CC BY
22
УДК 621.92
ОЦЕНКА ЗОНЫ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИ ПРИ РЕЗАНИИ
МЕТАЛЛОВ НА СРЕДНИХ СКОРОСТЯХ ОБРАБОТКИ
Д.И. Благовещенский, М.В. Ушаков, И. А. Воробьев
Представлено описание процессов, происходящих при резании металлов. Дано описание факторов, оказывающих влияние на формирование зоны деформации при скоростях соответствующих зоне наростообразования.
Ключевые слова: резание, нарост, линии уровня, линии скольжения.
В настоящее время учение о резании металлов [1, 2] характеризуется большим объемом экспериментального материала и выдвигаемых гипотез, пытающихся объяснить процессы, происходящие в зоне резания. Однако предлагаемые модели, как показали исследования [3], дают низкую сходимость с экспериментальными данными и их достоверность поддерживается введением дополнительных, весьма существенных, поправочных коэффициентов. Поэтому задача построения математической модели процесса резания является актуальной задачей.
Наиболее рациональным подходом к решению данной задачи является методика для «низких скоростей» обработки изложенная в [3], так как она в описываемой области дает наилучшее схождение (погрешность расчета менее 10%) с экспериментальными данными.
Оценка условий деформации при резании металлов, приведенная в [3], характеризуется «низкими скоростями» проведения операции, линейной формой стружки, постоянством напряжений (с^ су, т^) и деформаций (ех, Уху) на плоскости сдвига 2—4 (рис. 1).
Это связано с тем, что при «низких скоростях» обработки процессы деформации и разрушения являются циклическими. Они характеризуются:
медленным нарастанием напряжений и деформаций при движении инструмента до величин, превышающих значения соответствующие протеканию кинематических процессов;
деформация всей технологической системы в пределах зоны упругости;
начало процесса деформаций в зоне резания и его протекание со скоростью, превышающей скорость движения инструмента;
снижение напряжений во время и после деформаций до значений, соответствующих условиям протекания кинематических процессов деформации с одновременным снижением деформации технологической системы;
повторное медленное нарастание напряжений и деформаций за счет движения инструмента до повторения процесса деформации.
154
Рис. 1. Схема построения линий скольжения в зоне пластической деформации при «низких скоростях» резания
Однако при повышении скорости резания (например, до значения скоростей зоны наростообразования) условия деформации значительно изменяются. Процесс деформации становится стационарным (при постоянных физико-механических свойствах обрабатываемого материала): деформация технологической системы остается постоянной; напряжения и деформации в зоне резания остаются постоянными; размеры и форма зоны пластической деформации также остаются постоянными;
скорость перемещения зоны пластической деформации вдоль обрабатываемой поверхности равна скорости перемещения инструмента.
В случае стационарного протекания процесса резания в зоне деформации образуются траектории течения металла припуска (рис. 2) [4] и его преобразование в стружку с постоянной скоростью движения.
В зоне 2-3 формы траекторий определяются однозначно, однако в зоне 3-4 этого нет, так как непонятно какой из траекторий данной зоны металл будет переходить на плоскость сдвига 2-4.
Наиболее рационально предположить, что первоначальное разделение металла будет происходить в точке 4 и начальные траектории движения будут строиться около этой точки. Однако резкое изменение направления движения элементов металла (увеличение значений ускорений) в этом случае будет требовать гораздо больше энергии, чем движение из точки 3.
В зоне формирования линий скольжения (см. рис. 1) по площадкам
о
сопряженной сетки линий (проходящих под 90 к представленной на рисунке) на слои металла будут действовать касательные напряжения тху, прижимающие металл к передней поверхности инструмента и сдвигающие его в сторону движения стружки. Противодействие данным напряжениям оказывают силы трения стружки по передней поверхности инструмента, а
так же напряжения на линии 3-4 (сх, тху), которые (согласно расчетам) являются растягивающими перпендикулярно данной линии и сдвигающими в направлении движения детали. Это создает условия равновесия (застойную зону) на участке передней поверхности, близкой к вершине и позволяет ее рост от точки 3 к точке 4.
Рис. 2. Траектории движения элементов металла припуска
Учитывая разницу в направлениях перемещений стружки и обработанной поверхности детали, создаются условия по разрыву слоев металла в зоне линии 3-4. Однако, так как предварительно данные слои в зоне пластической деформации подвергались сжатию, а по прохождению вершины инструмента - растяжению с такой же величиной напряжений (участок 47) [3], то разрыв должен происходить в зоне растяжения около точки 4 (су) перпендикулярно обработанной поверхности так как напряжения перпендикулярные обработанной поверхности равны нулю (рис. 3). Это наглядно демонстрируется формой нароста, представленной на любых шлифах.
Формирование нароста, согласно энергетической теории, должно идти непрерывно. Однако под действием сил со стороны стружки и детали при увеличении его размеров условия равновесия его положения относительно точки 4 нарушаются, он срывается и начинает формироваться заново. Этот процесс требует дополнительного изучения.
Формирование нароста приводит к изменению, как геометрических параметров процесса обработки, так и размеров зоны пластической деформации. Одновременно формируются новые линии скольжения и поверхности сдвига (2-7' и 2-4' рис. 3). Оценка формы поверхности сдвига по шлифам, представленным практически во всех исследовательских ра-
ботах, показывает, что данная поверхность является плоскостью, которая должна иметь постоянные касательные напряжения вдоль всей плоскости сдвига.
Рис. 3. Формирование застойной зоны
Такую плоскость могут сформировать линии скольжения, описанные в [3]. Однако данные линии имеют один и тот же угол пересечения с плоскостью сдвига. Это соответствует постоянным напряжениям ах, ау и деформациям на этой плоскости ех, ]ху и, как следствие, прямолинейную форму стружки.
Существующие литературные источники подтверждают, что форма стружки при образовании нароста в большинстве случае - спиральная, что требует, линейного изменения напряжений и деформаций вдоль ее поперечного сечения.
Это приводит к одному лишь выводу: деформация стружки и приобретение ей спиральной формы должно происходить после плоскости сдвига в зоне 2-4'-9-10. Указанное утверждение также требует дополнительного доказательства.
Список литературы
1. Армарего И. Дж. А., Браун Р.Х. Обработка металлов резанием: пер. с англ. В.А. Пастунова. М.: Машиностроение, 1977. 325 с.
2. Воронцов А.Л., Албагачиев А.Ю., Султан-заде Н.М. Теоретические основы обработки металлов в машиностроении. Старый Оскол: ТНТ, 2014. 552 с.
3. Ушаков М. В., Воробьев И. А. Условия формирования зоны течения металла при низких скоростях резания: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 116 с.
4. Определение траекторий движения элементов срезаемого слоя в зоне резания при низких скоростях обработки / М. В. Ушаков [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 7. Ч. 2. Изд-во ТулГУ. Тула, 2015. С. 3-7.
Благовещенский Дмитрий Игоревич, канд. техн. наук, доц., imstulgu@pochta.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ушаков Михаил Витальевич, д-р техн. наук, проф., imstulgu@pochta.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Воробьев Илья Александрович, канд. техн. наук, доц., imstulgu@pochta.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ASSESSMENT OF THE ZONE OF THE PLASTIC DEFORMATSA WHEN CUTTING METALS AT A VERAGE SPEEDS OF PROCESSING
D.I. Blagoveshchensky, M. V. Ushakov, I.A. Vorobev
Presents a description of the processes occurring during cutting of metal crystals. Given the description of the factors influencing the formation of zones of deformation-tion at speeds corresponding to the area of built-up edge.
Key words: cutting, knot, line, level, slip lines.
Blagoveshchensky Dmitry Igorevich, candidate of technical science, docent, imstul-gu@pochta.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Ushakov Michael Vitalevich, doctor of technical science, professor, imstul-gu@pochta.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Vorobev Ilya Aleksandrovich, candidate of technical science, docent, imstul-gu@pochta.ru, Russia, Tula, Tula State University
