CC BY
34
УДК 621.9
B. Г. Шадский, д-р техн. наук, проф.,
C. В. Сальников, д-р техн. наук, проф.,
О. А. Ерзин, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-18-87 (Россия, Тула, ТулГУ)
УСЛОВИЯ ПОДВОДА ИНТЕНСИФИЦИРУЮЩЕГО ПОТОКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ К ЗОНЕ РЕЗАНИЯ
Рассмотрено распределение электрического тока между передней и задней поверхностями инструмента и плоскостью сдвига при интенсификации процесса резания. Произведена оценка контактных явлений возникающих в этих зонах. Показано влияние режимов резания и характеристик обрабатываемого и инструментального материалов на потери энергии в области их контакта. Определена роль динамики процесса резания в формировании оптимальных условий подвода электрической энергии в зонурезания.
Ключевые слова: распределение электрического тока, контактные явления, динамика процессарезания, упругопластическое деформирование.
Введение электрического тока в зону резания является эффективным средством улучшения обрабатываемости высокопрочных и твердых сталей. Физическое состояние контактной пары инструмент - заготовка можно искусственно изменить путем ввода в зону резания электрического тока низкого напряжения. Электрический ток, распределяясь в зоне контакта инструмента и заготовки пропорционально контактным электрическим напряжениям, выделяет согласно закону Ома дополнительное количество тепла. Вследствие образования тонкой пластичной пленки создается полусухое трение, снижается коэффициент трения, повышается площадь истинного контакта трущейся пары.
Ввиду высокого быстродействия ввода дополнительной энергии в зону резания посредством пропускания электрического тока следует ожидать появления возможности избирательного воздействия на скопления стоячих дислокаций, снижающих уровни энергетических барьеров на пути движения подвижных дислокаций. Это может явиться причиной существенного снижения сил резания и износа инструмента.
При интенсификации процесса резания импульсами электрического тока, энергетические потоки распределяются в соответствии со схемой, приведенной на рис. 1.
Из приведенной схемы видно, что подводимая к зоне резания электрическая энергия поглощается переходными контактными сопротивлениями на передней Я^п и задней поверхностях резца, а также на сопротивлении, обусловленном наличием плоскости сдвига .
Параметры последнего сопротивления, определяются контактным усилием и условиями ее упругопластического деформирования. В частно-
сти, площадь поперечного сечения этой зоны проводимости зависит от плотности распределения дислокаций и микротрещин, то есть от эффективного его значения.
Рис. 1. Схема действующих в зонерезания сил и цепи прохождения
электрического тока
Из приведенной схемы видно, что подводимая к зоне резания электрическая энергия поглощается переходными контактными сопротивлениями на передней Я^п и задней поверхностях резца, а также на сопротивлении, обусловленном наличием плоскости сдвига .
Параметры последнего сопротивления, определяются контактным усилием и условиями ее упругопластического деформирования. В частности, площадь поперечного сечения этой зоны проводимости зависит от плотности распределения дислокаций и микротрещин, то есть от эффективного его значения.
Из приведенной схемы видно, что подводимая к зоне резания электрическая энергия поглощается переходными контактными сопротивлениями на передней Я^п и задней Я^3 поверхностях резца, а также на сопротивлении, обусловленном наличием плоскости сдвига . Параметры последнего сопротивления, определяются контактным усилием и условиями ее упругопластического деформирования. В частности, площадь попе-
67
речного сечения этой зоны проводимости зависит от плотности распределения дислокаций и микротрещин, то есть от эффективного его значения.
На основании проведенных исследований в качестве интенсифицирующего потока предложен поток электрической энергии, проходящий через зону резания и этот поток должен быть синхронизирован по времени с процессами упругопластического деформирования, протекающими в зоне резания.
