Описание процесса формирования поверхностного слоя материала при лезвийной обработке Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

15,7

2, Применение специальной конструкции интерферометра с использованием державки с оптическим клином в экспериментальной установке дам исследования динамики на-гружения и НДС режущей части инструмента позволило устранить отрицательное воздействие вибраций - главный недостаток интерферометрических методов измерений.

3, При реализации разработанного интерферометрического метода исследования НДС экспериментально получены поля сумм главных напряжений в режущей части инструмента, выполненной из твердого сплава ВК85 при обработке стали 1Х12Н2ВМФ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пригоровский Н. й. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений: Справочник. - М..: Машиностроение, 1983. - 248 е.: ил.

2. Фрохт М.М. Фотоупругость. - М.: Гостехиздат, 1948. - Т.1-2.

3. А.с. СССР № 1173179, МКИ4 О 01 В 11/16. Способ исследования деформации материалов в процессе снятия стружки резанием / Е.В. Артамонов, Ю. И. Некрасов, И,А. Ефимович. -№ 3588086/25-08; Заявл, 08.02.83; Опубл. 15.08.85, Бюл.№ 30.

4. Патент РФ № 2086914, МПК5 О 01 В 11/16. Способ исследования деформации режущего инструмента в процессе эксплуатации / И. А. Ефимович, Е.В. Артамонов.-№ 4790242/28; Заявл.08.02.90; Опубл. 10.08.97, Бюл.№ 22.

5. Справочник по сопротивлению материалов / Писаренко Г. С ., Яковлев А.П., Матвеев В . В .; Отв. ред. Писаренко Г. С . - 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Наук, думка, 1988. - 736 с.

6. Тимошенко С.П., Гу дьер Д ж . Теория упругости: Пер. с англ, - М.: Наука, 1975. - 576 с.

Тюменский государственный нефтегазовый университет

УДК 621.9.015

ОМ ФЕДОНИН, Д. В. ЛЕВЫЙ

ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МАТЕРИАЛА ЗАГОТОВКИ ПРИ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКЕ

Рассмотрены вопросы изменения механических свойств материала заготовки в зоне резания, стружкообразование, приведены экспериментальные данные по этим вопросам. Предложен путь получения аналитических зависимостей описания формирования качества поверхностного слоя.

При изготовлении машин одной из основных задач, стоящих перед изготовителями, является обеспечение требуемых эксплуатационных свойств узлов и деталей [1,2]. Обеспечить требуемое сочетание эксплуатационных свойств деталей или требуемое сочетание параметров качества их поверхностных слоев можно путем использования эмпирических зависимостей, полученных методами планирования эксперимента или путем использования теоретических (аналитических) зависимостей, полученных описанием физической картины процесса резания.

Наиболее предпочтительными являются теоретические модели, описывающие физи-* ческую картину резания. Для аналитического описания процесса формирования качества поверхностного слоя деталей необходимо выявить основные причины, определяющие те или иные характеристики качества поверхностного слоя и описать их воздействие математически, с учетом основных физико-механических свойств материалов данных деталей. В

зоне резания одновременно протекают процессы деформации материала, приводящие к увеличению плотности дислокации и упрочнению, и тепловые процессы, приводящие к снижению плотности дислокаций, аэ следовательно, к разупрочнению; кроме этого деформация материала происходит в стесненных условиях.

Все это приводит к изменению механических свойств материала заготовки (сгт и тСДв)5 зависящих от температуры, скорости и условий деформации. Кроме этого изменение механических свойств материала в зоне резания связано со всеми характеристиками процесса резания, Оценить величину ат и тсдв можно через силовые показатели процесса резания.

В процессе резания для разрушения материала срезаемого слоя необходимо приложить к лезвию инструмента некоторую силу Р. Данная сила является интегральной величиной, так как характеризует сразу несколько процессов [3,4,5]:

- пластическую деформацию материала срезаемого слоя (той части, которая формируется в стружку);

- пластическую деформацию материала, подминаемого слоя режущей кромкой;

- последовательный сдвиг элементов срезаемого слоя по плоскости сдвига;

- трение стружки о переднюю поверхность лезвия инструмента;

- трение задней поверхности инструмента об обработанную поверхность детали.

Оценить теоретически вклад каждого из перечисленных процессов в величину силы

резания Р очень сложно, так как значения механических характеристик материала заготовки ат и тСДВз коэффициента трения ¡ы, условного угла сдвига Ф, коэффициента усадки стружки Ка, зависят от конкретных условий обработки [7]. Для их определения была по» лучена математическая модель (1)-(5) процесса резания связывающая все вышеперечисленные параметры процесса резания с силовыми характеристиками процесса резания и описывающая физическую картину исследуемого процесса (рисЛ).

