АНАЛИЗ ПЛОСКОСТИ СДВИГА ПРИ СТРУЖКООБРАЗОВАНИИ В ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ. ЧАСТЬ I Текст научной статьи по специальности «Физика»

ЕТАПЛООБРАБОТК]

УДК 621.96

Анализ плоскости сдвига

при стружкообразовании в процессе резания.

Часть I

В. А. Ким, Б. Я. Мокрицкий, Ч. Ф. Якубов

Эффективность технологического процесса резания лезвийным инструментом во многом зависит от того, как и какие процессы протекают в зоне резания, в частности в плоскости сдвига. Характер деформационных процессов, протекающих в плоскости сдвига, определяет эффективность процесса стружкообразования, природу и уровень контактно-фрикционного взаимодействия. Управляя процессом стружкообразования, можно создавать условия для поддержания технологической системы резания в выгодном энергетическом и динамически устойчивом состоянии. Из-за нелинейного характера протекающих процессов возникает множество неустойчивых состояний, которые характеризуются определенным сочетанием уровня критических режимов резания, состоянием режущего инструмента.

Самоорганизация неустойчивых состояний неравновесной системы приводит к развитию диссипативных структур, которые повышают динамическую устойчивость самой системы. Функционирование диссипативных структур направлено на минимизацию поглощенной внутренней энергии и восстановление дисбаланса между внешним воздействием и тепловыми стоками.

В работе показано, что плоскость сдвига является упрощенным вариантом представления зоны активных деформационных процессов стружкообразования и выполняет важную функцию в синергетическом алгоритме процесса резания металлов. Граница зоны пластического сдвига определяется числовым комплексом, включающим модуль сдвига, потенциал пластической деформации и предел текучести. Положение плоскости сдвига зависит от режимов резания, физико-механических свойств обрабатываемого материала и его склонности к деформационному упрочнению, определяет усадку и тип стружки, а также обеспечивает минимальность энергетических затрат на деформационный процесс стружкообразования.

Ключевые слова: самоорганизация, диссипативные структуры, пластическая деформация.

Введение

Синергетический подход к анализу пластической деформации, сопутствующей процессу стружкообразования и контактно-фрикционному взаимодействию при резании металлов, позволяет развить имеющиеся представления о поведении плоскости резания и тем самым сформировать принципы управления поддержания технологической системы резания в наиболее выгодном энергетическом и динамически устойчивом состоянии. Те уровни деформации, которые имеют место при лезвий-

ной обработке металлов и сплавов, принято считать реализующимися в термодинамически открытых системах, а сами деформации принято считать протекающими при неравновесных условиях. Неравновесность возникает при дисбалансе между внешним энергетическим воздействием и тепловым стоком. При резании металлов степень неравновесности связана с деформационной генерацией дефектов кристаллического строения в обрабатываемом материале и контактных слоях режущего клина, которые являются аккумуляторами внутренней энергии. В открытой неравновес-

ной системе благодаря нелинейному характеру протекающих процессов возникает множество неустойчивых состояний, которые характеризуются определенным сочетанием уровня критических режимов резания, состоянием режущего инструмента, обрабатываемостью материалов и свойствами внешней технологической среды [1].

Самоорганизация неустойчивых состояний неравновесной системы приводит к развитию диссипативных структур, которые повышают динамическую устойчивость самой системы. Функционирование диссипативных структур направлено на минимизацию поглощенной внутренней энергии и восстановление дисбаланса между внешним воздействием и тепловыми стоками [2].

Технологическую систему резания можно условно разделить на три основные подсистемы, к которым относят область первичных пластических деформаций стружкообразова-ния, область вторичных пластических деформаций контактно-фрикционных процессов на передней и задней поверхностях режущего клина. Каждая подсистема характеризуется своим алгоритмом развития и функционирования диссипативных структур. Зная механизмы взаимодействия отдельных подсистем резания, можно управлять процессом самоорганизации, обеспечивая необходимый уровень надежности (работоспособности) режущего инструмента, качества и производительности механической обработки [3, 4].

Плоскость сдвига

как диссипативная структура

процесса стружкообразования

Пластическая деформация обрабатываемого материала при резании инициирует в разных структурах генерацию определенных дефектов кристаллического строения, их распространение под действием силовых и тепловых градиентов и формирование полей напряжений и деформаций в срезаемом слое. Указанные процессы носят динамически согласованный характер и протекают при неравновесных условиях.

Основными носителями пластической деформации на нано- и микромасштабном уровне

являются дислокации. Распределение источников дислокаций и активность деформационных процессов зависят от касательных напряжений и их ориентации относительно потенциальных кристаллографических плоскостей и направлений сдвига, обеспечивающих максимальное значение фактора Шмида [5].

