Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния проблемы нестационарного резания труднообрабатываемых материалов 14
1.1. Элементы режима нестационарного резания 14
1.2. Систематизация факторов, определяющих нестационарность процесса резания 16
1.2.1. Входные технологические параметры нестационарной обработки
1.3. Анализ теоретических и экспериментальных исследований нестационарных процессов резания 23
1.3.1. Анализ исследований механики нестационарного резания 24
1.3.2. Анализ температурных исследований при нестационарном резании 27
1.3.3. Анализ исследований износостойкости режущего инструмента при нестационарных режимах обработки 32
1.4. Термодинамическме модели процесса лезвийной обработки 42
2 Структурно-энергетический анализ процесса резания на основе термодинамики неравновесных процессов 52
2.1. Общие представления об энергетическом анализе контактных процессов при механообработке
2.2. Диссипативная функция внешних сил (сил резания) 56
2.3. Диссипативная функция процесса пластической деформации 58
2.4. Диссипативная функция процесса формоизменения контактных поверхностей инструмента и образования новых свободных поверхностей при его изнашивании 73
2.5. Уравнение баланса диссипативных функций 84
3 Теоретические и экспериментальные исследования напряженно деформированного состояния зоны стружкообразования при нестационарном резании 88
3.1. Особенности развития процессов деформации и разрушения при динамическом нагружении металлов 88
3.2. Деформированное состояние зоны контакта инструмента с деталью и его особенности при нестационарном резании
3.2.1. Влияние изменения скорости резания на деформационные процессы в зоне стружкообразования 92
3.2.2. Модель стружкообразования при нестационарном резании. Общие представления 94
3.2.3. Влияние изменения параметров сечения срезаемого слоя на деформационные процессы в зоне стружкообразования 105
3.3. Напряженное состояние в зоне контакта инструмента с деталью и силы резания при нестационарных режимах обработки 114
3.3.1. Модель напряженного состояния зоны х стружкообразования при нестационарном резании 115
3.3.2. Напряженное состояние зоны контакта стружки с передней поверхностью инструмента 121
4 Результаты экспериментальных исследований обрабатываемости и фрикционного взаимодействия инструмента с деталью при нестационарных режимах резания 137
4.1. Обрабатываемые и инструментальные материалы, выбранные для экспериментальных исследований 137
4.2. Механические свойства исследуемых материалов 139
4.3. Исследования контактных явлений между обрабатываемым и инструментальным материалами на установках, моделирующих зону локального контакта заготовки и инструмента 142
4.3.1. Методическое обеспечение исследований трибомеханических характеристик контакта инструмента с деталью при физическом моделировании 142
4.3.1.1. Методика исследования влияния температуры на прочностные параметры фрикционного контакта 143
4.3.1.2. Методика исследования кинетики развития приконтактных деформаций при трении 147
4.3.1.3. Методика исследования диссипативных характеристик локального фрикционного контакта 150
4.3.2. Результаты экспериментальных исследований трибомеханических характеристик локального контакта инструментального и обрабатываемого материалов 153
4.3.2.1. Влияние температуры на прочностные параметры фрикционного контакта 153
4.3.2.2. Влияние температуры на деформационные характеристики фрикционного контакта 156
4.3.2.3. Влияние температуры на диссипативные характеристикифрикционного контакта 164
4.4. Исследование характеристик механики процесса резания 168
4.4.1. Методика проведения исследований силовых параметров процесса резания 168
4.4.2. Влияние элементов стационарного режима резания на составляющие силы резания 170
4.4.3. Влияние скорости резания и износа инструмента на удельные нагрузки в зоне контакта инструмента с деталью . 175
4.4.4. Исследование влияния режима нестационарной обработки на силы резания 179
4.5. Исследование тепловых явлений при нестационарных режимах и обработки 185
4.5.1. Термоэлектрические характеристики естественных термопар резец-деталь 186
4.5.2. Результаты экспериментального исследования температуры при нестационарном резании 196
4.5.3. Теплофизический анализ процесса нестационарного резания 200
5 Анализ составляющих уравнения термодинамического баланса при квазистационарном и нестационарном резании 214
5.1. Влияние элементов режима резания на основные составляющие уравнения баланса диссипативных функций 215
5.1.1. Влияние износа инструмента, как фактора внутренней нестационарности процесса резания на диссипацию механической энергии 215
5.1.2. Влияние внешней нестационарности процесса резания на диссипацию механической энергии 220
5.1.3. Влияние элементов режима резания на диссипативную функцию пластической деформации обрабатываемого материала
5.2. Баланс механической и тепловой энергий при нестационарном резании 227
5 5.2.1. Анализ условий наиболее полной диссипации энергии за счет локализации температуры в приконтактных слоях обрабатываемого материала 230
5.2.1.1. Влияние скорости резания и износа инструмента на условия наиболее полной диссипации энергии 233
5.2.1.2. Влияние параметров внешней нестационарности на условия наиболее полной диссипации энергии 237
