CC BY
37
УДК 621.9
B. Г. Шадский, д-р техн. наук, проф.,
C. В. Сальников, д-р техн. наук, проф.,
О. А. Ерзин, канд. техн. наук, доц.,
(4872) 35-18-87 (Россия, Тула, ТулГУ)
ОДИН ИЗ АСПЕКТОВ РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛА В ЗОНЕ РЕЗАНИЯ ПРИ ДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Исследуется процесс разрушения, связанного с зарождением, ростом и распространением трещины. Показано что он носит прерывистый характер практически для всех обрабатываемых резанием материалов. Динамические характеристики этого процесса позволяют идентифицировать состояние упругопластического деформирования материала в зоне разрушения с целью оптимального формирования интенсифицирующего воздействия электрическим током.
Ключевые слова: процесс разрушения, рост и распространение трещин, прерывистый характер, обработка резанием, идентификация упругопластического деформирования.
Введение электрического тока в зону резания является эффективным средством улучшения обрабатываемости высокопрочных и твердых сталей. Физическое состояние контактной пары инструмент - заготовка можно искусственно изменить путем ввода в зону резания электрического тока низкого напряжения. Электрический ток, распределяясь в зоне контакта инструмента и заготовки пропорционально контактным электрическим напряжениям, выделяет согласно закону Ома дополнительное количество тепла. Вследствие образования тонкой пластичной пленки создается полусухое трение, снижается коэффициент трения, повышается площадь истинного контакта трущейся пары.
Ввиду высокого быстродействия ввода дополнительной энергии в зону резания посредством пропускания электрического тока следует ожидать появления возможности избирательного воздействия на скопления стоячих дислокаций, снижающих уровни энергетических барьеров на пути движения подвижных дислокаций. Это может явиться причиной существенного снижения сил резания и износа инструмента.
При интенсификации процесса резания импульсами электрического тока энергетические потоки распределяются в соответствии со схемой [3], приведенной на рисунке.
Из приведенной схемы видно, что подводимая к зоне резания электрическая энергия поглощается переходными контактными сопротивлениями на передней Я^п и задней поверхностях резца, а также на со-
противлении, обусловленном наличием плоскости сдвига Я.
Параметры последнего сопротивления, определяются контактным усилием и условиями ее упругопластического деформирования. В частности, площадь поперечного сечения этой зоны проводимости зависит от плотности распределения дислокаций и микротрещин, то есть от эффективного его значения.
Схема действующих в зонерезания сил и цепи прохождения
электрического тока
Кроме этого, будем учитывать известное влияние тока на механические характеристики материалов (опыты Г. Вертгейма), в частности на модуль упругости Е, с помощью зависимости:
Е = Ео + $л1 + Ре212, (1)
где Ео - начальное значение модуля упругости; Ре1, Ре2~ эмпирические коэффициенты.
Следует отметить, что поток энергии к плоскости сдвига поступает, через ограничивающее сопротивление, роль которого выполняет переходное сопротивление на передней поверхности резца.
При подводе к зоне резания импульсного электрического тока предложено рассматривать следующие стадии процесса разрушения:
- возникновение разрывающих электродинамических сил между поверхностями микротрещин;
- тепловой разогрев зоны резания;
- электрический микровзрыв перемычек между трещинами;
- расширение плазменной области, приводящее возрастанию давления в полости микротрещин;
- эрозионные процессы в зоне микровзрыва.
В зависимости от параметров импульсного воздействия преобладает та или иная стадия.
Характер процесса разрушения определяется соотношением между параметрами, определяющими дефектную структуру и напряженное состояние тела. Известно положение: если без нестабильного процесса разрушение произойти не может, следовательно, стабильность теряется локально [1,2]. Исследование этого процесса требует рассмотрения эволюции дефектной структуры. В известных статистических термоактивационных моделях тело разбивается на N элементов, каждый из которых разрушается под действием напряжения а и температуры T за среднее время tpi. В условиях интенсификации резания импульсами электрического тока следует учесть влияние электродинамических сил и выделение джоулева тепла
U (а) - Ui (I )п
tpi = t0 exp[——— ---], (2)
pi 0 kT (а, I )
где i - номер выделенного элемента с энергией активации Ui(a); to- характерное время разрушения для типовых условий и напряжения равного критическому значению ; Ui (I )- изменение энергии активации, вызванное действием электрического тока.
