Совершенствование расчета температуры при резании на основе термомеханического подхода Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

удк621.941 В. С. КУШНЕР

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

Омский государственный технический университет Штутгартский университет. Институт станков и инструментов, г. Штутгарт. Германия Петербургский государственный университет путей сообщения, г. Санкт-Петербург

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ РЕЗАНИИ НА ОСНОВЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО ПОДХОДА

Представлена методика определения действительных механических характеристик при резании, учитывающая особенности влияния температуры на предел прочности обрабатываемых материалов. Расчеты температуры, выполненные с учетом этих характеристик и взаимовлияния температуры и предела текучести, сопоставлены с результатами экспериментального измерения температуры, полученными различными методами.

Ключевые слова: резание.термомеханический подход, сопоставление температур.

Температура при резании материалов широко используется многими исследователями д ля обобщения влияния условий резания на усадку стружки, силы резания, характеристики изнашивания и износостойкости режущих инструментов 111, а также для расчета или экспериментального определения минимальных целесообразных (оптимальных по критерию изнашивания) и предельных (по критерию теплостойкости) скоростей резания. В подавляющем большинстве случаев исследователи ограничивались экспериментальными сведениями о средней температуре контакта режущего лезвия со стружкой и деталью (о температуре резания). Однако для решения многих прак тических задач необходимо знать не только средние, но и максимальные температуры, а также распределения температуры но контактным поверхностям режущего инструмента. Кроме того, экспериментальные сведения о температуре, полученные для одних условий резания, не могут быть распространены на другие условия, отличающиеся от тех. которые соответствовали эксперименту. В связи с этим предпочтительны теоретические методы расчета температуры при резании. Однако, поскольку эти методы в значительной мере зависят от допущений, принимавшихся при схематизации процесса резания, по мере развития научных представлений о закономерностях стружкообразования, о взаимосвязи и взаимовлиянии тепловых и механических явлений необходимо совершенствовать и методы расчета температуры при резании.

Методы расчета температуры при резании по основным принимаемым допущениям можно разделить на две труппы: теплофизические и термомеханические. Теплофизический метод расчета температур, представленный в работе |2|. основан на теории дви-

жущихся источников теплоты, на использовании сведений из механики резания о силах резания и на допущении, что касательные напряжения (и, соответственно, плотности тепловых потоков) при резании не зависят от температуры. Термомеханический метод представленный в работе (3), в качестве исходных данных использует сведения действительных механических характеристиках обрабатываемого материала при резании и учитывает изменение предела текучести на Сдвиг при повышении температуры.

Согласно сложившимся общенаучным представлениям, положенным в основу термомеханического метода, предел текучести деформируемого материала зависит от деформации с, скорости деформации '£

и гомологической температуры Т. Для адиабатических условий деформации эта зависимость описывается определяющим уравнением (1) (3):

где А = {7з[ч/31п(1 + £г)]’}

д „I

а*

/(АГ') - функция гомологической температуры, отражающая влияние температуры на предел текучести. В работе (3) Функция /(ДТ') принята в виде экспоненты: /(Д7”) = ехр(-ВДТ').

Анализ многих известных работ показал, что теоретические методы определения температуры не-

Л)

б)

Рис. I. Зависимости дсАстнитсльного предела прочности от температуры при растяжении (4]:

а) стали 00:1 - твердость НВ»2050 МПа; 2 - твердость IIВ = 2850 МПв;3 - твердость НВ = 3600 МПа; б) никелевого сплава: I - ХН02МВТЮ, 2 - ХН70ВМТЮ. 3 - ХН77ЮР

достаточно сопоставлялись с экспериментальными методами 11,2,3).

В настоящей работе учитывается специфика влияния температуры на предел текучести, уточняется расчет действительных характеристик обрабатываемых материалов при резании, сопоставляются результаты расчета температуры при резании углеродистых сталей и сплавов на никелевой основе с известными экспериментальными результатами других исследователей, полученными различными методами измерения температуры

Выполненный анализ влияния температуры на предел прочности углеродистой стали 60 и сплавов на никелевой основе (рис. 1) позволил обосновать вид функции f(AT') для этих обрабатываемых материалов.

В частности, для стали 60 функция f(AT') может быть аппроксимирована ломаной прямой линией в двух температурных интервалах:

/(Д Г).

4-йНйз

4-s)

при 0 < 200 "С .

при 0 > 200 "С.

(2)

а для никелевых сплавов также ломаной прямой линией - в трех интервалах.