5.3. Анализ синхронизма механических и тепловых процессов в зоне резания 243
5.4. Термодинамические критерии оценки температурно-силовой нагруженности зоны контакта инструмента с деталью 250
6 Методы интенсификации нестационарного резания по термодинамическим условиям минимизации интенсивности износа режущего инструмента 260
6.1. Влияние элементов режима резания на параметры износостойкости инструмента при нестационарном точении . 260
6.2. Влияниеэлементов режима резания на диссипативную фкнкцию формоизменения контактных поверхностей инструмента
6.2.1. Взаимосвязь изнашиваемого и деформируемого объемов с учетом усталостного характера образования частицы износа 267
6.2.2. Влияние скорости и температуры резания на энергию формоизменения изнашиваемого обема
6.3. Определение оптимальных температурно-ресурсных зон эксплуатации режущего инструмента 284
6.4. Методы оптимизации режимов резания при нестационарном точении 289
6.4.1. Термодинамические условия минимизации интенсивности износа инструмента при управляемой вариации скорости резания 289
6.4.2. Термодинамические условия минимизации интенсивности износа для группы жаропрочных сплавов на никелевой основе 296
6.4.3. Технико-экономическое обоснование эффективности нестационарного резания 300
Основные выводы и результаты 305
Список использованных источников 309
Приложения 326
- Систематизация факторов, определяющих нестационарность процесса резания
- Диссипативная функция процесса пластической деформации
- Деформированное состояние зоны контакта инструмента с деталью и его особенности при нестационарном резании
- Механические свойства исследуемых материалов
Введение к работе
В настоящее время, в соответствии с общемировой тенденцией интенсификации технологических процессов, лезвийная обработка вступает в новый этап повышения конкурентоспособности по сравнению с другими методами формообразования в связи с развитием мехатронных станочных систем, оснащенных интеллектуальным компьютерным управлением. Их использование наиболее эффективно для обработки сложнопрофильных деталей и предполагает высокую степень управляемости процесса резания при соблюдении принципов его внешней (на стадии технологической подготовки) и внутренней (на стадии реализации процесса) оптимизации.
Анализ конструктивных особенностей и технологических схем обработки деталей сложной конфигурации, применяемых в авиационной, энергетической, космической и других наукоемких отраслях машиностроения показывает, что подавляющее большинство поверхностей этих деталей (торцевые, конические, тороидальные) обрабатываются при непрерывном и закономерном изменении одного или нескольких параметров режима резания. Как правило, указанные детали изготавливаются из жаро- и особопрочных материалов, обладающих весьма низкой обрабатываемостью резанием вследствие высокой интенсивности износа режущего инструмента. Износ инструмента, даже при постоянстве режима резания, приводит к дестабилизации внутренних и выходных параметров процесса резания (силы и температуры резания, характеристик качества обработанной поверхности), на которые накладывается внешняя нестационарность от изменения входных управляемых и неуправляемых параметров режима резания, в том числе -обусловленная использованием систем автоматического управления, реализующих направленное изменение элементов режима резания для
поддержания температурно-скоростного и силового режимов обработки на оптимальном уровне.
Вышеизложенное позволяет трактовать лезвийную обработку деталей сложной конфигурации из жаро- и особопрочных материалов на мехатронных станочных модулях и станках с ЧПУ, как управляемый нестационарный процесс, предъявляющий новые требования к виду и методам установления физико-математических зависимостей между переменными входными управляющими воздействиями и выходными параметрами процесса, обеспечивающими его технико-экономическую эффективность.
В настоящее время в условиях нестационарного резания режимы обработки назначаются, как правило, по предельным значениям диаметра обрабатываемой поверхности, глубины резания, подачи, геометрии инструмента и других переменных параметров. Возможную нестационарность учитывают введением поправочных коэффициентов на снижение элементов режима резания и периода стойкости инструмента. Управление режимом обработки на станках, оснащенных системами адаптивного управления и ЧПУ в основном базируется на закономерностях и уставках, полученных при стационарном резании и не учитывающих специфику протекания контактных процессов при переменных параметрах нагружения (запаздывание, технологическую наследственность, последействие и т.д.). Это приводит к неоправданному снижению производительности обработки, стойкости режущего инструмента, точности и качества обработанных деталей.
Как показал анализ опубликованных теоретических и экспериментальных исследований, это связано с недостаточной изученностью нестационарного резания вследствие сложившихся представлений об отрицательном влиянии переменности режима резания на размерную стойкость инструмента, качество и себестоимость обработанных деталей, значительной сложностью разработки математических моделей, адекватно описывающих динамику контактных процессов в условиях, далеких от термодинамического равновесия.
