CC BY
2
ЕТАПЛООБРАБОТК]
УДК 621.96
Анализ плоскости сдвига
при стружкообразовании в процессе резания.
Часть II
В. А. Ким, Б. Я. Мокрицкий, Ч. Ф. Якубов
Изложена гипотеза о том, что система резания для реализации эффективного процесса стружкообразо-вания требует такой же интенсивности работы пластической деформации, что и для сдвига в упрочненном материале, однако геометрия зоны деформации должна измениться так, чтобы обеспечить сдвиг материала при пределе текучести на сдвиг в области неупрочненного (или менее упрочненного) материала. Установлено, что: 1) стружкообразование является неустойчивым процессом, поскольку деформационное упрочнение обусловливает сдвиг не по одной постоянной плоскости сдвига, а по разным плоскостям в пределах возможного диапазона изменения угла сдвига как параметра адаптации технологической системы резания с максимальным стремлением к устойчивости стружкообразования; 2) возможность наименьшего кинематического непостоянства стружкообразования характерна для малых положительных передних углов резания, что совпадает с рекомендациями исследователей по выбору переднего угла для резания с минимальной интенсивностью износа и обеспечением сливной стружки. Чем больше деформационное упрочнение, тем больше минимальный диапазон изменения угла наклона плоскости сдвига; 3) при отрицательных передних углах резания возможности системы резания осуществлять адаптацию изменением плоскости сдвига ограничены.
Ключевые слова: самоорганизация стружкообразования, изменение положения и длины плоскости сдвига при резании.
Введение
Технологическая система механической обработки (система СПИД) является динамической, в качестве замыкающего звена в нее входит подсистема резания. Она генерирует возмущающие воздействия, считается основной причиной нелинейности протекающих процессов и может приводить всю технологическую систему в состояние неравновесности. Технологическая система СПИД по реакции на возмущающие воздействия и характеру траекторий движения входящих в нее элементов (распределенных масс) может быть устойчивой или неустойчивой. В условиях неравновесности и нелинейности технологическая система СПИД развивается по синергетиче-скому алгоритму, связанному с образованием
диссипативных структур и переходом всей системы в динамически равновесное состояние.
Динамическая равновесность ассоциируется с понятием порядка, а отсутствие такового — с хаосом. Эти два взаимно исключающих состояния представляются в виде нелинейных многомерных функций в пространственно-временных координатах, математическое описание которых является основой для разработки алгоритмов управления, обеспечения качества и производительности механической обработки.
Первопричиной порядка и хаоса технологической системы механической обработки является процесс резания — источник всех динамических возмущений, который представляет самостоятельную неравновесную подсистему со своим синергетическим алгоритмом
МЕШПООБМБОТК|»
развития. Квазистационарное состояние подсистемы резания рассматривается как устойчивость (или порядок), когда происходят стабилизация силовых и температурных параметров процесса резания и минимизация скорости изнашивания режущего инструмента или протекание всех выше указанных процессов по детерминированным законам. Обеспечение квазистационарного состояния процесса резания является наиболее важным алгоритмом управления всей механической обработкой.
Плоскость сдвига
как фактор динамического возмущения и технологической наследственности процесса механической обработки
Пространственная область реализации процесса резания представляет замыкающее звено, встроенное в обобщенную технологическую систему механической обработки [10]. Изменение условий резания влияет на характер развития напряженно-деформационных полей стружкообразования и контактно-фрикционного взаимодействия, а это создает динамические возмущения, которые отражаются на кинетике всей технологической системы
механической обработки. В динамике возмущений, инициированных процессом резания, можно выделить детерминированные и стохастические компоненты, которые приводят всю технологическую систему механической обработки к нелинейности и неравновесности.
В статье представлены результаты исследований влияния импульсного изменения силы резания на динамику процесса стружкообра-зования, интегральным параметром которого является ширина и ориентация плоскости сдвига. Динамическое возмущение силовых условий процесса резания обеспечивалось срезанием ступенчатого припуска при точении цилиндрической заготовки с кольцевым выступом определенной геометрии (рис. 1).
