Модель направленного разрушения металлов резанием Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.9 К.В. Баннов

МОДЕЛЬ НАПРАВЛЕННОГО РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ

На основе общепринятых гидродинамических представлений, предложена физическая модель направленного разрушения металлов резанием. Выполнены оценки скорости деформации металла и температуры, развивающихся в зоне разрушения.

Ключевые слова: разрушение, скорость деформации, резание, стружка.

А нализ многочисленных исследований по деформирова-

.¿1 нию и разрушению металлов позволяет убедиться в том,

что:

• любые твердые тела при воздействии на них больших давлений и температур приобретают высокую пластичность, а в некоторых случаях и сверхпластичность;

• если в процессе воздействия скорость деформации металла превышает пороговое значение е; > Ю3^1, то поведение металла в зоне воздействия можно описать с позиций гидродинамики;

• при определенных критических значениях температуры, давления и скорости деформации могут происходить фазовые превращения и изменения агрегатного состояния металла.

Проблема разрушения металлов является актуальной и характеризует передовой край современной науки. Поскольку процесс резания является ярким примером управляемого разрушения, то перечисленные выше явления в полном объеме наблюдаются и в этом случае.

В данной работе на основе общепринятых гидродинамических представлений, наблюдаемых при разрушении металлов [1-3], авторы попытались разработать физическую модель разрушения металлов резанием.

С целью проверки возможности применения такого подхода выполнены оценки скорости деформации металла (е;) и температуры, развивающихся в зоне разрушения. Решение поставленной

задачи позволит разработать более корректную теплофизическую модель разрушения металлов резанием, а также оценить коэффициент полезного действия этого процесса.

На наш взгляд процесс резания металлов необходимо рассматривать как процесс направленного разрушения, при котором разрушение происходит по поверхностям резания, определяемых кинематикой процесса [1]. Процесс разрушения можно представить в виде двух стадий:

• стадия I - накопление энергии в зоне направленного разрушения металла;

• стадия 2 - разрушение металла, доведенного до псевдожид-кого состояния, при котором происходит взрывной сброс накопленной энергии.

Под псевдожидким состоянием металла мы понимаем такое состояние, когда металл можно представить в виде жидкости с высокой вязкостью, в которой присутствуют отдельные фрагменты твердого тела.

На рис. 1 показана схема сливного стружкообразования, которая использовалась при проведении расчетов. Принципиальное отличие данной схемы от схемы, представленной в [2], заключается в том, что движение стружки от зоны направленного разрушения происходит под углом Духв (точки 15-11-13, рис. 1) к передней поверхности металлорежущего инструмента. Кроме того, очертания контактной пластической области содержат лобовой и хвостовой участки. При этом положение лобового участка задается углом уу,

а хвостового участка - углом Духв. Максимальная высота лобового участка, отсчитываемая по перпендикуляру к передней поверхности, определяется величиной ^, а толщина модифицированного слоя в стружке задается как ^ .

Используя экспериментальные значения, примем h 0,1- а1;

Ь|| « 0,1- hЕ . Длина зоны пластического деформирования в направлении разрушения определяется как расстояние от начальной до конечной границы зоны стружкообразования и практически всегда сопоставима с толщиной стружки а.

В зоне пластической деформации (участок 4-14, рис. 1) степень деформации металл изменяется от максимального значения у

передней поверхности до нуля в конце зоны, максимально удаленной от режущей кромки.

Рис. 1. Схема сливного стружкообразования в процессе направленного разрушения металлов резанием

е

7 10

б 10

5 10

4 10

3 10

2 10

1 10

1 - I ■ \ \ ^=3,5 .-''1=2,5

- II

. ....--■“"'¿=1,5;

' III

-

1 : : ■

50

100

150

200

V, м/мин

Рис. 2. Расчетные зависимости скорости деформации от скорости резания при различных значениях усадки срезаемого слоя металла по длине (1)

При этом материальная точка 4 проходит всю зону пластической деформации за время т. Тогда для скорости деформации (с!) можно записать

(1)

где V - скорость резания, м/мин; а - толщина срезаемого слоя, мм; £ - усадка срезаемого слоя по длине; 1 - длина пути материальной точки в пределах области локализованной пластической деформации в окрестностях условной плоскости сдвига, мм; а1 - толщина стружки, мм; егтах, егср - максимальное и среднее значения степени пластической деформации,.

Уравнение (1) представлено на рис. 2 в графическом виде для наиболее часто встречающихся значений усадки срезаемого слоя по длине.

Напомним, что £ является основной интегральной характеристикой процесса стружкообразования на заключительном этапе направленного разрушения металлов резанием.

Сопоставление экспериментальных и расчетных скоростей деформации

а, мм 0,1 0,33 0,39 Т, град 5 17 22

Эксперимент

е1 ,с-1 12000 8500 7000 Є1 ,с-1 7000 6000 3200

Тео рия

е1 ,с-1 11000 7900 6900 е1 ,с-1 6800 5900 3100

На рис. 3 и в таблице представлены известные экспериментальные данные [5] в сопоставлении с нашими оценками по формуле (1).