Адиабатические условия деформации характерны для зоны стружкообразования и областей застойной зоны, прилегающих к режущей кромке со стороны передней и задней поверхностей. Именно в этих зонах имеет место существенное упрочнение деформируемого обрабатываемого материала под влиянием. главным образом, скорости деформации.

Учетспецифнки влияния температуры на предел прочности и интегрирование уравнения (I) позволили определить зависимости предела текучести от деформации при резании (рис. 2) в виде:

1- = АКе”ех р

АД/С,

[\ + т)(Т'0-Гс)

где Kt. Kt) - коэффициенты динамичности для зоны стружкообразования и передней поверхности, соответственно, равные: Кс =1.3; Кя = 1.6 - для сталей и К, = 1.8; Ка

1.6

основе; К* “

2.15- для сплавов на никелевой

-I

1 +

1-exp (Petg<py)

Petg<py

учитывает

влияние отвода тепла из зоны стружкообразования в детальна температуру деформации.

Зависимости предела текучести от истинного сдвига имеют вид выпуклых кривых сточкой максимума [ёр, г/Бь) или (ё'.д/Бь) (рис.2)

= АК,с?ехр

АА,К,К

Рг

(1+ш)(г;-г;.)

Рис. 2. Зависимости отношения предела текучести к действительному пределу прочности от деформации:

I - при испытаниях на растяжение; 2 -зоны стружкообра-зовання для стали 00; 3 - передней поверхности режущего лезвия для стали 00; 4 - зоны стружкообразова-ним для никелевого сплава; 5 - передней поверхности режущего лезвия для никелевого сплапа

• Температура передней поверхности Температура задней поверхности

л)

е.°с

1100

1000

900

800

700

600

ч

\

\

0.1 0.2 0.3 X. ММ

— Температура передней поверхности

— Температура задней поверхности

в)

Рис. 3. Распределение температуры на контактных поверхностях резца: а) - при точении стали 60, твердостью НВ=2850 МПа резцом Т14К8 при режимах: V■ 45 м/мин, *=1.2 мм/об 9=75°, у=10°, а=10°, г=4 мм. I *» 8 мм; С)- при точении сплава ХН70МВТЮ резцом ВК8 при режимах: \в40м/мнн, IеI мм, 5=0,15 мм/об, г=0,5 мм, у318*. а=8\ <р=45*

,у И л 1© 4 Л

А * и* '

Ь

і

0.5 1 1.5 2 мм/об

а) о Эксперимент --------Расчет

0 5 10 15 20 V. м/мин

б)о Эксперимент Расчет при £>1 мм'об л Эксперимент --Расчет при Э=1,5им'об

* Эг.спеоьыент--------Расчет пои Э»3 мм'сб

Рис. 4. Сопоставление результатов расчета температуры резания с результатами измерения температуры резца Я.Г.Усачевым: а) - зависимость температуры от подачи при постоянной скорости резания у=14 м/мин;

б) - зависимости температуры от скорости резания при постоянных подачах. Точение стали оЬя550 МПа, 5"0,24 быстрорежущим резцом 1*30’, «р“30*. 1я4 мм, Ьз* 0,5 мм

ОХ

750

650

550

I в —О " " 1

Г X

50 150 V. у.'мин

—♦—Расчет, сталь 45.8=032 міУоб □ Эксперимент, сталь 45.5=0.32 миЛэб Расчет. ШХ15.5=0,21 м^об х Эксперимент. ШХ15, $=021 мм/об — *- Расчет.сталь У8.5=021 мм/об О Эксперимент. сталь У8.5=0,21 мм/об

Рис. 5. Сопоставление результатов расчета температуры резания с экспериментальными результатами Н.В. Талантова (6), Л.Б. Антоняна |7) и Л.Д. Макарова (8)

При этом

тРУ-У)

АКгКРгАі г тіТ^-Т') ( т \

(5)

кРЛ

1-=“ \ё

п\(Т0'-Тс')

1

I • /п

(6)

<7 т[Т*-Тс')

5° Г 5 6ХР

• 4-І,

Выполненные расчеты (рис.2) показали, что обрабатываемые материалы в процессе резания существенно упрочняются в сравнении с пределом текучести на сдвиг при растяжении, равным 5,,/л/З =0,577. В частности, для отношение максимального значения предела текучести на сдвиг в зоне стружкообразования при резании к действительному пределу прочности при растяжении для стали 60 почти в 1,5 раза, а для никелевых сплавов в 2,2 раза выше, чем при растяжении, а на передней поверхности - для сталей в 1,8 раза выше, а для никелевых сплавов - 2,5 раза выше, чем при растяжении.