Пусть начальная плоскость сдвига при стружкообразовании проходит через точки О и А и наклонена к вектору скорости резания под углом который может быть определен по усадке стружки. На пути резания ОО' значение угла сдвига ^ будет постоянным, так как на этом участке условия резания не меняются. В следующий момент времени глубина резания возрастает за счет скачкообразного увеличения припуска на величину СД, и это приводит к изменению длины и угла ориентации плоскости сдвига (ОО' > ОА). Инерционность процес-
а)
К F
А Д Т
Ч
О" О'
б)
F
г)
Рис. 1. Схема срезания ступенчатого припуска: а — общая схема; б—д — этапы срезания припуска
ШШШМБОТКА
сов, сопутствующих пластической деформации стружкообразования, приводит к запаздыванию в развитии полей напряжений относительно динамики изменения полей деформаций, поэтому в течение некоторого времени (на участке О'О" пути резания) срезаемый объем подвергается особым условиям деформации, которые характеризуются увеличением длины плоскости сдвига и изменением угла ее ориентации. Первоначальный угол сдвига равен а по завершении переходного процесса он принимает значение Заштрихованный участок на длине О'О" соответствует переходному периоду или периоду запаздывания сдвигового процесса.
При прохождении наружной области плоскости сдвига точки Е глубина резания скачкообразно уменьшается на величину ЕЕ, и это приводит к изменению размера самой плоскости сдвига и ее угла ориентации.
Исходя из синергетических представлений процесса стружкообразования увеличение работы пластической деформации при резании приводит к повышению угла сдвига относительно вектора скорости резания. Увеличение угла сдвига при повышении длины плоскости сдвига можно также объяснить исходя из общего принципа наименьшего действия. Минимальная работа стружкообразования происходит при минимальной ширине плоскости сдвига. Если плоскость сдвига увеличивается за счет изменения толщины снимаемого слоя, то минимальная ширина плоскости сдвига обеспечивается за счет увеличения угла наклона плоскости сдвига относительно вектора скорости резания.
Работа сдвиговой деформации вдоль плоскости сдвига может быть представлена зависимостью
или
Асдв = TS^Bv cos v,
(1)
где т — касательные напряжения в плоскости сдвига; 5сдв — площадь плоскости сдвига; ^ — угол наклона плоскости сдвига относительно вектора скорости резания; V — скорость резания.
Синергетический алгоритм предполагает стремление работы деформации к минимуму, а это означает
dAсдв = 0 (2)
т cos V • dSc^ - т S^Bи sin V • dv = 0, (3) откуда следует
dS
сдв
S
= tgv • dy.
(4)
сдв
Окончательно получим
1
ln S„_B = lnsec y = ln—±—, (5)
сдв cos V
т. е. при увеличении площади плоскости сдвига угол сдвига увеличивается.
Для анализа характера изменения угла ^ наклона и длины плоскости сдвига рассмотрим более подробно кинематику этого процесса (рис. 1, б—д). Пусть в некоторый момент времени (рис. 1, б) процесс стружкообразова-ния изменяется из-за «приближения» плоскости сдвига к точке С начала ступенчатого припуска. Согласно синергетическим представлениям о процессе резания (см. часть I статьи) процессы, протекающие в контактных зонах, обязаны самоорганизоваться для обеспечения сдвига с наименьшей затратой энергии (работы). Это отразится на положении плоскости сдвига, т. е. она расположится под другим углом сдвига который может быть больше или меньше его прежней величины Еще через некоторый момент времени (рис. 1, в) условия нагружения опять изменятся существенно и геометрическое местоположение плоскости сдвига, основанное на обыденном представлении постоянства ее положения, представим под некоторым текущим значением угла ^ сдвига, отличного от углов ^ и При этом можно предположить, что плоскость сдвига физически не имела возможности из точки О «пройти» в точку Д. Следовательно, плоскость сдвига могла из точки О реализоваться только в точку А (рис. 1, г) путем изменения угла ее наклона (^2 больше и увеличения длины плоскости сдвига (ОА' больше ОА). Таким образом, процесс стружкообразования мог продолжаться до следующего момента времени (рис. 1, д), когда точка А «дойдет» до точки Е, с которой начинается ступенчатое уменьшение толщины
МЕШПООБМБОТК|»
припуска до точки В этот момент времени исходя из тех же синергетических представлений плоскость сдвига обязана будет реализоваться по линии ОЕ, т. е. опять изменятся и угол наклона плоскости сдвига, и протяженность этой плоскости. Такие изменения обязаны происходить мгновенно из-за стремления технологической системы резания занимать энергетически выгодное динамическое состояние, т. е. изменять упорядоченное состояние в состояние хаоса и наоборот.
