Определение действительных механических свойств материалов при больших деформациях в адиабатических условиях Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.9.02:620.178.16 В. С. КУШНЕР

М. Г. СТОРЧАК А. Н. ЖАВНЕРОВ А. А. КРУТЬКО

Омский государственный технический университет Штутгартский университет (Институт станков и инструментов), Германия

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПРИ БОЛЬШИХ ДЕФОРМАЦИЯХ В АДИАБАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Проанализировано изменение механических свойств материалов при резании. Показана целесообразность использования для характеристики механических свойств максимального предела текучести, достигающегося при выравнивании интенсивностей упрочнения и разупрочнения материала при деформациях в адиабатических условиях. Ключевые слова: механические свойств, резание, максимальный предел текучести.

Известны попытки распространить определяемые в статических испытаниях на растяжение или сжатие характеристики механических свойств материалов и на условия резания металлов на основании гипотез о единой кривой течения для резания и растяжения или о равенстве удельных работ при резании и сжатии [1,2].

В качестве характеристик сопротивления материалов при резании использовались также непосредственно средние удельные касательные силы (средние касательные напряжения) в зоне стружкообразова-ния ту и на передней поверхности режущего лезвия (3, 4). При этом допускалось, что касательные напряжений ту и яг зависят только от характеристик при растяжении и не зависят от прочих условий резания.

Авторы работ [ 5, 6] полагали, что касательные напряжения ту и яР не постоянны и не могут считаться характеристиками механических свойств материалов при резании. Основанием для этого являлись экспериментальные факты, свидетельствующие о влиянии температуры на средние что касательные напряжения ту и При этом учитывалось, что условия деформации при резании существенно иные, чем при растяжении. При обработке материалов резанием осуществляются на порядок большие деформации и на б — 8 порядков большие скорости деформации, чем при растяжении. Кроме того, деформации осуществляются при неравномерно распределенной в зоне деформации температуре, достигающей высоких значений, приближающихся в некоторых случаях к температуре плавления обрабатываемого материала.

Актуальность решения проблемы определения механических свойств материалов для условий резания возросла в связи с необходимостью разработки теоретических методов расчета температур, сил резания с целью использованиях результатов расчета для обоснования рациональных режимов резания, геометрических параметров инструментов, автоматизации проектирования и оптимизации технологических процессов обработки резанием.

Методы определения средних касательных напряжений при резании разрабатывались чаще всего в связи теоретическим расчетом сил резания 11,2]. А.М. Розенберг для расчета напряжений ту в условной плоскости сдвига использовал гипотезу о равенстве удельных работ деформации при резании и при сжатии. При этом в качестве функции, аппроксимирующей зависимость удельной работы от деформации при сжатии, использовалась политропа сжатия [ 2 ]

где ст0 — условный предел текучести при сжатии, п — показатель политропы сжатия.

H.H. Зорев [1] сопоставлял предел текучести на сдвиг при растяжении и средние касательные напряжения ту в условной плоскости сдвига при резании, используя закон простого нагружения (рис. 1):

Тт = A(eu)m, (2)

где £и — истинный сдвиг.

Несмотря на сходство этих гипотез, использовавшихся для расчета напряжений ту, полученные экспериментальные и теоретические результаты определения касательных напряжений ту в условной плоскости сдвига для одинаковых условий резания существенно различались (рис. 1).

Средние касательные напряжения ту в условной плоскости сдвига с увеличением конечного истинного сдвига в зоне стружкообразования не только не возрастали, но либо заметно уменьшались, либо оставались постоянными при увеличении истинного сдвига.

На этом основании H.H. Зорев принял допущение о независимости от деформации еи касательных напряжений ту при резании и о возможности оценки величины ту путем экстраполяции закона простого на-

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (ВО). 2009

0> 500

£ І го о. 400

<-> С

£ I

2,5 3,15 4 5

Истинный сдвиг ги ■ Эксперимент А.М Розенберга, -Расчет по формуле (1),

а)

Истинный сдвиг еи —о— Эксперимент Н.Н.Зорева, -----Расчет по формуле (3)

б)

Рис. 1. Влияние деформации ец на касательные напряжения ту при точении стали 10 (а) (а„ = 564 МПа, т = 0,28 [2], оь = 380 МПа, 5 = 34 % [1]) и стали 30 (б) (о0 = 770 МПа, ш = 0,2 [2], а„ = 570 МПа, 6 = 25 % [1])