Вместе с тем, в последнее время получены существенные результаты, позволяющие проводить разработку новых методов управления лезвийной обработкой при использовании методов термодинамики неравновесных процессов для комплексного анализа контактных процессов в зоне обработки и износостойкости режущего инструмента с учетом взаимосвязи и взаимовлияния (синхронизма) механо-химических и тепловых явлений, протекающих в зоне контакта, трансформации свойств взаимодействующих поверхностей инструмента и детали в разнообразных условиях процесса резания. Как показали исследования, синхронизм механической и тепловой энергий в зоне обработки обеспечивает оптимальные условия резания и характеристики выходных параметров механообработки, вследствие чего представляет наиболее широкие возможности для управления технологическим процессом.
В связи с вышеизложенным, разработка термодинамических принципов обеспечения управляемости и интенсификации нестационарной лезвийной обработки деталей из труднообрабатываемых материалов для повышения эффективности эксплуатации мехатронных станочных систем является важной научной проблемой.
Актуальность диссертации подтверждается тем, что ее основу составляют выполненные автором исследования в рамках:
- межотраслевой научно-технической программы МАП СССР и Минвуза
РСФСР «Авиационная технология» (направление 05.01, 1982-1990 гг.);
- научно-технической программы фундаментальных и прикладных
исследований «Новые технологии и автоматизация производственных
процессов в машиностроении» Госкомитета СССР по народному образованию
(1989-1990 гг.);
- межвузовской программы «Научные исследования высшей школы в
области производственных технологий» (раздел «Технология и оборудование
для обработки изделий машиностроения, 2000 г.);
- грантов Минвуза РФ и Академии наук Республики Башкортостан (1992-
2000 гг.);
- федеральной целевой программы «Государственной поддержки
интеграции высшего образования и фундаментальной науки (направление 3,
раздел 1.4., 1997-2006 гг.).
Исследования выполнены на кафедре автоматизированных систем управления государственного авиационного технического университета. Научная новизна работы состоит в:
разработке и теоретическом обосновании термодинамической модели управляемого нестационарного резания с учетом полноты диссипативных процессов в зоне контакта инструмента с деталью и затрат энергии на формоизменение режущего инструмента при его изнашивании;
разработке моделей для расчета параметров напряженно-деформированного состояния зоны резания, учитывающих явление запаздывания пластической деформации в зоне сдвига при обработке с управляемым изменением элементов режима резания;
установлении новых закономерностей силовых, температурных и деформационных характеристик процесса резания, учитывающих не только текущее значение элементов режима резания, но и скорости их изменения в процессе обработки;
определении термодинамических условий, критериев и методов минимизации интенсивности износа инструмента, основанных на впервые установленном явлении существования энергетически оптимальной зоны эксплуатации режущего инструмента, в пределах которой наблюдается наиболее полная и быстрая диссипация механической энергии в тепловую и отвод ее от изнашиваемой поверхности термопластически деформированными приконтактными слоями обрабатываемого материала;
разработке оптимальных условий и алгоритмов управления процессом механообработки на основе выявленных механизмов синхронизации
11 механических и тепловых эффектов в зоне резания для повышения эффективности мехатронных станочных систем.
Практическая ценность и реализация результатов работы
На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований:
предложены методы и алгоритмы управления процессом обработки на станках с ЧПУ и мехатронных станочных системах за счет регулирования режима резания с оптимальной интенсивностью его изменения по мере роста износа инструмента из условия наиболее полного термодинамического равновесия силовых и тепловых процессов на изнашиваемой поверхности;
разработаны технологические рекомендации по рациональным режимам обработки жаропрочных сплавов на никелевой основе, рекомендуемые справочные данные по режимам резания и инструменту для типовых ГПС механообработки деталей из труднообрабатываемых материалов;
предложены инженерные методики и новые способы: ускоренного определения оптимальных режимов нестационарного резания (патент РФ № 2207935); оценки обрабатываемости (патент РФ № 2247963); определения оптимальной скорости резания при точении (а.с. № 1211640) и сверлении (а.с. № 1430181, 1371783); определения допустимой подачи инструмента (а.с. № 1386373, 324389); определения режущей способности инструмента (а.с. № 1419296, 293378); определения модуля упругости износостойкого покрытия (а.с. № 35997), позволяющие решать задачи сокращения сроков и трудоемкости технологической подготовки производства при построении операций обработки деталей из труднообрабатываемых материалов в управляемом нестационарном режиме;
разработан комплекс методического и аппаратного обеспечения исследований процессов контактного взаимодействия инструмента с обрабатываемой деталью для экспресс-выбора рациональных марок
инструментального материала и назначения оптимальных технологических режимов обработки.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены на крупных предприятиях машиностроения (ОАО «Пермский моторный завод», ФГУП ММПП «Салют»; ФГУП Кум.АПП, ФГУП УАП «Гидравлика», ФГУП УППО); разосланы в качестве руководящих технических материалов на предприятия авиадвигателестроения через Научно-исследовательский институт технологии и организации производства двигателей (ОАО НИИТ); в виде информационного обеспечения по режимам резания и режущему инструменту для типовых ГПС механообработки деталей используются в сети инженерных центров по комплексной автоматизации и созданию интегрированных проектно-производственных систем Института инноватики при СПбГПУ.