Из схемы, приведенной на рис. 2., можно видеть, что параметры этого потока напрямую зависят, переходного сопротивления на передней поверхности резца, то есть от условий контактирования резца и стружки. Кроме этого на эффективность использования дополнительного потока энергии, в частности на его КПД, существенно влияет переходное сопротивление на задней поверхности резца, то есть условия контактирования резца и детали.
Известно, что в контакте, образуемом двумя шероховатыми поверхностями проводников, в частности, передней поверхностью резца и стружкой и задней его поверхностью и заготовкой, в общем случае можно различать следующие поверхности:
1. Условную контактную поверхность А0, равную по площади поверхности, кажущейся общей для обоих контактных элементов.
2. Контурную контактную поверхность Ак, площадь которой равна площади всех областей, в которых сосредоточены контактные пятна.
3. Поверхность механического контакта Ам, предъявляющую собой сумму поверхностей контактных пятен.
4. Поверхность электрического контакта Аэ, равную по площади поверхности всех участков с металлическим и квазиметаллическим контактом.
На рис.2. показано образование областей сосредоточения контактных пятен, обусловленных микрорельефом и волнистым характером ко-тактируемых поверхностей.
Очевидно, наибольший интерес представляет нахождение площади поверхности механического контакта Ам, к которой в большинстве случаев можно с известной степенью приближения приравнять площадь контактирования Аэ. Площадь поверхности механического контакта Ам является функцией усилия сжатия N, параметров шероховатости контактных элементов и механических свойств материалов.
Хотя средние значения этих параметров находятся в определенной связи с классом механической обработки, а распределение их подчиняется известным статистическим законам, математическая задача нахождения зависимости фактической площади механического контакта от этих переменных оказывается довольно сложным.
Рис. 2. Образование контактных пятен, обусловленных микрорельефом и волнистым характером
контактируемых поверхностей
С достаточной точностью площадь поверхности механического контакта при пластической деформации выступов определяется формулой Боудена-Тейбора:
Лм * N / ИБ, (1)
где N - прижимающее усилие; НБ - твердость материала по Бринеллю.
В тех случаях, когда при контактировании поверхностей преобладает упругая деформация микровыступов, площадь механического контакта может быть приближенно определена формулой И. В. Крагельского:
Ам - 3,4
Ак, (2)
где Е - модуль Юнга; кт - максимальная высота выступов.
Упругая деформация может наблюдаться, если контактное давление не превышает предела текучести металла. Такой случай является маловероятным, так как даже при чрезвычайно малых контактных усилиях механическое давление на микровыступы оказывается очень большим.
Формулы (1) и (2) отражают весьма важный факт, а именно то, что площадь поверхности механического контакта двух проводников очень мало зависит от площади условной или контурной поверхности при упругой деформации и совершенно не зависит от них при пластической деформации.
Следует заметить, что влияние параметров шероховатости на площадь механического контакта при пластической деформации значительно слабее, чем в случае упругой деформации. Вместе с тем в обоих случаях увеличение площади механического контакта по мере роста силы сжатия поверхностей происходит в основном за счет вступления в контакт новых выступов. Доля увеличения, обусловленная расширением имеющихся пятен, пренебрежимо мала.
Если поверхности контактных элементов свободны от волнистости (в случае тонкой металлической фольги), то поверхность механического контакта больше и зависимость ее от нагрузки сильнее, чем в случае волнистых поверхностей.
Контактное усилие направлено перпендикулярно поверхности раздела между элементами. При наличии составляющей усилия, параллельной этой поверхности, как, например, в случае контакта резца с заготовкой, характер пластической деформации микровыступов изменяется и площадь механического контакта увеличивается на 10... 15 % по сравнению с его площадью в случае нормального усилия. Если же происходит только упругая деформация выступов, то тангенциальная составляющая прижимающего усилия не приводит к увеличению площади механического контакта.
Для механической обработки площади механического контакта резца с заготовкой Амз и стружкой Амп могут быть определены по формулам
Амп ~ Bln ~ tln / sin Ф ; Ам3 ~ Bl3 — / sin ф , (3)
где ln, I3- длина механического контакта передней поверхности резца и стружки и задней поверхности резца и детали.