Если учесть, что функция Ui (а) убывающая, то, вероятно, при a<<Jkp tp , то есть микротрещина не зарождается ни за какое время, а
при а > <5kp tp ^ 0.
В соответствии с рассмотренной моделью после разрушения i -го элемента нагрузка Oi, приходившаяся на него, перераспределяется между соседними элементами, которые догружаются на A^k_i . При А<5Ф 0 разрушение элементов, соседних с уже разрушенными, имеет повышенную вероятность, поэтому накопление разрушенных элементов, образующих комплексы, происходит более интенсивно. Чем больше Аа, тем быстрее происходит укрупнение разрушенных комплексов.
Если в модели, содержащей N одинаковых элементов в одном сечении, разрушился один из них, то следующий из «i k разрушается за время t2.
t2 = (t0 / «1, k )exP[(U (a + Aa) ~U 2(I ))/kT 1 )]. (3)
Для образования второго очага разрушения в любом другом месте
нужно время tN.
tN ~ (t0 / N) exP[(U<» - U1( 1 )) / kTE)]. (4)
Второй очаг не успеет зародиться, если tN > t2, или при
AU (а) + (U2( I ) - Ui(I )) > kT (а, I )ln N / k ; (5)
AU(а) = U(а) - U(а + Да). (6)
На основании оценочных расчетов по приведенным зависимостям показано, что в отсутствии интенсификации резания импульсами электрического тока развивается один очаг разрушения только при перегрузке элементов, соседних с первым разорванным, равной 50 %. При использовании интенсификации вероятность образования одного комплекса разрушения существенно возрастает, так как при увеличении электрического сопротивления зоны предразрушения U2(I) - U\(I) > 0.
Таким образом, на основании приведенных выкладок можно считать, что процесс разрушения, связанный с зарождением, ростом и распространением трещины, носит прерывистый характер практически для всех обрабатываемых резанием материалов. Этот характер объясняется формированием неустойчивой пластической зоны предразрушения, обладающей релаксационными свойствами, и задержкой в пластической деформации по отношению к напряжениям. Динамические характеристики этого процесса позволяют идентифицировать состояние упругопластического деформирования материала в зоне разрушения для определения моментов времени для оптимального формирования интенсифицирующего воздействия электрическим током.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 10-08-97524-р_центр_а).
Список литературы
1. Зориктуев В. Ц., Исаев Ш. Г. Зависимость электрической проводимости контакта ’’инструмент-деталь” от параметров процесса резания // Вестник машиностроения. 1985. № 9. С. 64 - 66.
2. Кишкин С. Т., Клышин А. А. Эффекты электропластического и магнитного воздействия на ползучесть металлов и сплавов // Докл. АН СССР, Т. 211, 1973. № 2 С. 325-329.
3. Пат. 2009111372 РФ, МПК8 В23В1/00 . Способ обработки металлов с подачей электрического тока в зону резания /ТулГУ.
V. Shadsky, S. Salnikov, O. Erzin
ONE OF ASPECTS OF DESTRUCTION OF THE MATERIAL IN THE CUTTING ZONE AT ELECTRIC CURRENT ACTION
Process of the destruction connected with origin, growth and crack distribution is investigated. It is shown that it has faltering character practically for all materials processed by cutting. Dynamic characteristics of this process allow to identify a condition is elastic plastic de-formation of a material in a zone of destruction for the purpose of optimum formation of intensifying influence by an electric current.
Key words: destruction process, growth and distribution of cracks, faltering character, processing by cutting, identification it is elastic plastic de-formation.
Получено 15.12.10