Научные и практические результаты данной работы вошли в монографию автора, учебные пособия и методические указания, используемые в учебном процессе подготовки инженеров по специальностям «Мехатроника» и «Автоматизация технологических процессов».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных, всероссийских, региональных научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах с 1985 по 2005 г.г в различных городах России и СНГ, среди которых: «Физическая оптимизация, управление и контроль процессов обработки резанием» (Уфа, 1991); «Новые эффективные конструкции инструмента и оснастки для механической обработки деталей (С.-Петербург, 1992); «Теплофизика технологических процессов (Рыбинск, 1992); «Теплофизические проблемы производства летательных аппаратов и двигателей» (Казань, 1993); «Термодинамика технологических систем (Краматорск, 1993); «Технология-94» (С.-Петербург, 1994); «Новые технологии в машиностроении» (Харьков -Рыбачье, 1994); «Технология механообработки: физика процессов и оптимальное управление» (Уфа, 1994); «Теплофизика технологических
процессов» (Рыбинск, 1996); «Технология - 96» (Новгород, 1996); «Проблемы трибологии производства» (Иваново, 1997); «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 1998); «Новые технологии управления движением технологических объектов» (Новочеркасск, 1999, 2000); «Повышение эффективности механообработки на основе аналитического и экспериментального моделирования процессов» (Рыбинск, 1999); «Механика и прочность авиационных конструкций» (Уфа, 2001); «Технология -2001» (Орел, 2001); «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» (Рыбинск, 2002); «Интеллектуальные мехатронные станочные системы» (Уфа, 2003); «Динамика технологических систем» (Саратов, 2004); «Оптимизация и управление процессом резания, мехатронные станочные системы» (Уфа, 2005).
Материалы работы экспонировались на ВДНХ СССР в 1977 г. и 1988 г., удостоены бронзовой и серебряной медалей ВДНХ СССР; рассматривались Межотраслевым экспертным советом по содействию внедрению научно-технических достижений (МЭС) в 1990 г. Работа обсуждалась на выездных заседаниях Головного совета «Машиностроение» в 1994 и 2000 гг.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 67научных работах. По теме диссертации получено восемь авторских свидетельств и два патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка литературы и приложения, содержит 326 страниц машинописного текста, 217 наименований использованной литературы, 11 таблиц.
Систематизация факторов, определяющих нестационарность процесса резания
Если рассматривать зону контакта инструмента с деталью как элемент термодинамической системы, для нестационарной обработки с переменным X выходной параметр Y в общем виде можно выразить нелинейным
Для системного анализа факторов, определяющих нестационарность процесса резания, предлагается их классификация на основе структурной схемы процесса резания как объекта управления (рис. 1.2). На схеме показаны входные параметры состояния, которые можно разделить на управляемые Х(х) и неуправляемые G(x). Выходные параметры У(х) являются результатом взаимодействия входных [Х(х), G(x)] и внутренних Н(х) параметров системы в процессе контактного взаимодействия в зоне обработки. Рассмотрение процесса резания как объекта управления позволяет разделить нестационарность на внешнюю, определяемую изменением во времени входных параметров Х(х) и G(x), и внутреннюю #(т), связанную с изменением физического состояния зоны контакта инструмента с деталью (рис. 1.3). режима резания (v, S, і), геометрию (а, у, ф) и конструктивные параметры режущего инструмента, а также скорости изменения технологических параметров (av, as, ап аа...) во времени. В совокупности они составляютподмножество Х(т). К неуправляемому входному подмножеству G(x) можно отнести изменения физико-механических параметров состояния заготовки AZ(x) И инструмента AG(T), колебания глубины резания Д/(т), связанные с изменением припуска на обработку в связи с погрешностями формы заготовки, а также возможные изменения скорости AV(T), толщины среза Аа(х), геометрии АГ(т), инструмента, связанные с погрешностью установки и параметрами жесткостиу (т) технологической системы.
Внутреннюю нестационарность процесса резания Я(х) условно можно разделить на необратимую F(T), связанную с износом инструмента h{x), изменениями в структурно-фазовом и прочностном состоянии приконтактных слоев режущей части инструмента и заготовки, и обратимую В(т), в основном периодически повторяющуюся, связанную с особенностями протекания контактных процессов в зоне обработки: закономерно-периодическими падениями напряжений на границах поверхностей сдвигов, изменением формы и положения зоны сдвига, явлениями образования и срыва нароста и т.д.
