CC BY
6
УДК 921.91.01
Т.Г. Насад, Г.А. Козлов, В.В. Насад
РЕОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ОБРАБОТКЕ
Предложена реологическая модель высокоскоростной обработки, учитывающая механические характеристики обрабатываемого материала в зависимости от температурно-силового режима нагружения поверхностного слоя для поиска оптимального управления качеством поверхностного слоя. Приведены зависимости, устанавливающие взаимосвязь между наиболее значимыми параметрами, характеризующими процесс.
Реологическая модель, высокоскоростное деформирование, высокоскоростная обработка, управление качеством, силовой фактор, температуры.
T.G. Nasad, G.A. Kozlov, V.V. Nasad METALS CUTTING REOLOGICAL MODEL AT HIGH-SPEED PROCESSING
The model of high-speed processing considering mechanical characteristics of the processed material depending on a temperatures-power mode deformation of surfaces for search of optimum control by quality of surfaces is offered here. The article reveals dependences establishing interrelation between the most significant parameters, characterizing the process.
Rheological model, high-speed deformation, high-speed processing, quality management, the power factor, temperatures.
Исследование процессов высокоскоростного деформирования, характерного для высокоскоростной обработки, представляет большой интерес в связи с разработкой общей теории поведения материалов под нагрузкой с учетом его реологических свойств [1] - основной проблемы механики твердого деформируемого тела, а также в связи с решением ряда задач, в которых существенное значение имеет процесс высокоскоростной деформации в областях ее локализации, обусловленной концентрацией напряжений в поверхностном слое обрабатываемой поверхности. Способ высокоскоростной лезвийной обработки поверхностей широко применяется при чистовой и отделочной обработке материалов в машиностроении, однако некоторые теоретические вопросы процесса требуют проведения дополнительных исследований. Задачей исследования было рассмотрение механических характеристик обрабатываемого материала в зависимости от температурно-силового режима нагружения поверхностного слоя и разработка его реологической модели для поиска оптимального управления качеством поверхностного слоя.
Известно, что деформация материала под нагрузкой включает деформацию упругую, вязкоупругую и пластичную. Каждый вид этой деформации может быть представлен в виде отдельного элемента. Так, упругая деформация характеризуется модулем упругости (Е или
О) и величиной деформации Д1, вязкий элемент оказывает сопротивление деформации, величина которой Д2 определяется скоростью деформации, а сопротивление пластической деформации зависит от величины деформации Д3 и модуля пластичности материала М.
Р1 = Е Д1 ; Р2 = К Д2 ; Рз = М Дз .
Для описания механических свойств металла используется реологическая модель, представленная на рис. 1.
с
х}м
Рис. 1. Реологическая модель упруговязкопластичного металла при резании
Запишем систему уравнений, описывающих зависимость удлинения модели от величины силы
К Х1 + Х1М = Р , Е (Х2 - Х1) = Р ,
где х1 - перемещение вязкого и пластичного элементов; х2 - перемещение упругого элемента; К - коэффициент вязкости металла при пластическом деформировании; М- модуль пластичности материала.
Найдем из второго уравнения значение х1 и подставим его в первое уравнение. После подстановки и последующего преобразования получаем дифференциальное уравнение, связывающее величину упругого перемещения Х2 с величиной силы деформации Р, производной этой силы по времени и другими характеристиками обрабатываемого материала.
к±2 - Рг+Х2М - Р(0 м = Р(г). (1)
Решение полученного уравнения возможно двумя способами:
1. Если известен закон изменения силы Р во времени, то можно определить величину перемещений х1 и Х2.
2. Если известен закон изменения во времени перемещений Х1 или Х2, то можно определить зависимость во времени силы, вызывающей упруговязкопластичную деформацию.
Применительно к ВСО рассмотрим второй случай, когда известен закон изменения перемещений системы во времени (х = V). При заданной выходной скорости перемещений системы ее перемещение х определяем путем интегрирования.
х = V г.
Математическая модель этой зависимости имеет вид:
Р(г) =А ехр(Ьг), (2)
где А, Ь - коэффициенты регрессии, определенные экспериментально.
