Сопротивление деформации при резании металлов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ИЗВЕСТИЯ ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 224 . 1976

СОПРОТИВЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ

Г. Л. КУФАРЕВ, В. А. ГОВОРУХИН

(Представлена научным семинаром кафедр станков и резания металлов и технологии машиностроения)

В работе [1] показано, что при резании металлов каждая частица обрабатываемого материала, попадая в зону стружкообразования, деформируется в каждой точке этой зоны при различном температурно-скоростном режиме. Это обстоятельство должно накладывать отпечаток на кривую течения а£ —е1 при резании.

Для того, чтобы рассчитать силы резания, необходимо знать, в первую очередь, максимальное касательное напряжение, действующее на верхней границе зоны стружкообразования. А это возможно только в том случае, если известна действительная, кривая течения при резаний и степень деформации материала в стружке. Определение кривой течения в процессе резания возможно и показано в работе [2], однако является трудоемкой и кропотливой работой. Вторым возможным путем определения максимального касательного напряжения при резании является проведение механических испытаний обрабатываемого материала в заданных температурно-скоростных режимах деформирования. Однако и этот путь является трудоемким из-за бесчисленного множества экспериментов при механических испытаниях и невозможности в настоящее время провести механические испытания при таких скоростях деформации, которые сопровождают процесс резаная. В принципе этот путь в дальнейшем перспективен и, очевидно, найдет широкое применение при некоторых допущениях. Одним из допущений этого пути решения является перенесение зависимостей, полученных при иных схемах деформирования, на процесс резания.

В теории обработки материалов давлением при различых температурах и скоростях деформации широкое применение нашли следующие зависимости [3, 4]:

оу = а0 + С-\п-^-у (1)

Ъ=°'0-е—т. ' (2)

Зависимость (1) в настоящее время считается наиболее приемлемой для неполной холодной деформации.

оу — сопротивление деформированию при данной скорости деформации .

сто — сопротивление деформированию при скорости деформации ё^

—сопротивление деформированию при температуре деформации ♦

к.

а — температурный коэффициент, зависящий от рода материала и скорости деформации.

с — скоростной коэффициент.

а'о — сопротивление деформированию, экстраполированное до 0° К.

е — основание натуральных логарифмов.

Если далее предположить, что модуль пластичности при изменении скорости деформации в области изменения температур деформации при резании остается постоянным, то напряжения в процессе резания можно определить по формуле

3. = а0.е-«г + <Мп4ч (3)

здесь а0 — сопротивление деформированию при данной степени деформации в условиях статического сжатия при комнатной температуре, определяемое по кривой течения, которая хорошо аппроксимируется уравнением

а0 = Л-еД

где е{ —интенсивность деформации,

Л, к — постоянные коэффициенты, зависящие от материала.

Одним из возможных вариантов решения уравнения (3) является вариант, описываемый ниже.

Предположим, что влияние скорости деформации на напряжение *

при резании можно оценить опытами на растяжение или сжатие при одинаковом уровне скорости нагружения. Под скоростью нагружения понимают изменение прикладываемого напряжения в единицу времени.

Будем считать далее, что влияние скорости в процессе резания определяется ее максимальным значением в зоне сгружкообразования, поскольку и степень деформации наиболее быстро нарастает в момент, когда скорость деформации максимальна.

Ю. Я. Волошенко-Климовицкий [5] при ударном растяжении железа Армко и сталей ст. 45, ст. ЗОХГСА, ст. 40Х, ст. ШХ15 со скоростью уда^а 8,7 ж/се/с. (скорость нагружения была постоянной в опытах и составляла а£ =3-\06кг/мм2сек) получил уменьшение коэффициента динамичности ц при увеличении статического предела текучести. Под коэффициентом динамичности понимается отношение динамического предела текучести од к статическому о>о. Можно предположить, что использованные в настоящем исследовании металлы удовлетворяют зависимости г] = 5(сг0), полученной Ю. Я- Волошенко-Климовицким. Математическая обработка этой зависимости показала, что она очень хорошо удовлетворяет уравнению

Скорость нагружения в процессе резания оценивалась возрастанием интенсивности напряжения в единицу времени. Интенсивность напряжений в каждой точке определялась по известному распределению микротвердости в пластической области и тарировочному графику, связывающему напряжения с твердостью и полученному при механических испытаниях материала на сжатие. Результаты расчета скорости

нагружения для сталей ст. 40, ст. 2X13, ст. ШХ15 и латуни Л62, обрабатывавшихся при различных режимах резания, представлены на рис. 1.