Первоначально основные источники дислокаций возникают в тонком слое обрабатываемого материала, примыкающего к передней поверхности режущего клина на площадке, равной сечению срезаемой стружки. Этот слой первым подвергается пластической деформации сжатия. Большая часть дислокаций распространяется в объеме одного кристаллита, приводя к изменению формы зерна и локальной кривизны межзеренных границ. Только отдельные дислокации могут преодолевать границы зерен на участках с высокой степенью когерентности, а большая часть тормозится внутризеренной субструктурой и границами. По мере удаления дислокаций от источников их кинетическая энергия и скорость скольжения снижаются, в результате формируются поля напряжений и деформаций со своими градиентными соотношениями и искаженной решеточной и зеренной структурой. Чем больше количество препятствий, вызывающих торможение дислокаций, тем выше градиенты полей напряжений и деформаций.

Пластическая деформация твердого тела носит многоуровневый характер, при этом развитие деформационного процесса связано с последовательным его переходом с наномас-штабного уровня на микро-, а затем мезомас-штабный уровень [5]. Каждое отдельное зерно представляет собой кристаллит со своей индивидуальной кристаллографической ориентацией. Стремление деформируемой мезо-структуры к минимизации свободной энергии приводит к тому, что зерна совершают ротационные смещения, при этом потенциальные плоскости и направления сдвига в каждом зерне принимают такую ориентацию, при которой сумма их факторов Шмида достигает уровня, достаточного для реализации мезо-масштабной сдвиговой пластической деформации. Объем срезаемого слоя, в котором локализуются упорядоченные кристаллографические плоскости и направления сдвига с определенным значением фактора Шмида,

ШШШМБОТКА

представляет узкую зону. Такая зона сдвига объединяет зерна, у которых кристаллографические плоскости с максимальным фактором Шмида располагаются параллельно друг другу. Для каждого напряженно-деформированного состояния срезаемого слоя ориентация плоскостей сдвига, обеспечивающая максимальный фактор Шмида, принимает свое значение. Мысленно сужая эту зону до состояния плоскости, приходим к понятию, называемому в теории резания плоскостью сдвига, положение которой характеризуется углом сдвига. Ориентация в зоне сдвига кристаллографических плоскостей с максимальным фактором Шмида отдельных кристаллитов в общем случае не совпадает с мезомас-штабным углом сдвига стружкообразования.

Зона сдвига при резании металлов представляет мезомасштабную динамическую структуру, в которой протекают неравновесные деформационные процессы и структурные изменения. До зоны сдвига срезаемый слой сохраняет отдельные элементы исходной структуры, но после зоны сдвига срезаемый слой становится стружкой, структурная организация которой полностью теряет связь с исходным материалом.

Первичные и вторичные деформационные процессы при стружкообразовании вносят свой вклад в развитие единого поля напряжений и деформаций в обрабатываемом материале. Это объясняет влияние контактных процессов на передней и задней поверхностях режущего клина на ориентацию угла сдвига [1].

Пластическая деформация сопровождается деформационным упрочнением, приводящим к изменению механических и теплофизиче-ских свойств поликристаллических материалов. Деформационное упрочнение связано с торможением подвижных носителей пластической деформации, которые на каждом масштабном уровне реализуются через свои механизмы блокировки. В результате деформационного упрочнения обрабатываемого материала меняются кинетика стружкообразования, ориентация плоскости сдвига и динамика самого процесса резания. Разная степень деформационного упрочнения определяет различное положение плоскости сдвига. Учитывая, что процесс резания реализуется в неравновесной системе, одним из алгоритмов самоорганиза-

ции является адаптация положения плоскости сдвига к деформационному упрочнению срезаемого слоя, при котором обеспечиваются минимальная работа стружкообразования или мощность резания.

Работа а пластической деформации единичного объема срезаемого слоя включает упругую и пластичную составляющие:

а =

упр 2О

+ ё у

пл'

где О - модуль сдвига; тупр — предел упругости при сдвиге; ё — потенциал пластической деформации; упл — степень пластической деформации.

Потенциал пластической деформации не является константой материала, а его усредненное значение может быть определено по диаграмме касательных напряжений обрабатываемого материала:

1

упр

в

/ т(у) ¿у,

где тв и ув — напряжение и деформация, соответствующие пределу прочности; тупр и уупр — напряжения и деформация, соответствующие пределу упругости.

Полученная зависимость носит упрощенный характер, предполагая, что пластическая деформация намного превышает предельную упругую деформацию. Модуль сдвига и потенциал пластической деформации в пределах одного полиморфного состояния можно отнести к механическим константам, индивидуальным для каждого материала. Обрабатываемый материал подвергается деформационному упрочнению, поэтому предел упругости Тупр не является постоянной величиной и нелинейно связан со степенью пластической деформации.