Размеры контактных площадок при взаимодействии резца с металлом зависят от нагрузки, действующей в зоне обработки. В первом приближении задача о контакте резца со стружкой в механике резания представляется и решается как статическая задача о воздействии жесткого плоского «штампа» - резца на упругое полубесконечное основание-стружку.
В реальных условиях резания сила, которую испытывает срезаемый слой со стороны передней поверхности инструмента, изменяется от максимального значения на режущей кромке до нуля в точке отрыва стружки от передней поверхности. Характер распределения нагрузки остается постоянным в широком интервале режимов резания и значений переднего угла [1]. В данной работе предложено использовать следующее известное выражение для длины контактной площадки передней поверхности резца и стружки [2].
4^ D о3 . 1 , 1-Ц2
ln = 1,424^EiBSO ; Л =-f1 + —F2, (4)
E1 E2
где ц - упругая постоянная двух соприкасающихся тел; ^1 E1 Ц2 E2 -
коэффициенты Пуассона и модули упругости соответственно инструмента и обрабатываемого материала; B, So - ширина срезаемого слоя материала и оборотная подача.
Длина контакта задней поверхности резца с обрабатываемой поверхностью складывается из двух участков. Первый участок контакта создается в результате смятия материала заготовки режущей кромкой, имеющей радиус округления ro, а второй - упругопластического его восстановления. Если предположить, что режущая кромка деформиует материал и его минимальная толщина равна или больше 0,5 ro, то длина контакта равна [3]
, 2п sin а + 3
l3 -------r0, (5)
6sin а
где а - задний угол резца.
Таким образом, в результате проведенного анализа установлено, что длина контакта резца с заготовкой и стружкой практически не зависит
от режимов обработки и определяется геометрией инструмента и срезаемого слоя.
Площадь контактирования Ам составляет довольно малую долю от условной площади контакта. При протекании электрического тока через контакт линии тока сильно искривляются, стягиваясь к контактным пятнам, обуславливая появления сопротивления стягивания Rc .
В реальном контакте имеется большое число пятен и его сопротивление стягивания Rc определяется как параллельное соединение всех пятен
1 п 1
т=Е ^ (6>
i=1кci
где п - количество контактных пятен.
В реальных задачах, в том числе и при электрическом контакте заготовки с резцом, контактные пятна имеют разнообразные, сложные геометрические формы и неравномерно распределены по поверхности соприкосновения. При таких условиях задача может быть решена только статистически. Однако приближенный расчет, выполненный для идеализированной модели контакта, в которой все пятна имеют форму плоского круга одного и того же диаметра и расположены относительно друг друга на расстояниях, значительно больших их диаметра, оказывается достаточно подходящим для практических оценок.
Для случая пластической деформации сопротивления стягивания от контактного усилия N описываются зависимостью
^ = 0,9Рэ^, (7)
где И^ - твердость обрабатываемого материала; рэ - удельное сопротивление обрабатываемого материала.
Эта зависимость выведена при принятии описанных выше предположений, но является достаточно точной для практических расчетов. Если аппроксимировать неровности контактных поверхностей правильными полусферами и соответственно контактные пятна - кругами, сопротивление стягивания должно быть обратно пропорционально корню от площади поверхности касания:
^ ~§-. (8)
V -М
В общем случае каждое контактное пятно может состоять из различных комбинаций трех участков:
а) участка с металлическим контактом;
б) участка с квазиметаллическим контактом через пленки адгезионных газов или тонкие окисные пленки;
в) участка, покрытого сравнительно толстой окисной пленкой. Механизм прохождения электрического тока через каждый из этих
участков основываются на разных физических явлениях. При резании контактирование инструмента и заготовки происходит в основном по двум первым участкам. На поверхности раздела чистых металлов образуется переходный слой, обусловленный разной ориентацией кристаллических решеток и несоответствием параметров решеток. По обе стороны поверхности раздел микровыступов в результате сильной пластической деформации имеет искаженное кристаллическое строение и повышенную плотность дислокаций и других дефектов. Таким образом, в зоне металлического контакта образуется слой с сильно искаженным кристаллическим строением, толщина которого приблизительно равна удвоенной высоте деформированного выступа. Удельное электрическое сопротивление этого слоя может быть заметно выше, чем исходное удельное сопротивление контактных элементов, так как сопротивление металлов пропорционально плотности дислокаций в них. Описанный механизм вместе с явлением стягивания обуславливает наличие переходного сопротивления в контакте даже в отсутствие всякого рода чужеродных пленок
В соответствии с моделью тела Максвелла, объясняющей возникновение волновых процессов в зоне резания релаксацией напряжений, можно полагать, что силы резания также имеют соответствующие гармонические составляющие.
