфе. Время выдержки принималось от 0,5 мин до 10 мин. Затем замерялась твердость HV; и по формуле (2.69) рассчитывалось количество упругой энергии Uei выделившейся в виде тепла qtj. Величину выделенной в виде тепла упругой энергии определяли как разность где иені - уровень упругой энергии после определенной степени сжатия образца.
