CC BY
18
МЕХАНИКА. ТРАНСПОРТ. МАШИНОСТРОЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИИ
Родыгина А.Е.
УДК 621.9.003.13
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ НЕСВОБОДНОМ РЕЗАНИИ
При обработке резанием результатом формообразующих движений является получение на обработанной поверхности упорядоченной системы остаточных гребешков, которые находят свое выражение как шероховатость или микротопография обработанной поверхности. В формировании остаточных гребешков, при жесткой технологической системе и неизношенном инструменте, участвуют два основных фактора: геометрический деформационный [1, 2]. Первый из них связан с геометрическими параметрами инструмента и движением подачи, а второй с деформацией срезаемого материала. В зависимости от условий обработки по своему значению деформационный фактор может сравниться с геометрическим и даже становиться превалирующим. С минимальным упрощением высоту остаточного гребешка можно рассматривать как сумму геометрической и деформационной (пластической) составляющих (рис. 1).
о — В + В
геом пласт '
Определение высоты остаточных гребешков, обусловленных действием геометрического фактора, является простейшей задачей, нашедшей свое решение во всех встречающихся в практике вариантах [1, 3]. В то же время аналитическое определение второй составляющей представляет задачу особой сложности, так как она относится к объемному пластическому деформированию. Возникает необходимость в ряде допущений, которые серьезно снижают достоверность получаемых результатов. Поэтому в настоящее время при проектировании технологических процессов механической обработки назначают режимные параметры в
зависимости от заданной конструктором шероховатости поверхности детали, руководствуясь исключительно опытными данными, обобщенными и представленными в справочных материалах в той или иной форме.
Развитие методов математического моделирования открыло дополнительные возможности для изучения деформированного состояния зоны стружкообразования с выходом на шероховатость
Рис. 1. Упрощенная схема образования остаточного гребешка при лезвийной обработке
получаемой поверхности.
Для исследования процесса резания был выбран программный продукт MSC.Marc компании MSC.Software Corporation. MSC. Marc представляет собой универсальную конечно-элементную программу для анализа высоко нелинейного поведения конструкций и материалов при сложном контактном взаимодействии. Одним из определяющих свойств данного программного продукта является автоматическое перестроение сетки модели, по мере ее деформирования и искажения, с переносом промежуточных результатов расчета на обновленную сетку.
Рис. 2. Схема несвободного резания и модель с сеткой конечных элементов
Установление достоверности результатов, получаемых при применении МКЭ для изучения процесса резания, производилось моделированием процесса свободного резания (с некоторыми допущениями плоская задача с одной режущей кромкой) и подробно описано в [4].
Наиболее распространенным случаем несвободного резания является резание двумя сопряженными режущими кромками - главной и вспомогательной. Изучение механизма деформации срезаемого слоя при несвободном резании и, в частности, вблизи вспомогательной режущей кромки, важно тем, что позволяет уточнить представления о формировании остаточных гребешков на обработанной поверхности в процессе резания, как результата пластического оттеснения срезаемого металла.
В связи с этим была разработана компьютерная модель, позволяющая получить величину пластической составляющей высоты неровностей при схеме нагружения эквивалентной воздействию режущего инструмента. Технологическая схема и модель несвободного резания представлена на рис. 2. Задачу формулировали как вдавливание гладкого У-образного в плане штампа (инструмент) с плоским основанием в упруго - пластическое тело, ограниченное свободной поверхностью (обрабатываемая заготовка). Применение системы нелинейного конечно-элементного анализа позволило представить поведение материала за пределом текучести.
Для выявления зависимости величины пластического оттеснения обрабатываемого материала в направлении остаточных гребешков от технологических параметров были выполнены расчеты с изменением геометрии и материала инструмента и режимных параметров: скорость резания в пределах 100...300 м/мин, подача 0,05...0,2 мм/об,
главный угол в плане 45°....90°, передний угол резца в пределах -5°. 10°. Радиус при вершине резца постоянный нулевой (допущение для упрощения расчетов), задний угол равен 10°, в качестве инструментальных материалов выступали Т15К6, ВК6, К01, ВОК60. Обрабатываемые материалы -конструкционная сталь 45 и термообработанная 40Х и жаропрочная нержавеющая сталь 15Х17Н7.
Свойства обрабатываемого материала были взяты из стандартной базы материалов МЗС.Магс, для инструментального материала заданы только термические свойства, поскольку резец полагали абсолютно жестким.
При моделировании воспроизводился одно-факторный эксперимент. Результаты моделирования показаны на рис. 3. видно отделение материа-
Рис. 3. Отделение стружки с началом ее завивания
ла стружки от заготовки, характерное начало завивания стружки, с формированием четкого остаточного гребешка.
В итоге были получены схемы перемещений материала вдоль вспомогательной режущей кромки (рис. 4). Данное пластическое оттеснение с учетом
Рис. 4. Пластическое течение материала в направлении Рис. 5. Принятые для расчета узловые точки на вершине оси у и во впадине остаточного гребешка
Рис. 6. Величины пластического оттеснения материала для разных пар материалов а - ф=45°; б - ф=60°; в - ф=75°; г ф=90°
вспомогательного угла в плане резца является пластической составляющей высотного параметра шероховатости поверхности Я^аст. Высота полученных неровностей с учетом пластического течения материала рассчитывалась как разность перемещений расчетных узлов на вершине и во впадине образованного остаточного гребешка (рис. 5).