р ^) = / О) = ро + ), (9)
где Р0, Ра - постоянная и переменная составляющие силы резания; ю - частота релаксационных процессов в зоне резания.
Эти релаксационные процессы, как и другие автоколебательные процессы, возникающие в станках, находят свое проявление в колебаниях инструмента. Для обеспечения максимальной эффективности использования импульсов электрического тока для интенсификации процесса резания следует оптимизировать условия подвода импульсов тока к зоне резания. Это, в частности, достигается путем подачи импульсов тока в моменты времени, когда переходное сопротивление на передней поверхности резца имеет наименьшее значение, а на задней наибольшее. Для формирования таких условий, вероятно, необходимо синхронизировать момента подачи импульса электрического тока с фазой колебаний режущего инструмента. Если подавать импульсы тока в момент, например, максимального отжатия резца то переходное сопротивление на передней поверхности резца будет наименьшим. Однако этот момент характеризуется завершением этапа на-
копления дефектов в зоне предразрушения и последующим ее разрушением. Очевидно, импульсов тока в этот момент не дадут сколь-нибудь заметного эффекта, даже если использовать очень короткие импульсы большой амплитуды. Целесообразно импульсы тока формировать раньше этого момента, но не раньше момента, соответствующего положению резца в верхней точке колебаний. В этой точке, как правило, ухудшается контакт резца со стружкой, что увеличивает переходное сопротивление по его передней поверхности и снижает эффективность подводимого к зоне резания тока. В тоже время переходное сопротивление по задней поверхности резца достигает наименьшей величины, шунтируя полезную составляющую тока.
Таким образом, рациональным условиям подвода энергии к зоне резания отвечает период времени, соответствующий ниспадающей части полуволны колебаний резца.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 10-08-97524-р_центр_а).
Список литературы
1. Владимиров В. И. Физическая природа разрушения металлов. М.: Металлургия. 1984. 280 с.
2. Зориктуев В. Ц., Исаев Ш. Г. Зависимость электрической проводимости контакта ’’инструмент-деталь” от параметров процесса резания // Вестник машиностроения. 1985. № 9. С. 64 - 66.
3. Кишкин С. Т., Клышин А. А. Эффекты электропластического и магнитного воздействия на ползучесть металлов и сплавов Докл. АН СССР, Т. 211, № 2. 1973. С. 325-329.
V. Shadsky, S. Salnikov, O. Erzin
CONDITIONS OF THE SUPPLY OF THE INTENSIFYING STREAM OF ELECTRIC ENERGY TO THE CUTTING ZONE
Electric current distribution between forward both back surfaces of the tool and a shift plane is considered at an intensification of process of cutting. The estimation of the contact phenomena arising in these zones is made. Influence of modes of cutting and characteristics of processed and tool materials on losses of energy in the field of their contact is shown. The role of dynamics of process of cutting in formation of optimum conditions of a supply of electric energy in a cutting zone is defined.
Key words: electric current distribution, the contact phenomena, dynamics of process of cutting, is elastic plastic deformation.
Получено 20.11.10