В зоне активных сдвиговых процессов абсолютное значение атомарных смещений намного превышает параметр решетки. Это означает, что сдвиговые процессы стружкообра-зования реализуются в результате разрыва атомарных связей, смещения атомов относительно друг друга и частичного восстановления новых связей. Образующаяся при этом

т

МЕШПООБМБОТК|»

структура будет отличаться повышенной плотностью дефектов кристаллического строения на всех структурных масштабных уровнях.

В зоне активного сдвига свободная энергия (как работа а пластической деформации единичного объема срезаемого слоя) срезаемого слоя должна принимать максимальное значение, близкое к энтальпии плавления, т. е.

а =

упр 2£

+ В У п

max.

Тогда

йа = 0,

в раскрытом виде

2тупр(У)йТ

2О

+ вйу = 0,

или

йт

тупр( У) = - ВG,

окончательно получаем

9 (У) Тупр (У) = - ВО,

где 9(у) — модуль деформационного упрочнения.

Отрицательный знак в полученном соотношении указывает, что процессы пластической деформации стружкообразования протекают за счет сжимающих напряжений. Из этого выражения также следует, что условие активного пластического сдвига срезаемого слоя определяются двумя константами механических состояний обрабатываемого материала: модулем сдвига и потенциалом деформации.

Деформационное упрочнение с физической точки зрения связано с образованием различных барьеров, препятствующих перемещению носителей пластической деформации, при этом чем активнее торможение, тем меньше длина их свободного пробега. Следовательно, в материалах, обладающих высокой склонностью к деформационному упрочнению, развиваются поля напряжений и деформаций с более высокими градиентами.

С математической точки зрения модуль деформационного упрочнения и модуль пластич-

ности представляют одну и ту же величину, характеризующую в первом случае повышение сопротивляемости материала пластической деформации, а во втором — уровень напряжений, необходимый для пластической деформации [6]. Поэтому при анализе процессов пластического сдвига необходимо использовать понятие «модуль пластичности».

Деформируемый слой при резании представляет полигон наложенных друг на друга полей напряжений и деформаций со своими градиентными характеристиками, при этом модуль пластичности определяет пространственное положение границы распространения зоны сдвига. В пределах самой зоны активного сдвига выполняется условие: произведение модуля деформационного упрочнения 9(у) на деформацию Уупр, соответствующую пределу упругости, должно оставаться постоянным, т. е.

9( у)

тупр (У ) =

Величина этого произведения (константы) для каждого обрабатываемого материала должна принимать свое значение.

При высоком модуле пластичности обрабатываемого материала впереди режущего клина образуются поля деформаций и напряжений с повышенными градиентными характеристиками. В результате граница зоны активного сдвига будет располагаться ближе к передней поверхности режущего клина, а плоскость сдвига — ориентироваться под большим углом относительно вектора скорости резания.

Модуль пластичности можно представить как отношение градиентов напряжений и деформаций, т. е.

дт ,

дпйП _ grad(т)

йт =_=

йу ду , grad( у)' ^-ап дп

где п — направление, скорости резания. Из чего следует

grad(у) grad(т)

параллельное вектору

тупр(У)

ВО

ЕТАПЛООБРАБОТК]

Полученное уравнение определяет границу начала активного пластического сдвига в зоне первичных пластических деформаций стружки. Стремление работы или мощности стружкообразования к минимуму обеспечивается сужением зоны сдвига и стремлением угла сдвига относительно вектора скорости резания к определенному значению. С повышением предела упругости (с учетом деформационного упрочнения) положение границы начала пластического сдвига смещается ближе к передней поверхности режущего клина. При резании твердых материалов или материалов, склонных к деформационному упрочнению, угол сдвига принимает более высокие значения, а образующаяся стружка будет иметь меньшую усадку.

Плоскость сдвига

как фактор управления

процессом резания

На рисунке представлена связь между углом сдвига ^ и мощностью Рги процесса резания при точении титанового сплава ВТ22 и коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т. Угол сдвига рассчитывался по усадке стружки [7, 8]. Различные углы сдвига достигались изменением скорости резания, использованием различных технологических сред и углов режущего клина.

Отношение предела упругости к модулю сдвига титанового сплава ВТ22 составляет 0,031, а коррозионно-стойкой стали — 0,002 [9]. То есть начальная граница сдвигового процесса при стружкообразовании титанового сплава располагается ближе к передней поверхности режущего клина по сравнению с коррозионно-стойкой сталью. Это отражается на угле сдвига, который при стружкообра-зовании титанового сплава принимает большие значения, чем при точении коррозионно-стойкой стали.

Степень пластической деформации и усадка стружки связаны сложной экстремальной зависимостью, минимум которой наблюдается только при определенной усадке. Минимальный угол сдвига не всегда соответствует минимальной мощности резания, которая может быть достигнута за счет низкой

или скорости, или силы резания, поэтому минимальная мощность резания редко используется в качестве критерия оптимизации процесса резания.

