Экспериментальное обоснование термомеханической концепции сопротивления сталей большим пластическим деформациям Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 669.1

В. С. КУШНЕР М. Г. СТОРЧАК

Омский государственный технический университет

Штуттгартский университет

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ

ОБОСНОВАНИЕ

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ КОНЦЕПЦИИ СОПРОТИВЛЕНИЯ СТАЛЕЙ БОЛЬШИМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМАЦИЯМ_____________________________

Анализируются различные гипотезы, использовавшиеся для определения характеристик сопротивления сталей пластическим деформациям. Приведены результаты экспериментальной проверки этих гипотез. Обоснована необходимость использования характеристик сопротивления сталей большим пластическим деформациям, учитывающих взаимовлияние термомеханических факторов и соответствующих выравниванию интенсивностей деформационного упрочнения и температурного разупрочнения обрабатываемого материала.

Ключевые слова: стали, характеристики материалов, сопротивление деформациям.

1. Состояние вопроса и задачи исследования

Проблема выбора и обоснования модели сопротивления материалов большим пластическим деформациям имеет большое значение для условий деформирования, в которых температура, вызванная этими деформациями, может оказывать влияние на предел текучести материала. К технологическим способам, в которых осуществляются большие пластические деформации материала, способные привести к существенному повышению температуры, относится резание.

В отношении моделей и характеристик сопротивления материала деформациям при резании в настоящее время имеются различные точки зрения. Согласно одной из них, на предел текучести тТ материала влияет только деформация ер, причем зависимость тТ(ер) описывается степенной функцией [1]:

*- - А. (______!р_______1“ т

Т = р = ^3 ^1щ 1 + 8/100)0 . (1)

По другой версии сопротивление деформации при резании характеризуется касательным напряжением ту в условной плоскости сдвига, которое остается постоянным при изменении условий резания: ту = А [2].

Вышеупомянутые гипотезы ограничиваются рассмотрением закономерностей сопротивления материала пластическим деформациям только в зоне стружкообразования А (рис. 1).

Однако большие пластические деформации осуществляются и в застойных зонах Б и Г, а на участке пластического контакта деформации на порядок больше, чем в зоне стружкообразования, причем условия деформирования в этих зонах иные, чем в зоне стружкообразования.

С позиций термомеханической концепции сопротивления материалов, учитывающей влияние на предел текучести не только деформации, но скорости и температуры деформации, зависимости предела текучести от деформации тТ(ер) вследствие влияния температуры должны описываться выпуклыми кривыми [3], причем при выравнивании интенсивностей деформационного упрочнения и температурного разупрочнения материала предел текучести достигает максимума. Согласно этой концепции, изменение условий резания влияет на средние значения предела текучести в зоне стружкообразования А и в застойных зонах Б и Г, но не влияет на максимальный предел текучести. В связи с этим для определения характеристик сопротивления материалов большим пластическим деформациям целесообразно использовать условие максимума зависимостей тТ(ер).

Целью настоящей работы является экспериментальное обоснование термомеханического подхода к определению характеристик сопротивления материалов большим пластическим деформациям, осуществляющимся в зоне стружкообразования, а также в застойных зонах на передней и задней поверхностях.

2. Условия проведения опытов и экспериментальные результаты

Обрабатывались отожженные заготовки из стали 45 твердосплавными резцами при строгании на специальном строгальном станке и при точении на токарном обрабатывающем центре в лаборатории института металлорежущих станков Штутгартского университета. Силы резания измерялись динамометром фирмы «Кинцлер».

В опытах по ортогональному свободному строганию и точению с углом резца в плане ф = 90° измеря-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012

Рис. 1. Схема зоны деформации в плоскости стружкообразования при образовании сливной стружки:

А — зона стружкообразования, Б — застойная зона на передней поверхности,

Г — застойная зона на задней поверхности, В — зона пластических контактных деформаций на передней поверхности, Д — зона упруго-пластического контакта на задней поверхности,

Б, N — касательная и нормальная составляющие сил на передней поверхности,

Рт — составляющая сил на передней поверхности, касательная к условной плоскости сдвига,

N1 — касательная и нормальная составляющие сил на задней поверхности,

Ьз — ширина фаски износа задней поверхности, фу — угол наклона условной плоскости сдвига,

^ — проекция сил на передней поверхности на направление скорости резания,

Кп — проекция сил на передней поверхности на основную плоскость

Рис. 2. Зависимости сил резания от толщины срезаемого слоя при свободном ортогональном строгании резцами у=—20° и различных числах Ре (а) и от скорости резания при точении резцами с упрочняющей фаской и без фаски (б)

О Pz при Pe=40 и G= 8, , г=50 мкм д Pxy при Ре=40, gamma 8, г=50 мкм Д Pz при Ре=40, гамма 8, г=150мкм • Pxy при Ре=40, гамма 8, г=150 мкм

3000

2500

y2000

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4

Толина срезаемого слоя, мм

а) б)

Рис. 3. Зависимости сил от толщины срезаемого слоя при свободном ортогональном строгании (а) и при свободном ортогональном точении (б) резцами с различным округлением режущей кромки

Ширина фаски, мм

1700 1600 х 1500 ^ 1400

£ 1300

£ 1200 £ 1100 О 1000 900 800

0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20

Ширина фаски, мм

-0-Pz Pxy

а) б)

Рис. 4. Зависимости усадки стружки и сил резания от ширины фаски на передней поверхности при свободном ортогональном точении стали 45, а=0,2 мм, ^96 м/мин

лись проекции Pz и Px равнодействующей силы резания на технологические оси Z и X и усадка стружки.

Удельные касательные силы в зоне стружкообра-зования и на передней поверхности инструмента рассчитывались после исключения сил на задних поверхностях инструмента. Силы на задней поверхности резца определялись экстраполяцией на нулевую толщину срезаемого слоя зависимостей сил Pz и Px от толщины срезаемого слоя при постоянных значениях критерия Ре, что обеспечивало постоянство усадки стружки (рис. 2).

Число Ре в опытах изменялось от 20 до 80. С целью расширения диапазона изменения истинного сдвига и температуры деформации передний угол у изменялся от —20° до +20°. Высота hзз застойной зоны Г на задней поверхности регулировалась путем изменения радиуса округления режущей кромки (р = 30, 50 и 150 мкм) и ширины упрочняющей фаски / на передней поверхности (рис. 3).

^3=РЛ9(45°-У//2) + (^У-^У/). (2)

С целью анализа распределения касательных напряжений и определения удельной касательной силы

на участке пластического контакта стружки поставлены опыты с постепенным последовательным уменьшением ширины / фаски от 1,2 мм до 0,4 мм (рис. 4).

3. Анализ результатов эксперимента

Удельные касательные силы ту в условной плоскости сдвига определялись на основании известной [3] схемы сил (рис. 1) для зоны стружкообразования с единственной плоскостью сдвига.

Как показали выполненные на основании полученных экспериментальных результатов расчеты, при резании стали 45 зависимость удельных касательных сил ту в зоне стружкообразования может быть аппроксимирована выпуклой кривой (рис. 5).

Установлено, что удельные касательные силы на участке hзз застойной зоны Г, по своему уровню выше удельных касательных сил в зоне стружкообра-зования. Учитывая, что в застойных зонах Б и Г условия деформирования примерно одинаковые, можно предположить, что и на участке застойной зоны Б на передней поверхности удельные касательные силы также выше, чем в зоне стружкообразо-

І-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012

*

5 „ 700

81 ГО -

к ё 600

5? §

.0

£ 500

О. ❖ о\ V О ]

о

150 250 350 450 550 650 750 Температура, град. Ц

о Удельные касательные силы в плоскости стружкообразования □ Удельные касательные силы на задней поверхности застойной зоны

Рис. 5. Зависимости удельных касательных сил в зоне стружкообразования от температуры деформации и удельных касательных сил в застойной зоне Г от температуры режущей кромки при строгании и точении стали 45

3

I

с;

а

800

тао

600

500

400

300

200

130

о

1 о

\

\

■ >

ч с о

ч

3,3 3,1 3.2 3,3 0,4 ОД Э.в 0,7 0Я 3,9 1,0 1,1 1,2

ширина фаски, мм

О с^.эип

-----ЯТ, ТЕП-р. Ре=43. ;_=3

----С рЕДНИ Е \ДЕЛЬ НЬ ЄНІЇ НЭ ППЭ ЕГ1*1 ЕСКПМ уіВСТКЕ

Рис. 6. Сопоставление удельных касательных сил на участке упругого контакта (при сходе стружки по поверхности фаски), средних удельных сил на участке пластического контакта и предполагаемым распределением удельных касательных сил (напряжений)

Отношение удельных касательных сил

а б

Рис. 7. Зависимость отношения удельных сил д/ъу от температуры передней поверхности и усадки стружки £ от отношения др/су

вания. Это предположение согласуется с образованием нароста на режущем лезвии, срезающего стружку и, следовательно, имеющего более высокую твердость [4].

Удельная касательная силы на границе упругого и пластического участков контакта стружки с резцом определялась как максимальная удельная сила на упругом участке, соответствующая «опрокидыва-

нию» стружки при уменьшении ширины фаски, равна 400 МПа (рис. 6).

Среднее значение удельной касательной силы на участке пластического контакта несколько выше, чем на его границе с участком упругого контакта (»470 МПа). На участке застойной зоны вблизи режущей кромки удельные касательные силы еще выше (»700 МПа).

С целью проверки предположения о постоянстве касательных напряжений ту в зоне стружкообразо-вания и на передней поверхности др [4] по полученным экспериментальным результатам измерения сил резания и усадки стружки рассчитывались отношения qF/ту. Они сопоставлялись с расчетными температурами 0п передней поверхности и с экспериментально полученными значениями усадки стружки £ (рис. 7).

Как следует из рис. 7а, с увеличением средней температуры передней поверхности от 720 до 940 °С, которое соответствует увеличению критерия Ре от 20 до 80, отношение касательных напряжений qP /ту существенно уменьшается (от 0,58 до 0,33).

4. Заключение

Выполненные экспериментальные исследования доказывают, что удельные касательные силы в зоне стружкообразования и на передней поверхности инструмента, а также их отношение, не остаются постоянными, а изменяются при изменении условий резания. В связи с этим удельные касательные силы (или напряжения) в зоне стружкообразования и на передней поверхности инструмента нецелесообразно использовать в качестве характеристик сопротивления материалов пластическим деформациям при резании.

Установлено, что на участке застойной зоны, прилегающей к линии срезаемого слоя, предел текучести достигает более высоких значений, чем удельные касательные силы в зоне стружкообразования. Это также свидетельствует о том, что предел текучести материала на передней поверхности достигает вблизи режущей кромки столь же высоких значений, как и на задней поверхности застойной зоны.

Полученные экспериментальные данные о высоких значениях предела текучести на участке застойной зоны вблизи линии среза доказывают необходимость учета источника теплоты на этом участке при расчете температуры на задней поверхности режущего лезвия.

Согласно полученным результатам, распределение предела текучести по длине пластического кон-

такта стружки с резцом не может быть принято равномерным. В начале участка пластического контакта имеет место наибольшее уменьшение предела текучести, что соответствует наибольшему росту температуры [3]. Более пологое распределение предела текучести на основном участке пластического контакта согласуется с соответствующим более равномерным распределением температуры на этом участке [3].

Неоднородность распределения температуры в зоне деформации вызывает соответствующие изменения удельных касательных сил, которые, в свою очередь, вызывают изменения наклона зоны стружкообразования, усадки стружки, длины контакта стружки с резцом, соответствующих условиям равновесия и минимуму мощности.

Библиографический список

1. Малинин, Н. Н. Прикладная теория пластичности и ползучести : учебник для студентов вузов / Н. Н. Малинин. — Изд. 2-е, перераб. и доп. — М. : Машиностроение, 1975. — 400 с.

2. Развитие науки о резании металлов / В. Ф. Бобров [и др.] ; под ред Н. Н. Зорева. —М. : Машиностроение, 1967. — 415 с.

3. Верещака, А. С. Резание материалов : учебник / А. С. Верещака, В. С. Кушнер. — М. : Высш. шк., 2009. — 535 с.

4. Зорев, Н. Н. Вопросы механики процесса резания металлов / Н. Н. Зорев. —М. : Машгиз, 1956. — 368 с.

КУШНЕР Валерий Семёнович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор, заведующий кафедрой «Материаловедение и технология конструкционных материалов» Омского государственного технического университета.

СТОРЧАК Михаил Григорьевич, доктор технических наук (Федеративная Республика Германия), научный сотрудник института металлорежущих станков Штуттгартского университета.

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 15.12.2011 г.

© В. С. Кушнер, М. Г. Сторчак

Книжная полка

Коршак, А. А. Обслуживание и ремонт оборудования насосных и компрессорных станций [Текст] : учеб. пособие / А. А. Коршак, В. А. Бикинеев. - Уфа : ДизайнПолиграфСервис, 2008. -150 с. - ISBN 978-5-94423-160-4.

Рассмотрены виды износа оборудования, основы теории надежности, а также типичные дефекты (отказы) и методы ремонта насосов, резервуаров, нагнетателей газа, запорной арматуры и другого оборудования.

Бочаров, Ю. А. Кузнечно-штамповочное оборудование [Текст] : учеб. для вузов по направлению подгот. «Машиностроительные технологии и оборудование» и специальности «Машины и технология обработки металлов давлением» / Ю. А. Бочаров. - М. : Академия, 2008. - 479 с. -ISBN 978-5-7695-3746-2

Приведены основные сведения по проектированию, математическому моделированию, методам расчета, конструирования, испытания, управления и диагностики кузнечно-штамповочных машин. Рассмотрены современные конструкции гидравлических, винтовых, кривошипных прессов и автоматов, пневматических, паровоздушных и гидравлических молотов, ротационных, радиально-обжимных и роторных машин, вибрационных, электрогидравлических, магнитно-импульсных и других импульсных машин и установок.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