Данные исследования [10, 11] позволяют заключить, что плоскость сдвига является, в том числе, тем параметром процесса формообразования детали, который определяет механизм наследственности формы детали от формы заготовки.
На рис. 2 представлена зависимость отклонения (погрешности обработки как траектории движения вершины О резца за пределами линии ООО") высоты ступени припуска и угла подъема стороны припуска (на рис. 1 угол подъема ступени равен 90°, т. е. ступень прямоугольная, но входная сторона ступени была выполнена с большими углами наклона, равными 135° и 150 °). Анализируя результаты, можно видеть, что условия деформации металла, обусловленные характером изменения припуска и протяженности плоскости сдвига, прямым образом влияют на характер искажения обрабатываемой поверхности.
Основная гипотеза изложенных представлений основана на том, что система резания для реализации эффективного процесса
§
к §
ф
н и
щ
и
о
Ц
к
Ен
о
30
20-
стружкообразования требует такой же интенсивности работы пластической деформации, какая необходима для сдвига в упрочненном материале, однако геометрия зоны деформации для этого должна измениться на столько и так, чтобы обеспечить сдвиг материала при пределе текучести на сдвиг атс в области неупрочненного (или менее упрочненного) материала. Иначе говоря, плоскость сдвига самоорганизуется там, т. е. при таком угле ее наклона и протяженности, где это требует меньшей работы (меньшей мощности).
Согласно этой гипотезе [11, 12] можно записать условие сдвига при минимальной мощности N
V
( N )г
= а.
' у / Ш1П о соб а
соб (у I - а) б1п у
+ v), (6)
где у^ — значение угла сдвига в области от У1 до у', при котором реализуется сдвиг; ¿1 — глубина резания; ¿с ^ — толщина стружки, соответствующая значению у^ угла сдвига.
Второе слагаемое ЩЕт, V) в уравнении учитывает зависимость мощности от силы трения
в плоскости сдвига и скорости резания V и введено из феноменологических соображений.
Оценить условия по формуле (6) на этом этапе затруднительно из-за отсутствия в литературе четких рекомендаций по величинам атс и а для большинства обрабатываемых конструкционных материалов. Но они имеются (и точно совпадают у различных исследователей) для чистых металлов. Так, для условий обработки чистой отожженной меди атс = 40 МПа с передним углом а = 5°, единичной шириной резания 1 мм, единичной скоростью резания 1 м/с, глубиной резания 0,1 мм деформационное упрочнение достигает 3,3 (т. е. а = 132 МПа). Использование упрощенной общепринятой формулы определения угла у сдвига
10--
2 3 4 5
Высота ступени, мм
Рис. 2. Зависимость «наследственной» погрешности от высоты ступени срезаемого припуска при углах подъема стороны ступени: 1 — 90°; 2 — 135°; 3 — 150°
у = 45° + а/2
(7)
показывает, что сдвиг осуществляется при у = 47°30'. Подставив эти значения в уравнение (6), получаем минимальную мощность деформационного сдвига при этих условиях
ШШШМБОТКА
-15
15 Передний угол 1,
Рис. 3. Зависимость диапазона изменения (уменьшения) угла наклона плоскости сдвига от переднего угла при различных значениях параметра к, характеризующего степень деформационного упрочнения
обработки меди: N ~ 25 Вт. Приняв эту мощность как известную, можно рассчитать (формулы даны далее) текущее значение ^ угла сдвига, в котором деформационный сдвиг мог осуществиться при той же мощности. Расчет показывает, что это возможно при ^ = 10 °.