Рис Л. Схема стружкообразования

Р2 =

+

1: ~ гв * (1 - созф)

/

8111 ф

Ф + агсБт —

2гв/у

51П ф

СОБ ф) л - ^

-— + 0,2гв

/

вШ 2Ф

• р • Ф • <1т • {¡хвтФ - (созФ - 1))~г (соб у 4- \х з!е у)] - соб к ;

о)

Ру =

1-Гв • (] — СОБф)

вШф

со§ф + 0,7гв ■

\\

Ф + агсзш-

2гв

• р ■ Ф • от • (зтФ - ц(со$Ф -1))+

JJ

а---т/ .С08ф + о,2гв

БШф

зт Ф

•■(^созу-вту)

{г^штк);

:(2)

Рх =

1 - Г * (1 - СОБ ф) .

_£_Ь_Ц- . с 1

8112 ф

з!пф + 057гв ■

ф + агсзт

1-г 0 (1 — С08 ф) . 7Л

-^-— • 8111Ф + 0,2гв

БШ ф

- • р • Ф • сгТ • (втФ -ц(со8Ф -1))+

в ))

(1 - вш А,);

• ——— • (ц созу- зту)

зпГФ

ка =

__ зт(90 + у - ф) в БШФ

Т =

сдв

tgФ

(3)

(4)

(5)

где I - глубина резания:

гв - радиус вершины лезвия; ф- главный угол в плане;

8о - подача на оборот;

р - радиус скругления режущей кромки;

¡х - коэффициент трения;

0Т - предел текучести материала заготовки;

тсда - напряжение сдвига материала заготовки;

X - угол наклона главной режущей кромки;

Р2 - тангенциальная составляющая силы резания;

Ру - радиальная составляющая силы резания:

Рх - осевая составляющая силы резания;

а - толщина среза;

у - передний угол;

Ф - угол сдвига;

Ка - коэффициент утолщения стружки.

Для проверки полученной модели были проведены экспериментальные исследования по измерению силовых характеристик процесса точения и коэффициента усадки стружки. Исследования силовых характеристик процесса лезвийного резания производились с использованием автоматизированного расчетно-измерительного комплекса разработанного и изготовленного на кафедре «Автоматизированные технологические системы» БГТУ [6]. В состав данного комплекса входят: динамометрическая головка универсального динамо-метра УДМ-1200 конструкции ВНИИ, прецизионный 4-х канальный усилитель постоянного тока с регулируемым коэффициентом усиления по каждому каналу и ПЭВМ (1ВМ РС) с соответствующим программным обеспечением. Комплекс позволяет производить текущие измерения составляющих силы резания в режиме реального времени, записывать и хранить полученную информацию в виде графического или текстового файла.

Исследования процесса точения проводились для условий свободного и несвободного резания на образцах из стали 40Х, проходным упорным резцом Т15К6, ф =90°; ф1 =30°; у=0; а=3°; /^.Экспериментальные исследования сгт, тсдв показывают, что для условий

свободного резания стт=сУто-(0,1+0,35), тсдв=тсдво-(0,55-^-1,4), а для условий несвободного резания стт=сгто-(0,15-И,16), хСдВ=тСдво-(0,77-^-6,2).

еШ

20

15 10 5 0

0,75 1,5 2,25 Шм

> 0

0,1 ОД 5 0,2 в,мм/об

70 100 130 У,м/мин

а б в

Рис.2. Зависимости дам свободного резания: а - влияние глубины; б - влияние подачи; в - влияние скорости

Уменьшение сгт по сравнению с ато-исходного материала можно объяснить преимущественным влиянием теплового фактора, приводящего к разупрочнению. Увеличение тсдв материала срезаемого слоя по сравнению с тсдвп-исходного материала можно объяснить тем, что наличие опережающей зоны деформации приводит к интенсивному росту плотности дислокаций вблизи зоны сдвига, а, следовательно, и к упрочнению материала.

Существенное увеличение тсдв при несвободном резании по отношению к свободному объясняется тем, что в условиях несвободного резания слои материала от главной режущей кромки, радиусной вершинной части лезвия и вспомогательной режущей кромки наталкиваются друг на друга при их движении по соответствующим плоскостяхМ сдвига, то есть происходит «самозаклнниванне» слоев материала корневой зоны стружки.

Зависимости Ф, ат, тСДв от условий обработки представлены на рис. 2 для свободного резания и на рис. 3 для несвободного резания. Из приведенных графиков видно, что в условиях несвободного и свободного резкния проявляются единые закономерности.