<30

500

400

-I 315

Истинный сдвиг ги

1.6

5

—о—Эксперимент, стапь 10 о эксперимент п.п.ооревэ, сталь

-----Экстраполяция по Формуле (2). сталь 10-----Расчетпо формуле (3), сталь 10

« Эксперимент, стапь 30 Ф Эксперимент, сталь 30

----Экстраполяция по формуле (2). сталь 30

—■—Эксперимент, сталь ЗбХЗМН -----Экстраполяция по формуле (2), Э5ХЗМН

2 2.5 3,15 4

Истинный сдвиг еи

Эксперимент Н.Н.Зорева, сталь 10

- Расчет, сталь 30 ЗбХЗМН, эксперимент

- 35X3MH, расчет по формуле (3)

а)

б)

Рис. 2. Влияние деформации еи на касательное напряжение ту в условной плоскости сдвига при резании сталей и на экстраполированные значения предела текучести на сдвиг при растяжении по данным H.H. Зорева [I]

гружения (1) на величину истинного сдвига еи = 2,5: ту = А,5 = А{2,5)"\ (3)

Однако расчетные значения ту во многих случаях не совпадали с экспериментальными (рис. 2).

Опыты H.H. Зорева (рис. 1, 2) фактически опровергли возможность использования единой кривой течения для растяжения и резания. Однако и гипотеза о постоянстве касательных напряжений ту в зоне стружкообразовании при резании, использовавшаяся многими исследователями [3], опровергается убывающими зависимостями ту(еи), которые были получены для мало упрочняемых сталей.

Выяснение закономерностей упрочнения и разупрочнения материалов при резании требует совершенствования схемы зоны деформации и учета особенностей упрочнения материала в узкой области деформации.

На основании анализа деформированного состояния при образовании сливной стружки установлено [3, 4, 5], что зону стружкообразования целесообразно разбить на две области деформаций (А и А') (рис. 3).

При деформации материала в узкой области (А) его упрочнение не может быть существенно [5, 6], вследствие чего предел текучести стабилизируется. Справедливо и обратное утверждение о том, что стабилизация предела текучести (dTT/dep = 0) является необходимым условием локализации деформаций в узкой области. Таким образом, границей этих двух

областей (А и А') следует считать линию, на которой деформационно-скоростное упрочнение материала полностью компенсируется температурным разупрочнением. Описанная схематизация зоны стружкообразования допускает не только упрочнение материала в области А', но и его возможное разупрочнение в этой области под влиянием температуры деформации, зависящей от конечного истинного сдвига еи (рис. 4.)

Влияние деформации на среднее касательное напряжение ту проявляется в том, что истинный сдвиг ец через удельную работу А^ и температуру деформации снижает уровень стабилизации предела текучести (рис. 4). При различных соотношениях способностей материала к деформационному упрочнению и к температурному разупрочнению могут иметь место различные зависимости ту(еи): возрастающие, стационарные или убывающие. Наблюдавшееся для некоторых материалов постоянство касательных напряжений ту в зоне стружкообразования объясняется тем, что температура деформации в этих случаях невелика или мало изменяется при изменении условий резания.

Для выяснения закономерностей упрочнения материала на передней и задней поверхностях большое значение имеют условия деформации в застойных зонах Б и Г (рис.4). Поскольку в контактной области материал перемещается в направлении, параллельном направлению сдвига, локализация деформаций не может повлиять на максимальное значение предела текучести на границе областей Б и В.

Рис. 3. Схема зоны деформации в плоскости стружкообразования при образовании сливной стружки:

А - область больших деформаций зоны стружкообразования, А' - область малых деформаций зоны стружкообразования, Б - застойная зона на передней поверхности (область деформаций, не превышающих конечных деформаций зоны стружкообразования), Г - застойная зона на задней поверхности, В - участок больших пластических контактных деформаций на передней поверхности, Е- участок упругого контакта стружки с резцом, Д - зона упруго-пластического контакта на задней поверхности, И, Р1 - касательные силы на передней поверхности и в условной плоскости сдвига,

Я>у - угол наклона условной плоскости сдвига, а - толщина срезаемого слоя

и/

'и2

Рис. 4. Зависимости предела текучести от текущего истинного сдвига в зоне стружкообразования (кривые 1, 2, 3) и на передней поверхности (кривая 4)

Поэтому вблизи режущей кромки на границе области Б и области В предел текучести достигает максимума. Из-за разупрочнения материала в узкой области А максимальный предел текучести на передней поверхности должен быть больше, чем в зоне стружкообразования (рис. 5). Этому также способствуют меньшие температуры в некоторой области вблизи режущей кромки

О = Чоё<АТ’« < ту£Лт„

(4)