На основе баланса энергии [уравнение (6)] можно по наименьшей мощности (интенсивности работы пластической деформации) записать условие непостоянства процесса струж-кообразования при потреблении равной мощности в различных плоскостях сдвига:
а
cos а
cos(^-a) sin ^
cos а
t1tc i
cos(^¿ - a) sin ^i
, (7)
где левая часть уравнения — энергия производства сдвига в области упрочненного материала; правая часть уравнения — энергия производства сдвига в области неупрочненного материала; знак = указывает на возможность равенства этих энергий; знак ^ указывает на стремление системы резания к занятию более выгодных условий совершения работы сдвига в области неупрочненного материала.
Приняв ^ = 45° + а/2 и произведя сокращения на основе уравнения (3), получаем формулу
A¥i =
arcsin {k [cos (45° + a/2) sin (45° + a/2)] -
- sin a} - a
(8)
для расчета диапазона изменеия угла ^ наклона плоскости сдвига в область неупрочнен-ного материала по гипотезе равенства мощности сдвига, где к = атс /а — параметр, характеризующий деформационное упрочнение как отношение предела текучести при сдвиге в исходном состоянии материала к прочности на сдвиг упрочненного материала, т. е. величина, обратная величине деформационного упрочнения.
Формула (8) упрощена — в ней нет зависимостей, имеющих место при учете сил трения, скорости резания, температуры. Она иллюстрирована на рис. 3.
Его анализ показывает следующее.
1. В области положительных передних углов диапазон изменения Д^ угла сдвига по отношению к общепринятому максимален и до 2 раз превышает диапазон для отрицательных значений передних углов.
2. В области отрицательных передних углов диапазон изменения угла сдвига практически постоянен для различных а, что, очевидно, связано с тем, что при отрицательном переднем угле угол сдвига ^ и так более повернут в сторону его уменьшения из-за изменения геометрии и расположения зоны первичной деформации.
3. Чем больше деформационное упрочнение (при к = 0,167 оно равно 6, при к = 0,5 оно равно 2), тем больше диапазон изменения угла сдвига при положительных перед-
них углах и тем меньше при отрицательных передних углах.
4. Минимальный диапазон изменения угла АуШ1П наклона плоскости сдвига для рассматриваемых значений деформационного упрочнения лежит в области 0-7° малых положительных передних углов резания.
На основе рассмотренных явлений предложена [12] модель динамического непостоянства процесса стружкообразования при адаптации системы резания за счет положения плоскости сдвига при стремлении системы к минимальному уровню неустойчивости. Гипотеза основана на неустойчивости сдвиговой деформации при пластическом (точнее сказать — при термопластическом) деформационном упрочнении. Действительно, до тех пор, пока материал благодаря своей сдвиговой прочности может выдержать касательные напряжения сдвига в зоне деформации, он остается пластически (термопластически) устойчивым. По мере роста напряжений деформация материала будет возрастать. Таким образом, деформация металла устойчива, если скорость изменения сдвиговой прочности превышает скорость изменения напряжений:
dаc > сО_ dт Ст
(9)
Условие (9) справедливо при одинаковом направлении скоростей (градиентов) изменения прочности и напряжения. Однако прочность является таким свойством материала, которое неадекватно изменяется в зависимости от температуры, значения деформации, скорости деформации, структуры материала. Следовательно, материал станет пластически (термопластически) неустойчивым и подвержен сдвигу в той плоскости (сдвиговом направлении), где образуется неустойчивое соотношение скоростей изменения сдвиговой прочности и изменения напряжения и действительное напряжение будет определяться остаточной снизившейся прочностью материала.