20

10

0,5

X

20 10

1,5 Пмм

20

10

"ОД 0,3 8,мм/о(э*

Я

"80 120 Чм/мин

а о в

Рис. 3. Зависимости для несвободного резания: а - влияние глубины; б - влияние подачи; в - влияние скорости

Фактические значения ат и тсдв определяют радиус завивания стружки. Образующаяся стружка может иметь различный вид (сливная, суставчатая, стружка скалывания), но во всех случаях образование стружки происходит вследствие сдвига материала по плоскости сдвига. При этом можно допустить следующее:

сдвиг материала происходит под углОхМ Ф относительно направления главного движения;

элементы стружки имеют форму трапеции с ровными боковыми сторонами; - сдвиг материала в стружку начинается в момент, когда усилия, действующие на некоторый объем металла со стороны инструмента, сравняются с усилиями необходимыми для его сдвига. г д В процессе обработки ин-

„ „ ^ i г- струмент в начальный момент

Рис.4. Этапы деформации материала зоны стружкоооразования при rj

образовании стружки касается заготовки (рис.4,а), за-

тем происходит пластическая деформация (рис.4,б), вследствие чего в к1 раз увеличивается длина контакта материала срезаемого слоя нормально к режущей кромки, по сравнению с толщиной среза (рис.4,в).

Увеличение будет происходить до тех пор, пока усилия, действующие со стороны инструмента на объем материала, не сравняются с усилиями, необходимыми для сдвига этого объема в стружку. Затем произойдет сдвиг элемента стружки и данный процесс будет повторяться циклически (рис.4, г, д).

Условие сдвига исходя из схемы (рис.5)

а

т • cos Ф —-— b = сгт • b • а • kl, (6) сда sin Ф

где к 1 «коэффициент, показывающий во сколько раз увеличивается контакт по передней поверхности относительно толщины среза (а) до наступления события - сдвиг материала в стружку.

Решив уравнение (6) относительно к1 и рассмотрев схему резания (рис5), окончательно получаем уравнение для расчета радиуса завивания стружки

Рис.5. Схема условия сдвига

R = •

"еда

I-

т

V СДВ J

2\

COS

arctg

(7)

Сравнив экспериментальные значения со значениями, рассчитанными по формуле (7), был сделан вывод о правильности и возможности применения выведенной зависимости (рис.6).

3.0

R,mm

2.38

2.56 2.49 2.5 2.5

2.85

т

1.74

1.35 1.03:

1.5

2.2

И

№

2.3

У

С

i32.02

л52.25<.

2.4

2.4

1.43

1.35

1.1

0.891

9 10 II

iZ №образца

[7~г1 - расчетное значение параметра - фактическое значение параметра

Рис.6. Анализ результатов по радиусу завивания стружки

Выводы

Вследствие силового и теплового воздействия инструмента на деталь, а также изменяющихся условий деформирования в зоне контакта существенно изменяются механические свойства материала детали ат и тсдв.

Соотношение сгтф и тСДВф будет определять значение угла сдвига Ф, коэффициент усадки стружки, толщину подминаемого слоя, радиус завивания стружки, а также параметры качества поверхностного слоя.

Целесообразно разрабатывать аналитические модели формирования качества поверхностного слоя детали с учетом фактических значений механических характеристик материала детали и условий обработки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Безъязычный В . Ф., Кожина Т. Д. и др. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей. - М.:Изд-во МАИ, 1993. - 184 с.

2. Суслов А.Г., Суслов Д. А. Пластическое приращение профиля шероховатости обработанной поверхности/ Сб. тезисов докладов Российской научн.-техн. семинара «Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин». - М.: МГАТУ, 1995. - с. 27.

3. Федонин О.Н. Формирование качества поверхности деталей машин при их обработке \ Тез. докл. II Междунар. научн.-техн. конф. «Износостойкость машин». 4.2. - Брянск: БГИТА, 1996. - с. 122.

4. Федонин О.Н. Технологическое обеспечение износостойкости деталей за счет изменения фи-зико-механических свойств материала поверхностного слоя при механической обработке \ Трение и износ ТЛ8, №4,1997.-с. 558-562.

1 5. Фе донин О.Н. Оптимизация процесса лезвийной обработки/ Прогрессивные технологии в машиностроении: Межвуз. сб. научн. трудов/ Под ред. проф. В.М. Оробинского - РПК Политехник Волгоград, 1999, с.121-125.

6. Федонин О.Н. Автоматизированная система научных исследований процессов механической обработки \ Конструкторско-технологическая информатика - 2000: Труды конгресса в 2-х тт. Т.2 /IV Международный конгресс. - М.: Изд-во «Станкин», 2000. - с. 230-231.

7. Левый Д. В . Инженер: студенческий научно -- технический журнал /Донецк, ДонГТУ, 2000г. №1,

-58-б0е.

Брянский государственный технический университет