К области выходных параметров 7(т) процесса резания можно отнести подмножество Г(т) технологических параметров, таких как производительность, надежность, экономичность обработки в пределах, обеспечивающих требуемые характеристики качества обработанных поверхностей и точности изготовления детали. Кроме этого, в качестве самостоятельных контролируемых выходных параметров процесса резания рассматриваются температура 8 или термо - ЭДС резания Е, сила резания Pz, амплитудно-частотные характеристики, размерная стойкость инструмента (Jh,hon,l,T и т.д.), образующие подмножество Ф(х) физических выходныхпараметров. Следует отметить, что комплекс параметров Ф(т) в конечномсчете, в зависимости от вида целевой функции, критериев оптимизации и накладываемых ограничений, определяет комплекс Т(т) технологических выходных параметров процесса резания как операции технологического процесса [42, 46].
Систематизация многочисленных факторов, определяющих выходные параметры процесса резания в форме структурных схем, приведенных на рис. 1.2, 1.3, позволяет предложить поэтапный метод решения проблемы оптимизации нестационарного резания:1. Разработать модель нестационарного контактного взаимодействия инструмента с обрабатываемой деталью, позволяющую учесть не только параметры внутренней нестационарности, но и степень и характер влияния переменных входных параметров процесса резания. 2. Определить влияние параметров внутренней и внешней нестационарности, прежде всего технологически управляемых, на процессы, протекающие в зоне контакта режущего инструмента с деталью. 3. Решить задачу идентификации выходных физических параметров процесса нестационарного резания при переменных входных технологическихпараметрах.4. Определить целевые функции оптимизации выходныхтехнологических параметров для повышения эффективности процесса резанияв условиях программного и адаптивного управления станочнымоборудованием.
Как отмечено в работах [22, 36, 46, 191, 199], подмножество входных технологических параметров процесса резания определяется прежде всего конструктивно-технологическими особенностями обработки деталей сложнофасонного контура на станках с ЧПУ. Наиболее характерными представителями этого класса деталей являются детали силовой части газотурбинных двигателей (ГТД) с точки зрения их геометрической формы (рис. 1.4) и по трудоемкости их обрабатываемости резанием.
Повышенные эксплуатационные требования приводят как к усложнению конфигурации этих деталей, так и к повышению физико-механических свойств материалов для их изготовления. Внешняя нестационарность Х(т) и G{T) определяется наличием торцевых, конических и радиусных поверхностей, переменностью припуска и необходимостью обработки этих поверхностей за один проход, что вызывает значительный темп и диапазон изменения элементов режима резания за период обработки. Применение жаро- и особопрочных материалов, сохраняющих высокие исходные физико-механические свойства в диапазоне температур от комнатной до 750-920 градусов Цельсия, определяет значительную внутреннюю #(т) нестационарность процесса резания вследствие высокой температурно-силовой нагруженности зоны обработки, затрудненного стружкообразования в условиях малой пластичности обрабатываемого материала, весьма высокой интенсивности износа режущего инструмента. Следует отметить, что кизготовлению деталей ГТД предъявляются высокие требования Y(i) как по точности обработки, так и по характеристикам качества обработанной поверхности.
Анализ конструктивных особенностей и технологических схем обработки подобных деталей, выполненный в работах [41, 47, 70, 90, 131,164, 174, 191] показывает, что их механическая обработка содержит значительный удельный вес (35-60%) токарных операций, причем на станках с ЧПУ обрабатывается до 75% торцевых, цилиндрических, криволинейных и конических поверхностей в условиях, когда непрерывно и одновременно изменяются один, два и более параметров процесса резания. Основную долю в трудность изготовления типовых деталей ГТД (рис. 1.5) вносят торцевые и цилиндрические поверхности (суммарно до 60-65%).станках с ЧПУ и расчетно-технологических карт их обработки показал наличие следующих сочетаний нестационарных параметров:- одного (диаметр) при обработке 20% общей площади;- двух (скорость - диаметр и скорость - глубина резания) при обработке 23,5% и 1,19%о от общей площади обрабатываемых поверхностей детали соответственно; - трех (диаметр - скорость - геометрия инструмента) при обработке 19% общей площади.В работе [175] отмечено, что главным управляемым параметром нестационарного процесса обработки является переменная скорость резания -при точении цилиндрических поверхностей с переменным припуском до 75% площади поверхности детали обрабатывается в условиях регулировования температуры резания за счет изменения скорости резания, при торцевом точении 20-24% площади обрабатывается при постоянных оборотах шпинделя и линейном изменении скорости резания, 76-80% площади обрабатывается при изменении оборотов шпинделя из условия постоянства скорости резания. Весьма значительным фактором нестационарности токарной обработки является прерывистость процесса резания - частота прерывания процесса, определяемая числом проходов за период стойкости. В работе [174] показано, что при обработке жаро- и особопрочных материалов, как правило, значения максимально возможной стойкости близки к машинному времени обработки, и поверхности обрабатываются за одни проход, т.е. входные параметры Х(т) изменяются однократно и непрерывно в процессе обработки.
