Физические основы снижения сил резания при обработке с опережающим пластическим деформированием

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Ю. Н. Полянчиков, А. Р. Ингеманссон, Д. В. Крайнев, П. А. Норченко, А. А. Бондарев
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СНИЖЕНИЯ СИЛ РЕЗАНИЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ С ОПЕРЕЖАЮЩИМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ
Волгоградский государственный технический университет E-mail: techmash@vstu. ru
Снижение сил резания при обработке с опережающим пластическим деформированием (ОПД) обосновано с позиций дислокационных представлений о резании металлов и закономерностей высокоскоростного пластического деформирования в зонах стружкообразования и контактного взаимодействия.
Ключевые слова: резание, опережающее пластическое деформирование (ОПД), дислокации, силы, напряжения, микротвердость.
The decrease of cutting forces at machining with advancing plastic deformation (APD) is proved from the positions of the dislocations conceptions in metalcutting and the regularities of high-speed plastic deformation in the zones of chipformation and contact interaction.
Keywords: cutting, advancing plastic deformation (APD), dislocations, forces, stress, microhardness.
Применение ОПД при резании является средством повышения работоспособности режущего инструмента, производительности обработки и качества обработанных поверхностей. Исследование физических основ повышения эффективности процесса резания при использовании ОПД является актуальной задачей, направленной на обеспечение возможности практического применения способа резания и расширения научной базы для совершенствования комбинированной обработки. В данной работе представлены результаты исследования механизма снижения сил резания при обработке с ОПД с позиций дислокационных представлений о резании металлов [1] и закономерностей высокоскоростного пластического дефор-
мирования в зонах стружкообразования и контактного взаимодействия [2].
Экспериментальные исследования выполнялись для получистового и чистового точения. Измерения сил резания производились посредством динамометра БКМ 2010 («ТеЬС», Германия), интегрированного с ПК. Для определения режима осуществления ОПД использовалась предложенная характеристика комбинированной обработки — «коэффициент ОПД»:
К —
^ОПД
к
где йнак — глубина наклепанного слоя, созданного на этапе ОПД, мм-рез — глубина резания, мм.
а
б
Рис. 1. Схема пластического деформирования и разрушения обрабатываемого материала, сопровождающих отделение срезаемого слоя, при точении: а — традиционное точение- б — точение с ОПД- 1 — сходящая стружка- 2 — режущий клин- А — очаг разрушения (отделения срезаемого слоя) — Ур — вектор скорости резания- ус — вектор скорости перемещения стружки- ?нач — начальная степень деформации обрабатываемого материала, попадающего в зону опережающего упрочнения (зона формируется напряжениями, приложенными со стороны рабочих поверхностей режущего клина) — ?* - текущее значение степени деформации обрабатываемого материала- ?р — значение степени деформации обрабатываемого материала, соответствующее его разрушению
Ґ
Согласно схеме, представленной на рис. 1, ОПД создает в поверхностном слое обрабатываемой детали упрочненный слой определенной глубины и степени наклепа, характеризующийся большей плотностью несовершенств кристаллической решетки (дислокаций) по сравнению с материалом в исходном состоянии. Отсюда следует, что частицы металла, поступающие в зону опережающего упрочнения, создаваемую режущим инструментом, обладают повышенной величиной деформации. Поэтому уменьшение величины работы, затрачиваемой на зарождение, продвижение дислокаций и доведение их плотности вблизи кромки лезвия до критического значения, соответствующего разрушению, обусловливает снижение интегральной суммы напряжений, действующих в зоне опережающего упрочнения при резании с ОПД по сравнению с традиционной
обработкой. Данное явление способствует уменьшению величины реакции, приложенной к передней поверхности инструмента, то есть тангенциальной составляющей силы резания Рг (табл. 1).