На рис. 6 представлены зависимости величины пластической составляющей высотного параметра шероховатости при изменении главного угла в плане для ряда пар инструментального и обрабатываемого материалов. Из них видно, что
зависимость этой величины от вида контактной пары материал инструмента и обрабатываемый материал падает при увеличении главного угла в плане. Наибольшую величину течения при любом главном угле в плане дает контактная пара ВК6-15Х17Н7. В общем случае при врезании резца происходит отрицательное приращение высоты неровностей, поскольку резец влечет за собой обрабатываемый материал, при этом еще недостаточно объема стружки для пластического оттеснения материала на образующийся остаточный гребешок. При дальнейшем внедрении резца процесс
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Рис. 7. Зависимость величины пластического оттеснения плане для пары Т15К6-40Х
стружкообразования стабилизируется, следовательно, и величина пластической составляющей.
Зависимость величины пластической составляющей от главного угла в плане инструмента, была построена для стабильного стружкообразования (рис. 7), видно, что с увеличением главного угла в плане растет величина пластического оттеснения, поскольку увеличивается угол схода стружки.
Значительного различия между величинами пластического оттеснения нет при одинаковых передних углах для различных пар материал инструмента - обрабатываемый материал. При поло-
от перемещения инструмента при разных главных углах в
жительных передних углах инструмента (рис. 8 в, г) постоянного для всех моделей пути прохождения инструмента 0,7 мм недостаточно для образования стабильного остаточного гребешка.
Из рис. 9 видно, что с увеличением переднего угла пластическая составляющая увеличивается. Причины в том, что процесс деформирования облегчается при большем переднем угле, но угол схода стружки возрастает, что и отражается на величине пластического оттеснения.
Также и для переменной скорости резания был смоделирован процесс резания. Геометрия резца: углы в плане 45°, передний угол 0°.
Рис. 8. Величины пластического оттеснения материала для разных пар материалов а - у=-5°; б - у=0°; в - у=5°; г - у=10°
Рис. 9. Зависимость величины пластического оттеснения от перемещения инструмента при разных передних углах для контактной пары Т15К6-40Х
-пласт? 11
0.035
1 1
-О- \/=100м/мин -В- \/=175м/мин -—*— \/=250м/мин У=300м/мин
1
Кушает, ММ 0.04
0.035 0.03 0.025
0.02
1-1-1-1-1-1-1-1-г
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Ь, мм
100 120 140 160 180 200 220 240 260 V, м/мин
Рис. 10. Зависимость величины пластического оттеснения от перемещения инструмента при изменении скорости резания пары Т15К6-40Х
На рис. 10 приведена зависимость величины пластической составляющей от перемещения инструмента для разных скоростей резания для пары Т15К6-40Х. Видно, что с увеличением скорости резания величина пластического оттеснения уменьшается незначительно, в пределах 10...15%.
Для случая с переменными значениями подачи были рассчитаны модели, где величина перемещения инструмента составляла 0,7 мм для подач 0,05 и 0,1 мм/об, 1,25 мм для подачи 0,15 мм/об и 1,8 мм для 0,2 мм/об при неизменных прочих параметрах. Это было сделано для того, чтобы при прохождении резца успел формироваться остаточный гребешок.
Из графиков на рис. 11 видно, что для каждой из подач разброс величин пластической составляющей для разных контактных пар составляет примерно одинаковое значение 0,015.0,02 мм.
На рис. 12 приведена зависимость величины пластической составляющей от подачи при несвободном резании. Значения оттеснения возрастают, а затем стабилизируются, поскольку с увеличением подачи при неизменной глубине резания
уменьшается угол схода стружки, что и оказывает влияние на формирование остаточных гребешков.
Из рассмотренных факторов наибольшее влияние оказывают главный угол в плане, передний угол резца, подача. Скорость же резания влияет незначительно на величину пластического на-текания материала на остаточные гребешки.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Исаев, А. И. Процесс образования поверхностного слоя при обработке металлов резанием / А. И. Исаев. - М. : Машгиз, 1950. - 238 с.
2. Куфарев, Г. Л. Стружкообразование и качество обработанной поверхности при несвободном резании / Г. Л. Куфарев, К. Б. Окенов, В. А. Говорухин. - Фрунзе : Мектеп, 1970. - 168 с.
3. Суслов, А. Г. Качество поверхностного слоя деталей машин / А. Г. Суслов. - М. : Машиностроение, 2000. - 320 с.
4. Лившиц, О. П. Деформированное состояние зоны резания и шероховатость обработанной поверхности / О. П. Лившиц, А. Е. Родыгина // Вестник ИрГТУ. - 2006. - № 1(25). - С. 59-64.
Рис. 11. Величины пластического оттеснения материала для разных пар материалов а - 8=0,05 мм/об; б - 8=0,1 мм/об; в - 8=0,15 мм/об; г - 8=0,2 мм/об
........ _______^____ ....... -6- — .......
, \
\ \
/
-е- 3-0.05 им/об 5=0.1 мм/об ■ 5=0 15 Г4и|'-|Г 5=0.2 1.Ш/06
/
□ 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1 Е Ь, мм
0 045 0.04 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005
У У
У
/
........
\
0.04 0 06 0 08 01 012 П14 ГНК 015 П2 я. мм/оо
Рис. 12. Зависимость величины пластического оттеснения от перемещения инструмента для разных скоростей резания пары трения Т15К6-40Х