Диссипативная функция процесса пластической деформации
Общепринято, что пластическая деформация в реальных металлах есть результат зарождения и движения краевых и винтовых дислокаций и вакансий под действием внешнего напряжения. При этом следует учесть [60, 93], что поверхностные слои, в отличие от объема материала, обладают аномальной пластичностью вследствие более легкого образования и движения в них дислокаций. Исследованиями [28] установлено, что у поверхности образуется слой, содержащий плоские скопления из її компланарных дислокаций, заторможенных в плоскости скольжения.
Обозначив упрочнение приповерхностного слоя через Аїр и отнеся егоф величину к числу дислокаций D, приходящихся на единицу степени ; пластической деформации, с учетом роста термодинамического потенциала вскоплениях п компланарных дислокаций, обобщенную термодинамическую силу процесса пластической деформации запишем в виде [134]
В работах [202, 204] в результате рассмотрения влияния адиабатическогоповышения температуры на напряжение пластического течения тр показано, что величина тр связана с напряжением оу, полученным при деформировании визотермических условиях, следующим образомгде є - скорость деформации; є - степень деформации.
Во многих фундаментальных исследованиях [38, 61, 75, 137, 138] величина тр рассматривается как постоянная механическая характеристика обрабатываемого материала. Например, проф. Силин [158] на основе анализа диаграмм «касательное напряжение - истинный сдвиг» предлагает приближенный метод определения тр по формулегде ов — предел прочности при растяжении; т — коэффициент, определяемый в зависимости от группы обрабатываемого материала (т= 0,6 1,3). S
Практическое постоянство тр объясняется тем [169, 172], что при больших значениях деформации (єп = 2,5), характерных для процесса резания, последний член уравнения (2.1) сравнительно мал. В то же время известно [202], что в условиях пластического течения, характеризующегося существенным повышением скорости деформации (до є = 104 - 106 с 1), разупрочняющее влияние повышения температуры на величину тр частично компенсируется эффектом скоростного упрочнения, что описывается понятием температуры 0М, модифицированной по скорости деформации [207]температуре 0О и скорости деформации s 0 были такими же, как прискорости є и температуре 9м Величины Ає и А є в уравнении (2.11) можно представить как изменения величины и скорости деформации, соответствующие изменению температуры ДЄ.
Для реализации такого подхода к определению Атр используем выражение, предложенное в работе [202] и аналогичное по смыслу выражению для расчета а, полученному проф. Резниковым [141]где ао , тт, Zj - постоянные; п- показатель степени деформационного упрочнения; 0ПЛ - температура плавления обрабатываемого материала. В этом случае выражение (2.11) принимает вид (2.17) Выразив относительное приращение степени деформации &у , какэквивалентное относительное приращение модифицированной температуры
А8М/ резания M/J } напряжение пластического течения можно представить вполучает физический смысл коэффициента температурно-скоростного упрочнения (разупрочнения) материала детали в контактной зоне. Например, для группы жаропрочных сплавов на никелевой основе, принимая в соответствии с данными проф. Лоладзе [75] величину скоростногомодифицирования температуры (1 - к\ In у , ) = 0,75 -г 0,78; показательдеформационного упрочнения п = 0,30 + 0,32; показатели температурногоразупрочнения тТ= 1,6 -5- 1,8; ZT= 1,2-5-1,3 по данным проф. Резникова [139] и
Оксли [208], для зоны первичных пластических деформаций из условиястабилизации предельного значения температуры зоны сдвига 0 = 0,2150пл[21], коэффициент m по уравнению (2.19) при обработке без предварительногоподогрева (А9 = 9А) будет равен
Деформированное состояние зоны контакта инструмента с деталью и его особенности при нестационарном резании
Процесс отделения металла в виде стружки складывается из трех стадий упругой, пластической деформаций и последующего разрушения материала по определенным поверхностям, называемым поверхностями сдвига или среза.
В диапазоне высоких скоростей резания, обычно применяемых на производстве, если толщина среза а относительно мала по сравнению с шириной среза Ъ, формирование стружки происходит в условиях простого сдвига [27]. В этом случае для аналитических исследований целесообразнее использовать схему с зоной сдвига приближенно прямоугольной формы
Как показывает анализ работ [5, 6, 211], эта модель позволяет учесть влияние характеристик обрабатываемого материала, в частности разрушающих, напряжений, деформационного упрочнения, а также влияние скорости деформации на параметры процесса стружкообразования. При этом скорость деформации є внутрШ зоны CDEF является конечной величиной.