Чтобы перейти от модели к сплошной среде, заменим удлинение х на величину деформации в, силу Р заменяем напряжением о, жесткость С на модуль упругости при сдвиге О.
Получаем реологическое уравнение в виде:
К-О + В2М-о(г)М = °(0. (3)
е' = -
При лезвийном резании относительная скорость 8 определяется по формуле:
V Н '
где V - скорость резания; Н - толщина деформированного слоя стружки, равная
Н = а к ,
где а - глубина резания, мм; к - коэффициент усадки стружки.
Полученная реологическая модель лезвийного резания учитывает упругие, вязкие и пластические свойства обрабатываемого материала посредством коэффициентов (О, М, К), режимы резания непосредственно (V и и косвенно подачу (5) через коэффициент усадки стружки к и свидетельствует о повышении силы резания при обычной обработке (без предварительного подогрева зоны резания). Что касается диапазона, характерного для ВСО [3], то имеет место снижение сил резания, что объясняется изменением основных механических характеристик обрабатываемого материала - пределом пластичности и пределом прочности, которые существенно изменяют механизм формирования шероховатости обрабатываемой поверхности. Наряду с упрочнением материала снимаемого припуска при ВСО действует и фактор разупрочнения за счет нагрева обрабатываемой поверхности от действия теплового источника и снижения его механических характеристик.
Исследованиями установлено, что повышение прочностных характеристик материала приводит к его «охрупчиванию» и снижению пластической деформации микровыступов шероховатой поверхности. В результате этого обработанная поверхность становится более чистой и имеет при этом регулярный микрорельеф, что позволяет с высокой точностью прогнозировать численную величину параметров шероховатой поверхности.
Анализ шероховатых поверхностей, получаемых при традиционной чистовой обработке, показывает, что удельный вес пластической составляющей достаточно значительный и может составлять 35-45% от значения Я^. При высокоскоростной обработке эта составляющая существенно уменьшается и, как правило, не превышает 10-12%.
НШНШ НЙШШЙШШ
Рис. 2. Поверхность образца из стали У8А после высокоскоростного фрезерования
На рис. 2 представлена поверхность образца из стали У8А, обработанная высокоскоростным торцевым фрезерованием со скоростью V = 10 м/с и = 0,03 мм/зуб. Четко видны следы от режущего инструмента с минимальным пластическим деформированием микровыступов. Дополнительная математическая обработка профилограммы с определением корреляционной функции профиля показала, что величина случайной составляющей профиля не превышает 10%. Аналогичная картина имеет место и при обработке более пластичных материалов (сталь 45, сталь 40Х), при этом величина случайной составляющей равна 12-14%.
Таким образом, при высокоскоростном торцовом фрезеровании с высокой вероятностью (90-85%) можно моделировать профиль шероховатой поверхности на основе известных геометрических моделей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Dor lange Weg zum HSC // Produktion, 2001. № 39. С. 38-39. (нем.)
2. Марочник сталей и сплавов. М.: Машиностроение, 1989. 640 с.
3. Степанов Г.В. Упругопластическое деформирование материалов под действием импульсных нагрузок / Г.В. Степанов. Киев: Наукова думка, 1989. 268 с.
Насад Татьяна Геннадиевна -
доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой «Технология электрофизических и электрохимических методов обработки» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета
Козлов Геннадий Александрович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология электрофизических и электрохимических методов обработки» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета
Насад Владислав Владимирович -
студент кафедры «Технология электрофизических и электрохимических методов обработки» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета
Nasad Tatyana Gennadiyevna -
Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of «Technology of Electrophysical & Electrochemical Methods of Processing» of Engels Technological Institute (branch) of Saratov State Technical University
Kozlov Gennadiy Aleksandrovich -
Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of the of the Department of «Technology of Electrophysical & Electrochemical Methods of Processing» of Engels Technological Institute (branch) of Saratov State Technical University
Nasad Vladislav Vladimirovich -
Student of the Department of «Technology of Electrophysical & Electrochemical Methods of Processing» of Engels Technological Institute (branch) of Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 08.06.09, принята к опубликованию 09.09.09