А также возможно более равномерное распределение температуры в области Б, чем в области А', в связи с чем на передней поверхности влияние скорости деформации на напряжение я0 должно быть большим, чем в области А' [6]:

, где Д Т' =

вя+273 вп. +273

(5)

Более высокие значения предела текучести на передней поверхности в области Б, чем в зоне стружкообразования, согласуются с явлением образования нароста на передней поверхности. Частицы, образующие нарост на передней поверхности, должны быть тверже материала стружки, получившего деформацию в зоне стружкообразования. Экспериментальное определение максимального предела текучести на передней поверхности и на задней поверхности застойной зоны (Г) затруднено в связи с весьма малыми размерами областей, в которых этот максимум имеет место. Однако значение учета максимального

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК N>2 (80). 2009 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (ВО).

предела текучести и возможности использования его для характеристики механических свойств материала при резании имеет огромное значение для создания методов расчета температур и сил резания.

Из того, что максимальный предел текучести на границе областей Б и В больше, чем напряжение ту в зоне стружкообразования, а среднее касательное напряжение Яр меньше ту, следует, что предел текучести на пластическом участке контакта В должен уменьшаться в направлении скорости стружки, т.е. уменьшаться с ростом температуры.

Однако в работе [4] высказана точка зрения, согласно которой кратковременный нагрев материала в процессе резания до высокой температуры (например, до 1000 - 1200 °С для сталей) не изменяет механических свойств обрабатываемого материала. Они остаются такими же, как и при комнатной температуре. На этом основании средние касательные напряжения Яр на передней поверхности считались пропорциональными действительному пределу прочности при растяжении Б,,:

qP = 0,6 Sb [5 ], яг = 0,28 Sb [4 ],

(6)

а отношение Яр/Ту принималось постоянным для любых условий резания:

[5], яР« 0,5 ту [3].

(7)

1

?

1

/

<3 /

Отношение F/Pt а)

0.6 0.7 0.8 0,9 Отношение ЧрЛ

б)

Рис. 5. Зависимости усадки стружки С, от отношения Я/Р, касательных сил и от отношения яр/ту по экспериментальным данным А.М. Розенберга и Л .А. Хворостухина [2] при точении сталей резцом Т15К6 (у = 0°, I = 3 мм, в = 0,291 мм/об)

о

со

§

Анализ теоретических и экспериментальных результатов свидетельствует о том, что эмпирические соотношения (6) и (7) не могут быть распространены на широкую область условий резания. Так, например, опытами В.В. Цоцхадзе [7] доказано, что с увеличением скорости резания температура вначале быстро возрастает и далее асимптотически стремится к предельному значению, которое примерно равно температуре плавления обрабатываемого материала. Согласно теории движущихся источников тепла [6] приращение температуры передней поверхности при постоянном касательном напряжении яР должно возрастать:

A0 = -i^-.fë-*CqFy/v. (8)

•Jn Cv V о)

Из (6) следует, что стабилизация температуры при повышении скорости возможна только за счет уменьшения касательного напряжения яР с ростом температуры.

Известные опыты А.М. Розенберга и Л.А. Хворостухина [2], о соотношении между отношением касательных сил F/PT и усадкой стружки Ç с использованием формулы Н.Г.Абуладзе для определения длины контакта стружки с резцом могут быть представлены и в виде зависимости усадки стружки от отношения средних касательных напряжений яг/ту (рис. 5). Из этого следует, что отношение ЯР/ТУ не остается постоянным.

В работе [5] при постоянных скорости резания v = 60 м/мин и отношении ширины стабилизирующей фаски к толщине среза f/a = 3 усадка стружки при точении сталей 65Г, 40Х, 45ХН, Х12М, 18ХГТ, 20ХГНР, ХВГ, У8, 45 уменьшалась с ростом отношения S,/Cv действительного предела прочности к объемной теплоемкости (а следовательно, и с ростом температуры).

Согласно теоретическим результатам [5] при постоянном отношении f/a усадка стружки зависит только от отношения Яр/Ту:

Отношение 5Ь/С„

Рис. 6. Зависимость усадки стружки от отношения действительного предела прочности к объемной теплоемкости при постоянных скорости резания и относительной ширине фаски [5]

-Н+ь±.