При нестационарном резании на условие равновесия контактных процессов в зонах первичной и вторичной пластической деформации, определяющее мгновенное положение зоны сдвига, значительное влияние будут оказывать динамические и консервативные силы, возникающие вследствие изменения элементов режима резания.
Для оценки напряженно-деформированного состояния зоны резания проведены эксперименты по определению коэффициента усадки стружки весовым методом. Стружка взвешивалась на аналитических весах WA-32 с точностью до 0,001 мг. Коэффициент утолщения стружки рассчитывался по формуле где G - вес стружки, мг; Lc - длина взвешенной стружки, мм; р - плотностьобрабатываемого материала, г/см ; S - подача инструмента, мм/об; t - глубина резания, мм.
Результаты экспериментального определения коэффициента утолщения стружки ка и соответствующие расчетные значения угла сдвига Р при непрерывном линейном изменении скорости с положительными (av 0) и отрицательными (av 0) ускорениями резания приведены на рис. 3.3.
Видно, что общий характер зависимостей ka(v) при нестационарном резании аналогичен стационарному режиму (яи=0), но в целом положительное ускорение оказывает большее влияние на уровень и поведение зависимостей k(v), чем отрицательное. При малых ускорениях (ац=±0,9 м/мин2) зависимости k(v), практически совпадают с зависимостью, полученной при стационарном резании. С увеличением ускорения характерный максимум уменьшается по величине к\ и наблюдается при больших скоростях V\. Для ускорений резания, превышающих некоторые критические значения (av=+3,6 м/мин ; ац=-2,7 м/мин ), зависимости k(v) вновь начинают приближаться к k(v) для стационарного режима резания. Величина и знак ускорения резания оказывает непосредственное и неоднозначное влияние на деформационные процессы в зоне обработки, по-видимому, вследствие запаздывания последних по отношению к непрерывно изменяющейся скорости деформирования и эффекта «памяти» или технологической наследственности, проявляющегося максимально в диапазоне температур, выше температуры 0j максимуманаростообразования при непрерывном изменении скорости деформации. 3.2.2. Исследования процесса образования стружки с помощью высокоскоростной киносъемки и изучения фотографий корней стружки [212] позволили установить, что процесс упруго- пластического сжатия деформированного объема, имеющий место перед образованием элементарного объема стружки, складывается из двух последовательных стадий:быстрого распространения пластической зоны перед резцом, сопровождающегося искривлением границы зоны сдвига, что может быть условно представлено в виде поворота плоскости сдвига из положения О А в положение ОБ (рис. 3.4, а); - процесса развития пластического сдвига при перемещении резца из положения І в положение II на величину А/р с одновременным ростомугла сдвига до некоторого критического в данных условиях резания значения Р2 (рис. 3.4, б), после чего происходит срез с образованием элемента стружки.
На стадии сжатия движение стружки по передней поверхности инструмента замедляется (для так называемых циклических стружек - до полной остановки). Коэффициент трения р. в зоне вторичной пластической деформации стружки при этом возрастает до значения ц. трения покоя. По мере перехода во вторую стадию и увеличения силы сдвига вновь возрастает скорость vc перемещения стружки по передней поверхности инструмента, что в свою очередь вызовет, с увеличением угла сдвига Р, уменьшение касательных напряжений в зоне сдвига до тех пор, пока они не станут меньше предела текучести обрабатываемого материала, и характер деформации вновь будет представлять один из видов сжатия, повторяя цикл [5].
При этом, если материал, непосредственно прилегающий к режущей кромке, будет перемещаться с исходной скоростью резания, то у другого (наружного конца) зоны сдвига будет происходить обратное течение материала с меньшей скоростью vg =v-Av. По данным Н.В.Талантова [168, 170], дляобъемов, прилегающих к наружной поверхности зоны сдвига, при точениистали ЭИ481 резцом ВК8, скорость ug снижается до 36 м/мин при скорости резания и= 50 м/мин («S = 0,467 мм/об, f = 2мм).
С учетом вышеизложенного, предложена модель стружкообразования, при которой ускорение резания вызывает изменение угла наклона плоскости сдвига в пределах зоны сдвига конечной толщины AS, представленная на рис. 3.5. При этом предполагается, что поворот зоны сдвига и изменение ее толщины происходит за время единичного цикла стружкообразования, в результате опережения (при положительном ускорении резания) вершины
Механические свойства исследуемых материалов
Исследование механических свойств обрабатываемых и инструментальных материалов при высоких температурах проводили на установках ИМАШ 9-66 и ИМАШ 20-75 по методике, разработанной М.Г. Лозинским [74].
Установка ИМАШ 9-66 позволяет измерить микротвердость образцов при прицельном нанесении отпечатков алмазной или сапфировой четырехгранной пирамиды. Исследования микротвердости проводили в диапазоне температур 700-1200 К при нагрузке на индентор 1 Н (100 г). Зависимости микротвердости исследуемых инструментальных и обрабатываемых материалов приведены в приложении Ш на рис. П. 1.1 -П. 1.2.
Определение механических свойств обрабатываемых материалов (модуля упругости Е, предела прочности сгв, предела текучести аг(а02),относительного удлинения 8 и сужения Ч1) проводили на установке ИМАШ 20-75 при испытаниях на растяжение плоских образцов стандартной формы. Нагрев образцов осуществлялся электроконтактным способом. С целью исключения окислительных явлений в рабочих камерах установоксоздавалась степень разряжения 10 4 -ПО"5 мм рт. ст. Контроль температуры нагрева образцов осуществлялся с помощью стандартной хромель алюмелевой термопары. Скорость деформации при растяжении є = 10_3 с" .
Погрешности при пятикратном повторении экспериментов не превышали для прочностных свойств ±3%, пластичности ±2%. Примерно такие же погрешности определения механических свойств металлов и сплавов отмечены и в других исследованиях [153, 154].
Анализ полученных данных (рис. 4.1., П. 1.2. - П. 1.5), показывает, что с повышением температуры нагрева образцов наблюдается вначале
При этом пластические свойства (5, Ч ) сталей и сплавов также изменяются весьма мало. При температурах 670 ч-920 К пластичность материалов проходит через минимум, причем интенсивность снижения и температура минимума пластичности зависит от жаропрочности сплава, степени его легированности, материала основы и т.д. [15, 84]. При дальнейшем повышении температуры нагрева наблюдается интенсивное снижение прочностных свойств при увеличении пластичности материала. Подобные изменения прочностных и пластических свойств с повышением температуры объясняются диффузионными процессами и структурно фазовыми изменениями, протекающими в сталях и сплавах при определенных гомологических температурах, названных температурами «провала» пластичности 0ПП [104].
Пластическая деформация, которая происходит при испытаниях на растяжение и сжатие, а также при механообработке, повышает скорость диффузионных процессов по границам зерен и создает искаженность кристаллической решетки, на которую накладываются процессы перестройки решетки при высокотемпературных структурно-фазовых изменениях [74]. Совокупность указанных процессов при 9ПП приводит к охрупчиваниюматериалов (провалу пластичности). Скорость деформации может незначительно изменять уровень пластичности и температуру его минимума, а также, в большей степени - прочностные свойства сталей и сплавов [104, 145].
Анализ литературных данных [82, 84] показывает, что при температурах структурно-фазовых превращений в приконтактных слоях обрабатываемого материала происходит резкое, аномальное изменение многих физических свойств (удельного электросопротивления, коэффициента линейного расширения, параметра кристаллической решетки и т.д.), причем максимум указанных изменений наблюдается при температурах ферромагнитной точки Кюри (9К=993 К) для жаропрочныхсплавов на никелевой основе, сс-Р превращений (Эа_р= 998 К) длятитановых сплавов, а - у превращений (9АС ) для сталей и др. [80].
Наличие значительного градиента температур в зоне резания и особенности суммирования температур на передней и задней поверхностях инструмента при определении средней температуры резания методом естественной термопары приводит к образованию аномальных температурных зон, в пределах которых ряд контактных характеристик (Ra, Pz, К hon и т.д.) изменяются не скачкообразно, а достаточно монотонно. В работах [122, 126] было показано, что в пределах этих температурных зон142наблюдается максимальная скорость (поток реакции) Jd превращениямеханической энергии в тепловую и диссипации ее в приконтактные слои стружки, как наиболее теплонагруженного элемента зоны резания. Резание с переменными скоростями и подачами (av, as) может увеличить область автомодельности этой гомологической температуры (0ПП, К АС —) поотношению к указанным элементам режима резания вследствие запаздывания температурных и деформационных процессов в зоне резания по отношению к скорости изменения v, S, t, как было установлено в гл. III.
Изучение закономерностей протекания и параметров контактных процессов (сил резания, характеристик деформации срезаемого слоя, удельных касательных и нормальных нагрузок на передней и задней поверхностях инструмента, электропроводимости контакта, характеристик адгезионного взаимодействия, диссипативных характеристик локального контакта и т.д.) имеет большое значение для реализации термодинамического подхода к оценке обрабатываемости металлов резанием, оптимизации и управления процессом лезвийной обработки.
Результаты исследований, приведенных ниже, позволяют численно оценить поведение диссипативных функций, входящих в критериальное уравнение энергетического баланса, представленное в главе П.