Эффект технологической наследственности при пластической деформации резанием, описанный в работе [1], служит еще одним объяснением увеличения обрабатываемости материалов при использовании ОПД. Проявление наследственности заключается в том, что в предварительно упрочненном слое металла уже имеются источники дислокаций, а также дефекты в плоскостях скольжения, которые не потеряли способности к дальнейшему движению. Поэтому при дополнительном воздействии на металл (резание вслед за ОПД) имеющиеся источники несовершенств продолжают испускать новые дислокации, а старые продол-
Таблица 1
Значения тангенциальной Р2, радиальной Ру и осевой Рх составляющих силы резания, Н
Режимы и условия обработки Традиционное точение Точение с ОПД
Рі Ру Рх Рі Ру Рх
Сталь 20Х13-твердый сплав Т15К6- ґр = 1 мм- ур = 90 м/мин- $о = 0,256 мм/об. При обработке с ОПД КОПд = 2. 726 532 556 616 447 471
Сталь 14Х17Н2-твердый сплав ВК6- ґр = 1,5 мм- ур = 90 м/мин- $о = 0,256 мм/об. При обработке с ОПД КОПд = 0,8. 1055 631 843 936 553 748
Сталь 13Х11Н2В2МФ-твердый сплав Т15К6- ґр = 0,5 мм- ур = 180 м/мин- 5о = 0,083 мм/об. При обработке с ОПД КОПд = 1,6. 194 322 225 172 270 185
жают перемещаться при меньшем уровне действующей нагрузки, то есть режущим инструментом затрачивается меньшая работа на доведение их плотности до соответствующего разрушению значения.
формаций и, следовательно, сопротивления деформированию. Известно [2] существование прямой пропорциональности между характером изменения микротвердости и сопротивления пластическому деформированию объема металла, перемещающегося в зоне резания. Анализ данных измерения микротвердости (рис. 3) на корнях стружки (рис. 4) свидетельствует об уменьшении средней величины микротвердости в области взаимодействия при использовании ОПД по сравнению с традиционным точением, что обусловливает снижение сопротивления объемов металла, претерпевающих на себе воздействие лезвий, пластическому деформированию.
ЧУ, МПа
Рис. 2. Реальная схема процесса резания [2]
После локального разрушения обрабатываемого материала у режущей кромки объемы металла вовлекаются в зоны вторичных деформаций на задней и передней поверхностях. Частицы, движущиеся в направлении последней, перемещаются через зоны стружкообразования (область PKML на рис. 2) и контактного пластического деформирования (КПД) (область OPKRD на рис. 2). При использовании ОПД в зоны стружкообразования СС и упрочнения КПД С2 поступает металл, обладающий меньшей пластичностью по сравнению со случаем традиционной обработки. Помимо этого, ранее охарактеризовано снижение уровня напряжений в зоне первичных деформаций. Указанные обстоятельства ослабляют развитие (распространение) зоны упрочнения КПД по высоте и по длине (С2), а также обусловливают снижение уровня упрочненности (оценка по микротвердости, рис. 3) объемов зоны вторичных де-
1500
1000
500
0
Традиционное точение
Точение с ОПД
Рис. 3. Средняя микротвердость в контактной зоне на передней поверхности режущего клина (Сталь 14Х17Н2-твердый сплав ВК6- ґр = 1 мм- ур = 90 м/мин- ,^о = 0,256 мм/об. При точении с ОПД КОПд = 1,2)
а б
Рис. 4. Корни стружек при точении (Сталь 14Х17Н2 — твердый сплав ВК6- ґр = 1 мм- ур = 90 м/мин- 8о = 0,256 мм/об):
а — традиционное точение- б — точение с ОПД (КОПд = 1,2)
В работе [2] установлено, что процессы, протекающие на участке упрочнения зоны контактных пластических деформаций и в зоне стружкообразования, тесно взаимосвязаны и
оказывают взаимное влияние друг на друга. Так уменьшение размера участка упрочнения С2 вызывает увеличение угла сдвига р. Исследованиями обнаружено увеличение значений угла сдвига при точении с ОПД (табл. 2). Это свиде-
Значения
тельствует об уменьшении размера участка упрочнения С2 зоны КПД при точении с ОПД. Уменьшение размера участка упрочнения С2 вызывает, соответственно, уменьшение длины пластического контакта С.
Таблица 2
в сдвига р, °
Режимы и условия обработки Традиционное точение Точение с ОПД
Сталь 20Х13-твердый сплав ВК6- ґр = 1 мм- ур = 90 м/мин- ,^о = 0,256 мм/об. При обработке с ОПД А'-опд = 2. 27 30
Сталь 20Х13-твердый сплав Т15К6- ґр = 0,25 мм- ур = 135 м/мин- ,^о = 0,147 мм/об. При обработке с ОПД А& quot-ОПд = 4,8. 20 25
Сталь 13Х11Н2В2МФ-твердый сплав ВК6- ґр = 0,5 мм- ур = 135 м/мин- sо = 0,147 мм/об. При обработке с ОПД А& quot-ОПд = 1,6. 23 29
Сталь 13Х11Н2В2МФ-твердый сплав ТН20- ґр = 1 мм- ур = 150 м/мин- зо = 0,147 мм/об. При обработке с ОПД А& quot-ОПд = 1,2. 31 37
Рис. 5. Закономерности распределения нормальных, а и касательных т контактных напряжений по длине взаимодействия
В работе [2] представлен механизм формирования касательной Е и нормальной N нагрузок, действующих на режущий клин. При постоянной ширине срезаемого слоя Е и N определяются площадями (?т) и (?а) между кривыми закономерностей распределения контактных нормальных с = /(х) и касательных т = /(х) напряжений по длине взаимодействия и осью абсцисс (рис. 5). Решающее влияние на площадь? т и, следовательно, на нагрузку Е оказывают значения контактных касательных напряжений на границе участков упрочнения и разупрочнения тС2, размеры пластического С1 и полного контактов С. С увеличением этих характеристик величина Е растет. Площадьа главным образом зависит от размеров областей С2 и С (с их увеличением нагрузка N растет) и от уровня нормальных напряжений, а на участ-
ке упрочнения, формируемого процессами, протекающими в зоне стружкообразования. Снижение величины касательных напряжений тс в указанной зоне и увеличение угла сдвига в способствует уменьшению напряжений а.