Расчеты показали, что при точении сталей средние касательные напряжения г/5„ ( г/5ь = 0,76) в зоне стружкообразования вследствие локализации деформаций вблизи конечной границы при >€ несколько ниже, чем максимальные: т/5ь = 0,85. Эти результаты хорошо согласуются с ранее полученными экспериментальнымнданными (3|.

При расчете температур на передней и задней

а) ----Расчет, а Эксперимент

6)-----Расчет при to=0,4 uu о Эюпериыент

-----Расчет при hjsO.e uu

Рис. 0. Сопоставление зависимостей температуры от скорости резания при точении никелевых сплавов: а) - ХН75ВМЮ (ob= 1105 МПа.6=0.11). в=0,09 мм/об, I =0.25 мм. резцом ВКОМ у=0°, 9=45°; б) - ХН70МВТЮ - BK0.1=0,5 мм. прочие условия те же

0ГС 800 700 600 500 400 300

о о

о

р s'

02 0.4 0.6 00 1 1.2 1.4 10 Х.м

о°

§ §'

/■ X 9 с

/

0.8 1.6

п)

б)

Рис. 7. а) - распределение температуры по передней поверхности резца при токарной обработке стали 45 НВ = 2290 МПа, V =23 м/мин, Б= 0,0 мм/об. I ■ 5 мм: а - ПО экспериментальным данным

Г. Бутройда |2|;--расчетные результаты авторов;-----расчетные результаты А. И. Резникова |2).

б) - температура задней поверхности инструмента по Б. Т. Чао, X. Л. Ли и К. И. Триггеру при обработке стали ХС45,

V = 95 м/мин, 8 = 0,41 мм/об, у = 5°, ф=00° (2|. о - экспериментальные данные;-расчетные результаты

0.2 0.4 0.6 0.8 Хмм

0.6 X. мм

Рис. 8. Распределение температуры по передней поверхности при точении стали 40 (ИВ* 1790 МПа) резцом у* - 10*. ч>=70*. в °0.21 мм/об. I" 1.5 мм,: -о—V" 115 м/мин; о- по экспериментальным данным Т. И. Аоладзе;

— - V ■ 208 м/мин; л- по экспериментальным данным Т. Н. Лоладзе. Распределение температуры по передней поверхности резца из быстрорежущей стали при V=I83 м/мин, 8=0.25 м/об - по Е. М. Тренту; - расчетные данные

поверхностях режущего инструмента участки контакта инструмента со стружкой и деталью разбивались на достаточно большое число интервалов. Уменьшение предела текучести с ростом температуры на каждом интервале участка пластического контакта стружки с резцом (или застойной зоны с деталью) учитывалось путем введения на каждом интервале стоков тепла, интенсивность которых определялась с учетом установленного влияния температуры на предел текучести:

К,„ = 3^.Ял=Я О

г 4+2И где т 0 т

1 п* 1 /и

Разработанные программы позволяют рассчитывать распределения температур по передней и зад-

ней поверхностям инструмента (рис. 3). а также средние температуры (температуры резания}.

Сопоставление расчетных данных производилось с известными экспериментальными данными, полученными отечественными и зарубежными исследователями в различное время с применением различных методик измерения температуры [ 1 - 3,5- 10).

Первые данные отемпературе режущего инструмента вблизи режущей кромки были получены русским ученым Я.Г. Усачевым в 1912 г. |5|. Полуискус-ственная термопара состояла из изолированной от резца константановой проволоки и материала резца. Конец константановой проволоки располагался параллельно передней поверхности резца на расстоянии *0,3 мм. Опыты проводились при точении стали с пределом прочности ов =550 МПа, относительным удлинением б = 24% быстрорежущим резцом ф»30\ у = 30*. Износ резца по задней поверхности не указывался и при расчетах условно прият постоянным и равным 0,5 мм.

При малых температурах (менее 400 *С) экспериментальные результаты ниже расчетных (рис. 4). Это связано, глапным образом, с влиянием нароста на температуру, не учитывавшимся при расчетах. Кроме того, при уменьшении скорости резания (критерия Ре) на температуру оказывают заметное влияние тепловые потоки вдоль контактных поверхностей и влияние отвода теплоты в резец, также не учитывавшиеся при расчетах (3|. Таким образом, опыты Я.Г.Усачева (5). полученные с помощью полуискус-ственной термопары «константен - быстрорежущая сталь», при температурах выше 400*С (или при Ре > 10) хорошо согласуются с расчетными результатами, полученными термомеханическим методом.