(9)

Следовательно, экспериментальные данные (рис. 6) косвенно свидетельствуют об уменьшении отношения Яр/Ту с ростом температуры. Если бы отношение Яр/Ту не изменялось бы при изменении температуры, то и усадка стружки оставалась бы при этом постоянной. Изменения усадки стружки являются следствием изменения отношения Яр/ту и доказывают, что это отношение не остается неизменным при изменении температуры резания. Таким образом, учет влияния температуры на отношение qr./ty необходим и для решения задачи резания металлов о теоретическом определении усадки стружки. Этого мнения придерживался и П.Б. Оксли [8].

Изменение среднего касательного напряжения Яр следует также из результатов обработки известных экспериментальных данных М.И. Клушина и М.Б. Гордона [2], полученных при точении стали 35 (рис. 7).

Такой же вывод следует из обработки экспериментальных данных H.H. Зорева о силах резания и усадке стружки приточении стали 35X3MH (рис. 8).

Таким образом, для резания характерно существенное изменение отношения Яр/fyi что объясняется влиянием температуры. В отличие от средних касательных напряжений Яр и ту максимальные значения предела текучести т в зоне стружкообра-

5ч/1

2,75

& 2.5

2.25

*

-О

1000 2000 3000 Удельная сила трения F. МПа

а)

600 800 1000 Среднее касательное напряжение Чр, МПа

6)

Рис. 7. Зависимости усадки стружки от удельной силы трения Я (а) и от среднего касательного напряжения яр (б) при точении стали 35, по данным М.И. Клушина и М.Б. Гордона [2]

Отношение напряжений о по Н.Н.Зореву, Сталь 35X3MH, s=0,78 мм/об

□ по Н.Н.Зореву. Сталь 35X3MH, s=0,39 мм/об

Рис. 8. Зависимость усадки стружки £ от отношения касательных напряжений qf/ту по результатам обработки экспериментальных данных H.H. Зорева [1] о силах резания и усадке стружки

зования и q0 на передней поверхности (рис. 4) не зависят от температуры на пластическом участке контакта. Именно их целесообразно использовать в качестве характеристик механических свойств материала при резании.

Из приведенных выше фактов можно сделать следующие выводы.

1. Гипотезы о возможности распространения закона простого нагружения, учитывающего только непосредственное влияние деформации на предел текучести, а также гипотеза о постоянстве удельных касательных сил не могут быть положены в основу расчета касательных напряжений (пределов текучести) при резании.

2. При относительно малых пластических деформациях преобладает деформационное упрочнение, а

при больших деформациях — температурное разупрочнение. При компенсации деформационного упрочнения и температурного разупрочнения достигаются максимальные значения предела текучести.

3. Максимальные значения предела текучести на передней поверхности и на задней поверхности застойной зоны выше, чем значения предела текучести в зоне стружкообразования.

4. В связи с изменениями средних касательных напряжений вследствие их зависимости от температуры нецелесообразно использовать их в качестве характеристик механических свойств материалов при резании. С этой целью целесообразно использовать максимальный предел текучести при резании, соответствующий выравниванию интенсивностей упрочнения и разупрочнения при адиабатических условиях деформации.

Библиографический список

1. H.H. Зорев. Вопросы механики процесса резания металлов. — М. : Машгиз, 1956. — 368 с.

2. Розенберг А.М., Еремин А.Н., Элементы теории процесса резания металлов. — М. : Машгиз, 1956. — 319 с.

3. Развитие науки о резании металлов / Колл. авт. — М. : Машиностроение, 1967. — 420 с.

4. М.Ф. Полетика. Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента — М. : Машиностроение, 1969. — 148 с.

5. B.C. Кушнер. Термомеханическая теория процесса непрерывного резания пластичных металлов. — Иркутск : Изд-во Иркутского ун-та, 1982. — 180 с.

6. Васин С.А. Резание материалов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании / С.А.Васин, A.C.Верещака, В.С.Кушнер : учеб. для техн.-вузов. — М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. — 448 с.: ил.

7. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. — М. : Машиностроение, 1982. -320 с., ил.

.

КУШНЕР Валерий Семенович, заведующий кафедрой «Материаловедение и технология конструкционных материалов» ОмГТУ, профессор, доктор технических наук.

СТОРЧАК Михаил Григорьевич, научный сотрудник Штутгартского университета (институт станков и инструментов), доктор технических наук. ЖАВНЕРОВ Алексей Николаевич, аспирант кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов» ОмГТУ.

КРУТЬКО Андрей Александрович, аспирант кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов» ОмГТУ.

644050, г. Омск, пр. Мира, 11

Дата поступления статьи в редакцию: 17.04.2009 г.

© Кушнер B.C., Сторчак М.Г., Жавнеров А.Н.,

Крутько АА.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК да 2 (SO). 2009 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