Результаты, представленные в левой части таблицы, получены при скорости резания 100 м/мин, у = 170 для отожженной стали 2Х13, а результаты в правой части таблицы - для той же самой стали при скорости резания 55 м/мин и толщине срезаемого слоя по длине 0,305 мм.

Видно, что наблюдается достаточно хорошая корреляция между расчетными и экспериментальными данными.

На рис. 2 выделены характерные значения скоростей деформации (область II), при которых, согласно [1], поведение металла описывается законами гидродинамики.

Тогда можно однозначно утверждать, что при параметрах резания, соответствующих области I (рис. 2), металл в зоне направленного разрушения находится в псевдожидком состоянии и его поведение описывается законами гидродинамики.

Данный вывод вполне можно распространить и на область II (рис. 2). Для области III можно предположить, что будет наблюдаться идентичное состояние металла в микрообъеме, который будет примыкать к режущим кромкам инструмента.

Представленная гидродинамическая модель направленного разрушения металлов резанием и представленные оценки убеждают, что в процессе резания металлов проявляются гидродинамические явления. Практическим доказательством этого служит получение особого рода усов из жидкого прирезцового слоя стружки, который формируется в окрестности режущей кромки [4].

Рассмотрение расчетной схемы позволяет оценить в первом приближении объем зоны расплавления по формуле:

Q = 2г•hЕ- Ь (2)

«к

21000

18000

15000

12000

9000

6000

3000

х - сталь 40 о - столь 2X13 а - сталь 111X15 а - латунь /162 ■ 5= 0,305 мм/ой Ь= Зим 1= 1Т, е= 10°

✓ А

>* У у

1 I

О

"'"Х

20 40 60 80 100 120 140 160 130 200 220 240 Ум/мин

Рис. 3. Экспериментальные зависимости скорости деформации от скорости резания [5]

где г - радиус скругления режущей кромки; ^ - толщина участка стружки с измененной степенью искривления текстуры; Ь - ширина срезаемого слоя.

Тогда в соответствии с первым законом термодинамики можно записать:

1000• А„

© = -

- + ©„

(3)

427р • Ср 0

где АW - удельная работа деформации в зоне расплавления А - р ^

^ ; 427- механический эквивалент тепла, кг-м/ккал; р -

удельный вес металла, г/см3; Ср - средняя удельная теплоемкость

металла в диапазоне от 20 0С до текущего значения температуры в данной точке на пути деформации кал/град 0С.

Учитывая сложность физических связей между скоростью, степенью деформации, значением касательных напряжений обычно используют эмпирическую закономерность [6]:

(4)

СТ8пл - к • е

где с8пл- напряжение текучести в состоянии сверхпластичности; к - некоторый коэффициент; е 1 - скорость деформации;

Рис. 4. Экстраполяция экспериментально установленной зависимости скорости деформации от удельной работы [5]

т - коэффициент упрочнения при сверхпластической деформации (при т > 0,3 металл пластичный, при т < 0,8 металл вязкий, а при т < 0,3 металл сверхпластичный).

Выполненные оценки (соотношение (3)) дают значения температур, достаточно близкие к температуре плавления обрабатываемого металла (рис. 4), не смотря на то, что по данным [6] явление сверхпластичности в металлах наблюдается при температурах в диапазоне (0,5.. .0,6)6Пл.

Таким образом, в данной работе представлена физическая модель направленного разрушения металлов резанием и экспериментальные данные, подтверждающие справедливость этой модели.

Представленная физическая модель позволяет оценить эффективность направленного разрушения металлов (коэффициент полезного действия), ее зависимость от режимов резания, геометрии инструмента, типов обрабатываемых и инструментальных мате-

риалов, окружающей среды и т.д. Эти вопросы будут рассмотрены в последующих работах.

------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Годунов С.К., Дкрибас А,А,. Захаренко И.Д., Мали В.И. // Физика горения и взрыва. - 1971, т.7, №1. - С. 135-142.

2. Покровский Г.И. Гидродинамика высоких скоростей. - М.:Знание, 1966. - 48 с.

3. Покровский Г.И. Гидродинамические механизмы. - М.:Знание, 1972. - 48 с.

4. Баннов К.В., Градобоев А.В., Матвеев В.С. // Новые технологии, материалы и инновации в производстве: труды Международной школы-семинара для магистрантов, аспирантов и молодых ученых, посвященной памяти профессора Хорста Герольда - Томск: Изд. ТПУ, 2009. - С. 89-94.

5. Куфарев Г.Л., Окенов К.Б., Говорухин В.А., Стружкообразование и качество обработанной поверхности при несвободном резании. - Фрунзе: Издательство Мектеп. 1970. - 170 с.

6. Теория пластических деформаций металлов. / Под ред. Е.П.Унксова, А.Г. Овчинникова. -М.: Машиностроение, 1983. - 599 с. шгЛ

— Коротко об авторе ---------------------------------------------

Баннов К.В. - Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета, Е-та11:Ьапж№1ст@та11.га