Эффективным способом повышения обрабатываемости труднообрабатываемых материалов является резание с искусственным нагревом срезаемого слоя. Нагрев обеспечивается лазерным, плазменным или индукционным воздействием на заготовку впереди режущего клина, пропусканием электрического тока через зону резания и другими способами. Улучшение обрабатываемости достигается в этом случае за счет термического снижения прочностных свойств материала и деформационного изменения условий струж-кообразования.

Повышение температуры в зоне резания по-разному влияет на изменение прочностных и упругих свойств обрабатываемого материала. Температурные зависимости модуля сдвига и предела текучести имеют вид:

С = £0ехр (-0,04оТ); тт = Т0Т ехр (- РТ),

где о — коэффициент линейного расширения обрабатываемого материала; Р — коэффициент термического снижения предела текучести; &0 — модуль упругости; Т0т — предел текучести при нулевой температуре.

Коэффициент о принимает значения, гораздо меньше значений коэффициента Р, так как предел текучести линейно зависит от упругих

Рги, Вт

Влияние угла сдвига на мощность процесса резания: 1 — точение титанового сплава ВТ22; 2 — точение коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т

свойств материала и термической устойчивости дефектов кристаллического строения. Следовательно, при нагреве обрабатываемого материала в зоне резания происходит снижение градиентов напряжений и деформаций, отношения предела упругости к его модулю сдвига и потенциала деформации. Все это приводит к уменьшению угла сдвига, но к большей локализации самого сдвигового процесса стружкообразования.

Другим известным методом повышения обрабатываемости является резание с опережающим пластическим деформированием срезаемого слоя. Срезаемый слой впереди режущего клина подвергается пластической деформации путем обкатки роликом. Зона пластической деформации срезаемого слоя в этом случае подвергается более интенсивному сжатию, что повышает касательные напряжения, но снижает градиент самих напряжений. Повышение напряженного состояния обрабатываемого материала в зоне резания должно привести к незначительному снижению потенциала деформации. В результате угол сдвига увеличивается, а зона пластической деформации сдвига сужается, т. е. имеет место большая локализация.

Большая локализация сдвигового процесса как при искусственном нагреве, так и при опережающем пластическом деформировании заготовки приводит к снижению работы пластической деформации стружкообразования, облегчая сам процесс механической обработки.

Заключение

Плоскость сдвига является упрощенным вариантом представления зоны активных деформационных процессов стружкообразо-вания и выполняет важную функцию в си-

нергетическом алгоритме процесса резания металлов.

Граница зоны пластического сдвига определяется числовым комплексом, включающим модуль сдвига, потенциал пластической деформации и предел текучести.

Положение плоскости сдвига зависит от режимов резания, физико-механических свойств обрабатываемого материала и его склонности к деформационному упрочнению, определяет усадку и тип стружки, а также обеспечивает минимальность энергетических затрат на деформационный процесс стружкообразования.

Литература

1. Ким В. А., Якубов Ф. Я., Схиртладзе А. Г. Мезо-механика процессов контактного взаимодействия при трении и резании металлов. Ст. Оскол: Тонкие наукоемкие технологии, 2017. 244 с.

2. Синергетика и фракталы в материаловедении / В. С. Иванова, А. С. Баланкин, И. Ж. Бунин, А. А. Ок-согоев. М.: Наука, 1994. 383 с.

3. Зорев Н. Н. Вопросы механики процесса резания металлов. М.: Машгиз, 1959. 367 с.

4. Развитие науки о резании металлов /В. Ф. Бобров, Г. И. Грановский, Н. Н. Зорев, Т. Н. Лоладзе [и др.]. М.: Машиностроение, 1967. 416 с.

5. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: в 2 т. /В. Е Панин, В. Е. Его-рушкин, П. В. Макаров [и др.]. Новосибирск: Наука, 1995.

6. Фридман Я. Б. Механические свойства металлов. Изд. 3-е перераб. и доп: в 2 ч. Ч. 1. Деформация и разрушение. М.: Машиностроение, 1974. 472 с.

7. Куфарев Г. Л. Расчет величины относительного сдвига при резании металлов // Изв. Том. политехн. ин-та. 1959. Т. 96, № 1. С. 18-26.

8. Коврижных А. М. Определение угла сдвига, усилий и размеров скалываемых элементов при резании металлов // Прикладная механика и техническая физика. 2009. Т. 50, № 1. С. 177-186.

9. Титановые сплавы в конструкциях и производстве авиадвигателей и авиационно-космической техники / Б. А. Колачев, Ю. С. Елисеев, А. Г. Братухин, В. Д. Талалаев. М.: Изд-во МАИ, 2001. 412 с.