Большое число опытов по измерению температуры выполнено методом естественной термопары (1, 2). Это связано, по-видимому, с простотой измерения температуры резания этим методом. Во многих случаях имеет место хорошее совпадение расчетных результатов с экспериментальными (рис. 5-6).

Однако в ряде случаев имеют место и существенные отклонения расчетных результатов от экспериментальных. а также одних экспериментальных результатов от других, полученных другими авторами при аналогичных условиях резания. Так. например, при точении стали ШХ15 твердостью НВ = 2200 МПа с подачей 5=0,21 мм/об (рис.5) в области скоростей резания 100 - 200 м/мин температура резания, измеренная в работе (7), значительно ниже, чем измеренная в работе |8) точении стали У8 той же твердости при аналогичных условиях резания, а также ниже, чем температура, полученная расчетом. Столь значительные расхождения одних экспериментов с другими, а также с расчетными результатами могут быть связаны со сложностью тарирования естественной термопары и возникающими при этом погрешностями.

В работах Г. Бутройда |2), Б.Т. Чао. Х.Л. Ли и К.И. Триггера и др. сведения о температурах передней и задней поверхностей режущего лезвия получены по инфракрасному излучению (рис. 7). Достоинством этого метода является более точное тарирование.

Экспериментальные данные Г. Бутройда и Б.Т. Чао. Х.Л. Ли и К.И. Триггера [2| хорошо согласуются результатами. полученными термомеханическим методом. но не подтверждают результатов, полученных теплофизическим методом (2).

Распределение температуры по передней поверхности изучалось также экспериментальным методом разрезного резца |9) и с помощью анализа структурных превращений в быстрорежущей стали, использовавшейся в качестве инструментального материала (10] (рис. 8).

Метод разрезного резца позволяет измерять средние температуры на части контакта и по ним судит», о распределении температуры. Для него характерны те же недостатки, что и для естественной термопары, связанные с трудностями тарирования и изменением условий контакта на передней поверхности разрезного резца. Этим может быть объяснено расхождение результатов эксперимента и расчета. Метод структурных превращений в инструментах из быстрорежущей стали (рис. 76). использовавшийся для измерения температуры в работах Костецого [ 1). Е.М. Трента |10| позволяет получить более достоверную информацию отемпературе и ее распределении по передней поверхности. При этом результаты экспериментального определения температуры хорошо согласуются с расчетными, полученными термомеханическим методом.

Выводы. Термомеханический метод определения температур имеет преимущества перед теплофизи-

ческим методом, поскольку не требует исходных данных в виде сил резания, так как основывается на механических свойствах материала. Достоинством термомеханического метода является то, что он позволяет учесть взаимосвязь температуры, плотности тепловых потоков и распределение касательных напряжений в более широком диапазоне условий резания. Экспериментальная проверка методики, показала достаточно хорошее согласование расчетных данных температуры с известными экспериментальными данными различных исследователей. Следовательно, данный метод может быть использован для расчета температуры и касательных напряжений при резании.

Библиографический список

1. Развитие науки о резании металлов Колл. опт. -М. : Машиностроение. 1967. — 420 с

2. Резников А.Н. Теплофизика резании — М. : Ма-шнностороение, 1969. - 288 с.

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

4. Марочник сплавов и сталей. - 2 изл. АОП. и испр. / А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. / Под общей ред. А.С. Зубченко - М. : Машиностроение, 2003. - 784 с.

5. Русские ученые — основоположники науки о резании металлов / Под рел. К.П. Панченко, — М. : Маш-тиз, 1952. - 480 с.

6. Талантов П. В. Физические основы процесса резания, изнашивании к разрушения инструмента. - М. : Машиностроение, 1992. - 240 с.

7. Антонин Л.Б. Исследование эффектииности термоэлектрического охлаждении резца. // Тезисы докладов конференции «Теплофизика технологических процессов» секции «Теплофизика резания». - Тольятти. 1972. - С. 76 - 80.

8. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. -М. Машиностроение. 1976. — 278 с.

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

10. Трент Е.М. Резание металлов / Пер. с англ. Г.И. Айзенштока. — М. : Машиностроение. 1980. — 263 с.

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. ВОРОБЬЕВ Александр Алфеевнч, доцент кафедры «Технология металлов» ПГУПС, кандидат технических наук.

ЖАВНЕРОВ Алексей Николаевич, аспирант кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов» ОмГТУ.

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

Дата поступления статьи в редакцию: 02.03.2009г.

© Кушнер B.C., Сторчак М.Г.. Воробьев Л.А.,

Жавнеров А.Н., Крутько А.А.