Оказалось, что скорость нагружения почти не зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, подачи и геометрии инструмента и определяется в основном скоростью резания. Из рис. 1 следует, что при изменении скорости резания от 40 м'/мин. до 250 м/мин. максимальная скорость нагруженяи в зоне стружкообразования изме- ^ няется в пределах от МО5 кг/мм2сек. до 7-Ю5 кг/мм2сек. Поэтому можно считать, что скорость нагружения при практически применяющихся скоростях резания в среднем имеет значение 4-Ю5 кг/мм2 сек.

ikO 180 220 . 26$

12Ú Ш 200 гко

Ckopocmb резания V. т/тин. Рис. 1

Процесс резания металлов является процессом пластической деформации и он должен подчиняться закономерностям пластической деформации, установленным в других процессах деформации, хотя схема деформирования может внести некоторые особенности в эту зависимость. Если отвлечься от влияния температурного фактора в процессе резания, то можно перенести зависимость — 27-ао'35, полученную при динамическом растяжении, на процесс резания при равных скоростях нагружения. Тогда можно полагать, что в процессе резания металлов динамический предел текучести должен составлять ту же величину. Перенос зависимости од = 1(о0), полученной для динамического растяжения со скоростью нагружения 3-Ю6 кг/мм2 сек., на процесс резания со средней скоростью нагружения 4-105 кг/мм2 сек. вполне правомочен, так как работы [6, 7] показали, что изменение скорости деформации в пределах одного порядка несущественно влияет на изменение напряжений. Следовательно, ббльшой погрешности при переносе этой зависимости на процесс резания не допускается.

Тогда напряжения в процессе резания без учета температурной поправки определятся из выражения:

°„ = °о+(27-оО;з5_а0(2) кГ;мм\ (4)

где

а0 — интенсивность напряжений в процессе статического сжатия , при данной степени деформации.

00,2 — условный предел текучести при статическом сжатии.

Определяется по кривой течения при сжатии при е{ =0,2.

Выражение (27 —а02 ) учитывает повышение напряжений при скорости нагружения 3-Ю6 кг/мм2сек.

Для определения поправки на напряжение, вызванной отдыхом, была проведена серия экспериментов по резанию различных по химсоста-

ву и служебным свойствам сталей нескольких классов — углеродистая сталь (ст. 10, ст. 20, ст. 60, ст. У10А), конструкционная легированная сталь (ст. ЗОХГСА, ст. 45Х), коррозионно-стойкая жаропрочная сталь (ст. 2X13, ст. 4X13, ст. Х12), штампован хромованадиевая сталь (ст. ЗХ2В8).

Все обрабатываемые материалы подвергались отжигу для снятия внутренних напряжений и механическим испытаниям на статическое сжатие при комнатной температуре для получения кривой течения.

Напряжения в условной плоскости сдвига определялись по силам, измеренным в процессе резания, а степень деформации — по усадке стружки.

ГоРт* *пФ /еч

У з -—, (5)

а-о

е1= 1 С*-2С.з1пУ+1 > (6)

у 3 ^-сову

где,

ф — угол, определяющий положение условной плоскости сдвига, в град.

у — передний угол инструмента, в град.

РГ—сила, действующая вдоль условной плоскости сдвига, в кг.

а, Ь — толщина и ширина срезаемого слоя, в мм.

| — усадка стружки.

Расчет напряжений проводился только для сливных стружек в области режимов резания, когда отсутствовал нарост на резце.

Результаты экспериментов по резанию и сжатию, представленные на рис. 2 в качестве примера для 5 марок сталей, дают большую возможность для определения разупрочнения в процессе резания. Как следует из представленных графиков, напряжения в процессе резания ст(-меньше ор на величину Дст^, вызываемую отдыхом в процессе деформации, следовательно, разность между ор и действительными напряжениями аг в процессе резания определяет величину Даг

Да, = /(7\ (7)

Расчеты,- проведенные по формуле (7) при значениях е^ имеющих место в процессе резания каждого из материалов, показали, что величина напряжений Да, определяется, в первую очередь, степенью деформации и хорошо удовлетворяется уравнением вида:

А Ъ = В.е?, (8)

где

В, Ь — коэффициенты, постоянные для каждого материала.

Анализ полученных коэффициентов В и Ь показал, что линейной связи между ними и теплофизическими характеристиками не существует. Оказалось, что такая связь имеется с условным пределом текучести сто,2 . Линейная аппроксимация значений В и Ь методом наименьших квадратов позволила получить уравнения для определения их величины в зависимости от условного предела текучести :

3=80,4-0,44 а0,2; (9)

¿=0,0035-30,2. (10)

V©

т № 80 И

(а № т т т да

Г Т- [ _

т те 9 аья ы < —Ш о РГ»

ь ■

г

(

_

Сп ал И ¿1 ,5 о О

г**- * • и &

/

(

-Ея тп т ___ — ' Л п-л.

и Срй гГ А

/

-Сп )0М ШГ д. -- — •"""

— / I & > к -•в- -рг

/ а'

/ {

СталЬ Х12 -- ДЬ>Г Г о ¿■Злш 7тв

"Г— и-80' (¿ -¡О*

а- -/' 0.195 т*/а

/ ____ 0.39--- а-у-*'. В'0.195 -----0.39 — »- сжатие

!

т 05 И „ ш 21 гь т и иь г, *<

Рис. 2

Тогда уравнение для расчета конечных напряжений в процессе резания в условной плоскости сдвига с учетом температурно-скоростного режима имеет вид

аг==а0+Да^~(11)

Для того, чтобы рассчитать напряжения по формуле (11), необходимо знать:

1. Кривую течения Оъ=А-еьк , полученную при статическом сжатии образцов из данного материала в условиях комнатной температуры.

2. Конечную интенсивность деформации материала в стружке.

Уравнение (И) пригодно лишь для материалов, дающих при резании сливную стружку, и процесса резания, близкого к схеме плоской деформации.

Уравнение (11) было проверено по результатам экспериментов Н. Н. Зорева [8]. Сравнение расчетных и экспериментальных значений интенсивности напряжений в условной плоскости сдвига представлено на рис. 3. На этих графиках по экспериментальным точкам сплошной линией проведена кривая течения при сжатии или растяжении. В об-

т вв

6В

кь га

89 60 ш

т т 88

Ш 88 $В Ы

«

ласти высоких значений деформаций е1 она проведена пунктиром согласно аппроксимации Н. Н. Зорева. Крестиками на графике обозначены экспериментальные значения аг и определенные в опытах по резанию. Здесь же сплошной линией показаны результаты расчета а,- по уравнению (11).

Таким образом, полученное уравнение (11) удовлетворительно соответствует экспериментальным данным при резании 18 весьма-различных по характеристикам материалов и может быть рекомендовано для практического использования.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. А. Говорухин, Г. Л. Куфарев. Температурно-скоростной режим деформирования при резании металлов. Изв. ТПИ, т. 224.

2. В. А. Говорухин, Г. Л. Куфарев. О совпадении кривой течения в процессах резания и сжатия. Изв. ТПИ, т. 209, в печати.-

3. Н. П. Агеев, С. И. К а р а т у ш и н. Механические испытания металлов при высоких температурах и кратковременном нагружении. «Металлургия», М., 1968.

4. И. Е. Тарновский, А. А. Поздеев и др. Механические свойства стали при горячей обработке давлением. Металлургиздат, Свердловск, 1960.

5. Ю. Я. В о л о ш е н к о-К л и м о в и ц к и й. Динамический предел текучести. «Наука», М., 1965.*

6. Л. М. Шестопалов. Деформирование металлов и волны пластичности в них. АН СССР, М.—Л., 1958.

7. Г. И. Погодин-Алексеев. Динамическая прочность и хрупкость металлов. М., «Машиностроение», 1966.

8. Н. Н. 3 о р е в. Вопросы механики процесса резания металлов. Машгиз, М., 1956.

. — * —

- » "5 X А X -А—5 X

У

Сг пало 00- г

-

ппвС о-*" —: -1 & X N4? _

X х X X

1

& Ст йлЬ \ (0

1 5 ' 3 г & 1 3 г.7 0 3 ,3 ' .6

— —

&СГ-0 X * ' V * X х X

Ста 7Ь У 8ХН

8

ггтГ - - дах —х-з

X -ч ТГХ' X

г

т— Чз а лЬ ? ТАЪ

1 1

Р<ис. 3