Заключение
1. Стружкообразование является неустойчивым процессом, и причиной его динамического непостоянства является то, что дефор-
мационное упрочнение обусловливает сдвиг не по одной постоянной плоскости сдвига, а по разным плоскостям в пределах возможного диапазона изменения Ау1 угла сдвига как параметра адаптации технологической системы резания с максимальным стремлением к устойчивости стружкообразования.
2. Возможность наименьшего кинематического непостоянства стружкообразования характерна для малых положительных передних углов резания, что совпадает с рекомендациями исследователей по выбору переднего угла для резания с минимальной интенсивностью износа и обеспечением сливной стружки. Причем чем больше деформационное упрочнение, тем больше минимальный диапазон изменения угла АуШ1П наклона плоскости сдвига.
3. При отрицательных передних углах резания возможности системы резания осуществлять адаптацию изменением плоскости сдвига ограничены.
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, Сибирская издательская фирма РАН, 1995. Т. 1.
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. Ч. 2. 298 с. Т. 2. 320 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 технике / Б. А. Колачев, Ю. С. Елисеев, А. Г. Братухин, В. Д. Та-лалаев. М.: Изд-во МАИ, 2001. 412 с.
Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj
10. Мокрицкий Б. Я., Шпилёв А. М. Методология и концепция проектирования эффективного технологического процесса изготовления металлорежущего инструмента под заданные условия его эксплуатации // СТИН. 2012. № 6. С. 12-19.
11. Исследование работоспособности инструмента в условиях нестационарного напряженного состояния / Б. Я. Мокрицкий, П. А. Саблин, М. А. Козлова [и др.] // Инновационные материалы и технологии: достижения, проблемы, решения. Школа-семинар по фундаменталь-
ным основам создания инновационных материалов и технологий: материалы Международной науч.-техн. конф. Комсомольск-на-Амуре, 21-22 июня 2013 г.: в 2 ч. Ч. 2 / Редкол.: А. М. Шпилёв (отв. ред.) [и др.]. Комсомольск-на-Амуре : ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», 2013. С. 180-195 372.
12. Мокрицкий Б. Я., Саблин П. А., Киричек А. В. Исследование динамических аспектов технологической системы резания // Прогрессивные машиностроительные технологии, оборудование и инструмент. Т. 1. М.: Спектр. С. 168-227.
АО «Издательство „Политехника"» предлагает:
Свешников В. К. Станочные гидроприводы: справ. — 6-е изд., пере-раб. и доп. — СПб.: Политехника, 2015. — 627 с.: ил. ISBN 978-5-7325-1057-7
Цена: 550 руб.
Книга продается только в электронном виде!
Рассматривается информация, необходимая для проектирования и эксплуатации гидрооборудования. Приведены конструкции, параметры и размеры гидрооборудования главным образом стационарных машин, в том числе насосов, объемных гидродвигателей, гидроаппаратов, фильтров, аккумуляторов, теплообменников, приборов и сопутствующих элементов. Излагаются основы проектирования и расчета гидросистем, их монтажа и эксплуатации, тенденции развития гидрооборудования мировых лидеров, а также основополагающие отечественные стандарты и стандарты ИСО; приведены характеристики минеральных масел, размеры специальных резьб, путеводитель по интернету.
В 6-м издании (5-е изд. 2008 г.) существенно расширены сведения об импортной гидравлике, в том числе об инновационных изделиях, отсутствующих в отечественной номенклатуре. По каждому из компонентов приведены полные технические данные аналогов, выпускаемых зарубежными фирмами, признанными на российском рынке, включая основные параметры, габаритные и присоединительные размеры, расшифровки кодовых обозначений и особенности эксплуатации. Подробно описаны современные насосы и гидродвигатели, аппаратура ввертного монтажа, аппараты связи с электронными системами управления, приборы и др. Особое внимание уделено проблеме энергосбережения. В справочнике отражен современный мировой уровень развития промышленных гидроприводов.
Для инженеров-конструкторов, специалистов в области гидроприводов и обслуживающего персонала гидрооборудования стационарных машин и станков, преподавателей и студентов втузов.
Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 312-57-68, тел./факсу: (812) 312-44-95, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru
