CC BY
95
Рис. 6. Влияние длины контакта по передней поверхности резца на температуру резания
Выводы
Как показали результаты компьютерного моделирования, наибольшее влияние на температуру в зоне резания оказывают следующие факторы: элементы режима резания (V, 0, теплофизические характеристики обрабатываемого материала (ю, Я), главный угол в плане ф, тангенциальная и радиальная составляющие силы резания ^^у). При изменении скорости резания в два раза температура резания изменяется на 49 %; аналогичное изменение глубины резания дает температурный отклик 98 %■ При изменении коэффициентов температуропроводности и теплопроводности обрабатываемого материала в два раза температура резания изменяется на 55 и 98 % соответственно. Изменение на 100 % тангенциальной и радиальной составляющих силы резания вызывают температурный отклик 58 и 34 % соответственно. Изменение угла в плане в два раза температура резания изменяется на 52 %■
Наименьше влияние из исследуемых параметров оказывают предел прочности обрабатываемого материала (ст„) и осевая составляющая силы резания (PI), температурный отклик 4 и 8 % соответственно, при изменении данных параметров в два раза. При изменении остальных параметров (Яр, у, S, ^ 4) на 100 % температура резания меняется в пределах 10...28 %■
Работа выполнена в рамках гранта Президента Российской Федерации для поддержки молодых российских ученых МК-3997.2004.8.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 2.
1. Пушных В.А., Бибик В.Л. Сравнение двух методов расчета температуры резания // Известия Томского политехнического университета. - 2004. - Т. 307. - № 3. - С. 102-104.
Резников А.Н. Теплофизика резания. - М.: Машиностроение, 1969. - 288 с.
УДК 539.375
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛАСТИН И ОБОЛОЧЕК МАЛОЙ ТОЛЩИНЫ
А.С. Соляник, К.В. Щедривый
Томский политехнический университет E-mail: Kosimm@mail.ru
Приведена методика испытаний металлических пластин малой толщины на трещиностойкость. Показаны особенности таких испытаний, среди которых возникновение короблений в местах закрепления пластин, появление гофр из-за потери устойчивости при внецентренном нагружении. Указаны пути устранения этих недостатков с помощью специальной оснастки. Испытания по предложенной методике позволяют сделать рекомендации по технологии и выбору сталей при создании клапанных лент.
Проблемы механики разрушения изделий из металлов при наличии трещин до сих пор до конца не решены. Наибольший интерес отечественных исследователей к этой проблеме пришелся на 70-80 гг. прошлого столетия [1-3]. Интенсивные поиски ответа на поведение трещин в металле зару-
бежных исследователей привели к появлению Американского и Британского стандартов испытаний на трещиностойкость. В СССР таким результатом явилось появление методики испытаний на вязкость разрушения (трещиностойкость) при статическом [4] и динамическом [5] нагружении. Одна-
ко в 2005 г. они были отменены без замены [6]. В инженерной практике и в исследовательских целях остаётся необходимость оценки прочности и долговечности изделий при наличии трещин. Поэтому дальнейшая наработка опыта механических испытаний на трещиностойкость, их совершенствование являются актуальными.
При экспериментальном определении характеристик трещиностойкости необходимо обеспечить решение нескольких задач:
1. Выбрать наиболее рациональную форму образца.
2. Создать искусственную усталостную трещину.
3. Обеспечить необходимую точность регистрации длины усталостной трещины и нагрузки в процессе испытания.
4. Провести испытания на вязкость разрушения с записью диаграммы нагружения.
5. По диаграмме достоверно количественно определить значения расчетных параметров и подсчитать характеристики трещиностойкости. Выбор формы образца часто предопределяется
исходным ассортиментом исследуемого металла (пруток, плита, лист, полоса и т.д.). Настоящая методика предназначена для определения характеристик трещиностойкости применительно к листовому металлу, лентам, оболочкам малой толщины. Ориентируясь на клапанную ленту, был выбран плоский образец с центральными отверстиями длиной 250 мм соответствующих поперечных размеров с предварительно прорезанным надрезом с одной стороны и искусственно выращенной усталостной трещиной, рис. 1.
Отверстия для базирования образцов в захватах испытательной машины просекали с помощью просечного штампа.
Наличие центральных отверстий в образце было вызвано тем, что при нагружении образца без отверстия зажатого в плоских захватах испытательной машины привело к проскальзыванию и перекосу образца относительно оси нагружения, что недопустимо. Нагружение тонких образцов осевой силой с центральными отверстиями выявило еще один недостаток - коробление образца в месте закрепления, рис. 2.
2 агп5 010 ■I о , 0.5 5 г-ф -
2 эО
Рис. 1. Эскиз образца для испытания на трещиностойкость
> > > > > >
ватыI машины; 2) вилка; 3) палец; 4) образец
Для устранения этого эффекта было разработано приспособление, рис. 3. Для закрепления на болт - 1 надевается втулка - 2. Болт и втулка вставляются в проушину вилки - 3, одновременно болт пропускается в базирующее отверстие образца - 4 и вторую такую же втулку - 2. На болт навинчивается и затягивается гайка - 5. Вилка - 3 закрепляется в захватах машины с помощью плоских сухарей - 6. Также крепится другой конец образца. За счет стяжки гаек - 5 втулки - 2 прилегают к боковым поверхностям образца, т.е. базирование образца происходит по кольцевой поверхности контакта втулок с образцом. Эти же поверхности в основном и передают усилие растяжения образца. Это исключило коробление пластины в месте захвата при нагружении образца. Подвижная посадка втулок в отверстиях вилки позволила самоустанавливаться образцу в плоскости пластины, а в перпендикулярной плоскости малая погрешность обеспечена технологией изготовления
Рис. 3. Схема приспособления для установки образцов малой толщины: 1) болт; 2) втулка; 3) вилка; 4) образец; 5) гайка; 6) захваты; 7) магнит
втулок и жестким допуском на неперпендикулярность торцев втулки относительно ее отверстия.
При нагружении широких тонких пластин по несимметричной схеме (внецентренное растяжение) наблюдалась потеря устойчивости (в виде появления гофр), которая не зависела от способа крепления и базирования образца. При наличии концентратора напряжений в виде трещины потеря устойчивости может исказить перемещение точек крепления датчика, следящего за раскрытием трещины, и в конечном итоге отразится на диаграмме «Усилие - Раскрытие трещины Р-У». Гофрирование удалось устранить установкой двух малогабаритных, но мощных магнитов - 7. Усилие сдвига пластины по поверхности магнита пренебрежимо мало по сравнению с нагрузкой на образец и практически не влияет на результаты испытания, а значительное усилие постоянных магнитов в нормальном направлении плоскости образцов позволило не допустить потерю устойчивости образца. При сравнительных испытаниях это тем более не влияет на конечный результат оценки трещиностойкости металлов.
Перед созданием усталостной трещины в поперечном направлении образца алмазным кругом толщиной 2 мм делали прорезь, затем алмазным кругом толщиной 0,5 мм с заточкой под углом 30° прорезь удлиняли, что в процессе усталостного нагружения создавало условия быстрейшего появления трещины. Так как образцы имели малую толщину, то для выращивания усталостной трещины их комплектовали в пакеты. Пластины в пакете стягивали с помощью планок и болтов. По схеме трехточечного изгиба пакет, как брусок, нагружали переменными нагрузками. Число циклов нагружении при создании усталостной трещины должно быть не менее 5.104.
Если это условие не выполняется, значит в вершине трещины не выполнено условие [6]:
к^ < 0,6к1с,
где К™ - коэффициент интенсивности напряжений при максимальном усилии циклического на-гружения; Х1с - критическое значение коэффициента интенсивности напряжений при максимальном стеснении пластических деформаций.
Усталостные трещины в каждом образце пакета развиваются самостоятельно и скорость их роста различная. Поэтому трещины выращивали не на всю длину (требуемая длина /=0,5Ь), а на 0,4Ь, замеренной по боковым пластинам в пакете. Аналогично нагружали другие пакеты одной марки стали. Затем пакеты разбирали, образцы с одной длиной трещины, но меньшей требуемой, собирали в новые бруски и трещину доращивали. Длину трещины измеряли на инструментальном микроскопе. В некоторых образцах направление развития трещины отклонялось от нормального к продольной оси. Такие образцы в дальнейшем исключали из опытов или использовали при настройке машины и аппаратуры в пробных испытаниях. Результаты этих пробных испытаний в оценку трещиностойкости не включали.
Для проведения испытаний на трещиностой-кость при статическом нагружении использовали машину 2БМ-10. Во время испытаний автоматически записывали диаграмму «Усилие - Раскрытие трещины Р-У» с помощью электронного двухкоор-динатного самопишущего потенциометра ПДС-021М. Для обеспечения работы потенциометра было изготовлено силоизмерительное устройство в виде реостата, который работал синхронно с силоиз-мерительным устройством машины. Смещение берегов трещины в точке на расстоянии (/-г) контролировали упругой скобой с тензодатчиками, рис. 4, которая устанавливалась в пазы образца. Сигналы от силоизмерительного устройства и упругой скобы подавались через усилитель УТ-4 на электронный потенциометр. Скобу предварительно тарировали на длинномере ИКУ-2. Таким образом, для каждого образца записывали диаграмму «Р-У», различные типы которой, имеют вид, изображенный на рис. 5.
По соответствующей диаграмме для каждого образца определяли усилие, соответствующее моменту неустойчивости трещины Ре. Определение величины Рв по 5 % секущей показано на рис. 5 и соответствует методике [5]. По величине Рв подсчитывали коэффициент интенсивности напряжений:
К - р г
где ¥в-Л-[1,99-0,41$ +18,7(-V-38,5(+ 53,8(А4], V ь ь ь ь ь
Ь, I и £ - ширина и толщина образца, длина трещины.
Критическое раскрытие трещины определяли:
^ -
1+п
(£-2) ' (ь - £)
Рис. 4. Конструкция измерительной скобы: 1) тензодатчики; 2) упругая скоба; 3) клемные прокладки
ь ^0,2
I а\
где п - 3,75 ^ -О- > 2,2; - напряжения в нетто
сечении образца в момент начала нестабильности в
вершине трещины при усилии Р0; ¥0 - смещение кромок надреза при усилии Ра. Рс и Ус максимальное усилие и смещение кромок надреза при этом усилии.
Данная методика может применяться для оценки трещиностойкости изделий, относящихся к группе тонкостенных сосудов, оболочек, пластин, изготовленных из металлов и их сплавов.
По этой методике были проведены сравнительные испытания на трещиностойкость партии образцов подката и клапанной ленты шириной 60 мм
толщиной 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8 мм из сталей У10А; 10Х14НС; 12ХНМКТЮ; 7С27МО2 с разной технологией термообработки и ленты «САН-ДВИК-20».Сравнение характеристик трещино-стойкости образцов из указанных сталей позволило рекомендовать наиболее перспективные технологии проката и марки сталей для дальнейших динамических испытаний и окончательно предложить легированную сталь и технологию получения клапанной ленты, не уступающей по своим характеристикам зарубежным аналогам.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Разрушение: пер. с англ.: в 7-и т. / Под ред. Г. Либовиц. - М.: Мир, 1973-1977.
2. Прикладные вопросы вязкости и разрушения, пер. с англ. / Под ред. Б.А. Дроздовского. - М.: Мир, 1968. - 552 с.: ил.
3. Новые методы оценки сопротивления металлов, пер. с англ. / Под ред. Ю.Н. Работнова. - М.: Мир, 1972. - 439 с.: ил.
4. РД 50-260-81. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик вязкости разру-
шения (трещиностойкости) при статическом нагружении. -М., 1977. - 73 с. ил.
5. РД 50-344-82. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик вязкости разрушения (трещиностойко-сти) при динамическом нагружении. - М., 1977. - 75 с. ил.
6. Руководящие документы, рекомендации и правила: указатель 2005 / Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. - Изд. офиц. - М.: Изд-во стандартов, 2005. -94 с.
УДК 699.7.054.847
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОПОРНОГО НАПРАВЛЕНИЯ ВОСТОК-ЗАПАД С ОСЦИЛЛИРУЮЩЕЙ МАССОЙ ДЛЯ ГРАВИТАЦИОННО-ИНЕРЦИАЛЬНОГО КОМПАСА
В.С. Дмитриев, Ю.Г. Гладышев
Томский политехнический университет E-mail: dtps@leg.tpu.ru
Рассмотрено построение устройств инструментального ориентирования основанных на действии силы Кориолиса на осциллирующую вдоль вертикали места массу. Показана возможность технической реализации чувствительных элементов гравитацион-но-инерциального компаса на основе механизма ориентирования живых организмов.
Ориентирование человека, подвижных и неподвижных объектов в наземных и подземных условиях, на водной поверхности и в подводной среде остаётся жизненной необходимостью индустриального общества. Возникают новые, ранее не встречавшиеся ситуации (зоны мощных магнитных и электромагнитных полей, очаги природных и техногенных катастроф, длительное нахождение подвижных объектов в океанских глубинах и т.д.), в которых существующие средства инструментального ориентирования: магнитные, индукционные, гироскопические и радиокомпасы не могут в полной мере обеспечить получение достоверной информации об опорных направлениях пространства [1]. Создание автономных навигационных устройств и их чувствительных элементов, способных надежно работать в этих ситуациях, становится неотложной потребностью.
Биологические системы ориентирования превосходят большинство технических систем по точ-
ности конечных результатов, по миниатюрности и надежности. Это всё чаще заставляет разработчиков высокоточных технических систем навигации обращать внимание на проблему изучения механизмов пространственного ориентирования мигрирующих птиц.
В результате исследований, выполненных Г.А. Швецовым [2], сформировалось понятие биологического гравитационно-инерциального компаса. Под ним понимается совокупность чувствительных элементов, способных улавливать переносное ускорение, возникающее вследствие вертикальных возвратно поступательных перемещений центра масс биологического объекта, суточного вращения Земли и, с помощью центральной нервной системы, выявлять с высокой точностью направление Восток-Запад. Такое навигационное устройство способно надежно функционировать в различных погодных условиях при воздействии магнитных и электромагнитных помех, в окруже-