Как отмечалось ранее, уменьшение величины работы, затрачиваемой на зарождение, продвижение дислокаций и доведение их плотности вблизи кромки лезвия до критического значения, соответствующего разрушению, обусловливает снижение интегральной суммы напряжений, действующих в зоне опережающего упрочнения при резании с ОПД по сравнению с традиционной обработкой. Данное явление способствует уменьшению величины реакции, приложенной к передней поверхности инструмента, то есть тангенциальной составляющей силы резания Рг. Аналогичным образом отражается уменьшение размеров участков упрочнения С2, пластического контакта С, а также контактных нормальных напряжений, а за счет сокращения сопротивления пластическому деформированию тс (рис. 3) и увеличения угла сдвига в (табл. 2). Указанные факторы определяют снижение тангенциальной составляющей силы резания Р2 при использовании ОПД в среднем на 15−20% (табл. 1).
Облегчение контактного течения прирезцо-вых слоев стружки вдоль передней поверхности инструмента за счет ослабления развития (распространения) зоны пластических деформаций способствует снижению осевой Рх и радиальной Ру составляющих силы резания в среднем на 15−20% (табл. 1) при точении
с ОПД по сравнению с традиционной обработкой. Уменьшение размеров участков пластического С1 и полного контактов С, уровня кон-
Подтверждением благоприятного изменения характера процессов, протекающих в зоне резания при использовании ОПД, является уменьшение значений коэффициента продольной усадки стружки, являющегося комплексным показателем работы сил стружкообразова-ния (табл. 3).
Таким образом, уменьшение величины работы пластического деформирования, затрачиваемой режущим инструментом на отделение срезаемого слоя, напряжений, действующих в зоне резания и соответствующее изменение характера процессов, протекающих в зонах стружкообразования и КПД, обусловливают снижение сил резания при обработке с ОПД.
тактных касательных напряжений и увеличение угла сдвига способствуют снижению величины осевой и радиальной компонент силы резания.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Старков, В. К. Дислокационные представления о резании металлов / В. К. Старков. — М.: Машиностроение, 1979. — 160 с.
2. Талантов, Н. В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента / Н. В. Талантов. — М.: Машиностроение, 1992. — 240 с.
3. Эффективные технологии дорнования, протягивания и деформирующе-режущей обработки: монография / С. К. Амбросимов, А. Н. Афонин, А. Р. Ингеманссон,
A. Н. Исаев, А. В. Киричек, Д. В. Крайнев, А. Р. Лебедев,
B. Ф. Макаров, А. В. Морозова, П. А. Норченко, Ю. Н. По-лянчиков, Д. Л. Соловьев. — М.: Издат. дом «Спектр», 2011. — 328 с.
4. Improved cutting of steels by means of preceding plastic deformation / Ю. Н. Полянчиков, Д. В. Крайнев, П. А. Норченко, А. Р. Ингеманссон // Russian Engineering Research. -2011. — Vol. 31, № 1. — C. 82−84. — Англ.
Таблица З
Значения коэффициента продольной усадки стружки
Режимы и условия обработки Традиционное точение Точение с O^-
Сталь 20Х13-твердый сплав Т15К6- ґр = 1 мм- ур = 90 м/мин- ,^о = 0,256 мм/об. При обработке с ОПД АОПд = 2. і, 92 і, б5
Сталь 13Х11Н2В2МФ-твердый сплав ТН20- ґр = 1 мм- ур = 90 м/мин- ,^о = 0,256 мм/об. При обработке с ОПД АОПд =1,2. і, 54 і, 3

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой