Определение сопротивления пластической деформации в зоне стружкообразования с учетом совместного влияния условий деформирования и особенностей фазово-кристаллического строения обрабатываемого материала

Актуальность работы.

Обработка конструкционных материалов резанием является одним из основных методов формообразования поверхностей деталей машин в современном машиностроительном производстве, поэтому повышение эффективности процессов механической обработки остается важной и актуальной научно-технической задачей. Однако, сокращение сроков подготовки производства без дополнительных материальных затрат, с учетом гарантированного достижения требуемых показателей качества и производительности операций механической обработки, возможно только при решении вопросов аналитического моделирования и оптимизации процесса резания. Применение новых конструкционных и инструментальных материалов в машиностроительных отраслях промышленности также формирует потребность в аналитических моделях, достоверно описывающих совокупность физических явлений, сопровождающих процесс резания, и позволяющих прогнозировать обрабатываемость материалов резанием уже на стадии конструкторской и технологической подготовки производства /3/.

Известные термомеханические модели процесса резания /25, 69, 79, 80 и др./ вооружают инженерно-технических работников современного машиностроительного производства аналитическим аппаратом для расчета основных выходных характеристик процесса резания, методиками назначения рациональных режимов резания, принципами управления и оптимизации операций механической обработки. Однако, любая из известных термомеханических моделей процесса резания может считаться целостной только после решения всего комплекса вопросов, связанных с аналитическим моделированием процесса резания, тем более, после решения такого важнейшего вопроса, каким является вопрос аналитического определения величины сопротивления обрабатываемого материала пластической деформации в зоне стружкообразования.

Успешное решение данного вопроса теми же методами, на основе которых разработаны известные термомеханические модели процесса резания, а именно, на основе решения соответствующих тепловых задач методами теории теплопроводности, на основе решения уравнений баланса механической и тепловой энергии методами теории подобия и др., практически, невозможно. Методы математической теории пластичности, эффективность которых при решении многих задач механики резания не ставится под сомнение, также оказываются безуспешными при решении данного вопроса, поскольку, в силу своей специфики, аналитический аппарат математической теории пластичности не предназначен для исследования, например, температурной зависимости сопротивления пластической деформации реального металлического материала. В то же время, указанный вопрос не может быть решен в отрыве от комплекса уравнений термомеханической модели процесса резания, устанавливающих взаимосвязь между основными параметрами процесса резания /79, 80/. Термомеханическая модель процесса резания, в таком контексте, является основой для разработки обобщенной зависимости сопротивления обрабатываемого материала пластической деформации в зоне стружкообразования от условий резания. Тем не менее, вопрос аналитического определения величины сопротивления обрабатываемого металлического материала деформированию в условиях резания относится к группе научно-технических задач, решение которых требует привлечения теоретического и эмпирического материала, накопленного в областях науки, не связанных с теорией процесса резания.

Разработка аналитических моделей, описывающих изменение величины сопротивления деформированию металлических материалов в процессе пластической деформации as = f (s, s, T), представляет собой одну из важнейших задач аналитического моделирования многих технологических процессов, в том числе процесса резания. Используя терминологию, предложенную профессором Прагером В., современные исследователи называют такие зависимости определяющими уравнениями 191. Действительно, наиболее важные, с точки зрения теории резания, параметры, такие как составляющие силы резания, температуры, износ режущего инструмента и др., могут быть рассчитаны только после однозначного определения интенсивности касательных сопротивлений в зоне стружкообразования тР{. Вопрос определения параметра, характеризующего сопротивление обрабатываемого материала деформированию в условиях резания, а именно, параметра тр-, остается одним из важнейших вопросов аналитического моделирования процесса резания, поскольку от успешного его решения зависит решение ключевых научно-прикладных задач теории резания и, в частности, задач определения производительности и трудоемкости операций механической обработки и прогнозирования уровня обрабатываемости различных материалов резанием. Тем не менее, в теории резания, до сих пор, не выработано единого, общепризнанного решения этого важнейшего вопроса, тогда как разработаны другие сложнейшие задачи механики и теплофизики резания /20, 23, 73, 80/.

На раннем этапе развития науки о резании величину касательного сопротивления xpi принято было считать постоянной характеристикой обрабатываемого материала, учитывалась, главным образом, зависимость касательного сопротивления xpi от степени пластической деформации, которую получает обрабатываемый материал в условиях резания. Зависимость касательного сопротивления xPj от скорости пластической деформации и температуры исследователями, как правило, не рассматривалась, поскольку считалось, что эти два фактора деформирования взаимно компенсируют друг друга в процессе резания /20, 97/. Подобные представления позволяли «избегать необходимость вычисления температур при рассмотрении вопросов механики резания» /9/, а также позволяли считать, что величина сопротивления обрабатываемого материала не зависит от условий резания, поэтому для каждого материала может быть определена в условиях стандартных методов механических испытаний лишь однажды и табулирована как некая константа. Тем не менее, учет влияния только одного условия деформирования, а именно, величины деформации, не решал поставленного вопроса и, в большинстве случаев, приводил к существенным погрешностям в оценках составляющих силы резания и других выходных характеристик процесса резания /9/.

Согласно представлениям, развитым в области физики прочности и пластичности /5, 67/, любой механический параметр, характеризующий величину сопротивления металлического материала пластической деформации gs, зависит от особенностей природы и внутренней структуры материала и определяется тремя основными факторами, называемыми термомеханическими факторами деформирования (условиями деформирования), а именно: величиной пластической деформации gs = f (s), скоростью пластической деформации os = f (s) и температурой as=f (T). Причем, принципиальное значение имеет положение о совместном влиянии на величину сопротивления os всего комплекса термомеханических факторов деформирования: as=f (M, T). Однако, анализ наиболее известных определяющих уравнений теории процесса резания обнаруживает, что большинство из них имеют значительные ограничения в применении, поскольку не принимают в расчет те или иные термомеханические условия деформирования и неудовлетворительно учитывают влияние на величину сопротивления особенностей фазово-кристаллического строения обрабатываемого металлического материала.

Поскольку доминирующим процессом в условиях обработки резанием является процесс пластического деформирования обрабатываемого материала в зоне стружкообразования (более 90% работы резания приходится на осуществление данного процесса) /67, 70/, постольку решение вопроса разработки обобщенного термомеханического определяющего уравнения для расчета величины сопротивления обрабатываемого материала пластической деформации в зоне стружкообразования предопределяет успешность решения не только вопроса аналитического определения параметра тр-, но и вопроса оптимизации процесса резания на уровне рассмотрения термомеханических явлений. Последний вопрос, на наш взгляд, также может быть отнесен к важнейшим задачам теории резания. Хотя, на настоящем этапе развития науки о резании, факт существования оптимальных температур контакта инструмента и обрабатываемого материала можно считать, в общем, доказанным /37, 39, 40, 79, 80/, тем не менее, в области теории резания, в силу ряда причин, сложились противоположные точки зрения по поводу представления о существовании в условиях резания оптимальных температурных интервалов. Действительно, на современном этапе развития теории резания, решение вопроса аналитического определения оптимальных температурных интервалов в условиях резания должно быть подкреплено соответствующими разъяснениями физических причин их появлений. Анализ наиболее известных аналитических методик определения интервала оптимальных температур резания обнаруживает, что большинство из них, действительно, имеют значительные ограничения в применении и, кроме того, не всегда обладают ясным физическим смыслом. В условиях аналитического моделирования процесса резания, на наш взгляд, на существование интервалов оптимальных температур резания может указать только целостная термомеханическая модель процесса резания, а отнюдь не диаграммы, полученные в условиях других технологических или испытательных процессов, не связанных с процессом обработки резанием.

Самоочевидно, что выявленные в ходе анализа литературных источников несовершенства наиболее известных в области теории процесса резания определяющих уравнений и аналитических методик определения интервала оптимальных температур резания негативно отражаются на работоспособности не только отдельных аналитических выражений, но, прежде всего, на работоспособности той или иной термомеханической модели процесса резания, в целом, стало быть, разработка обобщенного уравнения для определения величины сопротивления обрабатываемого материала пластической деформации в зоне стружкообразования представляет как научный, так и практический интерес.

Учитывая изложенное выше, цель научно-исследовательской работы можно сформулировать следующим образом.

Цель работы.

Разработка обобщенного уравнения для определения величины сопротивления пластической деформации в зоне стружкообразования, с учетом совместного влияния всего комплекса термомеханических факторов деформирования и особенностей фазово-кристаллического строения обрабатываемого металлического материала.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач использовались основные положения теории процессов пластического деформирования и резания металлических материалов, основные принципы теории подобия и теории размерностей, программные средства корреляционного анализа данных, программные средства математического анализа, а также современные средства объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна работы.

Разработано обобщенное уравнение для определения величины сопротивления пластической деформации в зоне стружкообразования, учитывающее совместное влияние всего комплекса термомеханических факторов деформирования и влияние особенностей фазово-кристаллического строения обрабатываемого металлического материала. В том числе: S природа и внутренняя структура обрабатываемого металлического материала, способность материала упрочняться и разупрочняться в процессе стружкообразования присущими только ему способами учтены в разработанном уравнении не эмпирическими параметрами, определение которых требует проведения дополнительных экспериментальных исследований, а комплексом взаимосвязанных параметров реальных физических свойств металлического материала (с?в, Yb> Е, Ср, р), информацию о которых можно почерпнуть в соответствующей справочной литературе- •S разработана аналитическая методика определения интервала оптимальных температур резания, учитывающая влияние изменяющихся в зоне стружкообразования механических и теплофизических свойств обрабатываемого материалапоказано, что оптимальный режим процесса резания, как процесса преимущественного пластического деформирования, характеризуется, прежде всего, наименьшими значениями величины сопротивления обрабатываемого материала пластической деформации в зоне стружкообразования (тР{, Ном).

Практическая ценность работы.

Разработанная аналитическая методика назначения рациональных режимов токарной обработки, реализованная в программном продукте CuttMod, дополняет САПР ТП, предназначенную для проектирования техпроцессов и выпуска пакета технологической документации, качественным расчетом режимов резания, позволяет определять производительность и трудоемкость операций токарной обработки и прогнозировать уровень обрабатываемости различных материалов резанием уже на стадии конструкторско-технологической подготовки производства, что, в свою очередь, без дополнительных материальных затрат позволяет снизить трудоемкость разработки новых технологических процессов и сократить сроки освоения новой продукции.

Реализация работы в промышленности.

Разработанная аналитическая методика назначения рациональных режимов токарной обработки, реализованная в программном продукте.

CuttMod, подтвердила свою эффективность в условиях производственных испытаний, поэтому была внедрена на ОАО «НПО"САТУРН».

Апробация работы.

Результаты научно-исследовательской работы публиковались, докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах, а именно: на X Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика технологических процессов» (Рыбинск, май 2000 г.) — на Международной научно-технической конференции «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов» (Ульяновск, дек. 2001 г.) — на Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» (Рыбинск, май 2002 г.) — на Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в машинои приборостроении «ПТ — 2002» (Нижний Новгород, окт. 2002 г.) — на Международной научно-технической интернет-конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения «Технология — 2002» (Орел, мартсент. 2002 г.) — на Международной научно-технической конференции «Технологические системы в машиностроении» (Тула, окт. 2002 г.).

Публикации.

По результатам научно-исследовательской работы опубликованы 12 печатных работ (статей и тезисов научно-технических конференций).

Структура и объем диссертации

.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников (120 наименований) и пяти приложений, включая акт о внедрении результатов исследовательской работы в производство. Диссертация изложена на 219 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков и 4 таблицы.

Основные выводы и результаты выполненной научноисследовательской работы можно сформулировать следующим образом.

1. Уровень обрабатываемости различных материалов резанием определяется важнейшим показателем их физико-механических свойств — величиной интенсивности касательных сопротивлений в зоне стружкообразования тр-. Наиболее важные характеристики процесса резания могут быть рассчитаны только после однозначного определения величины Tpj, т.к. параметр xpi входит во все основные аналитические выражения термомеханической модели процесса резания.

2. Установлено, что аналитическое определение величины сопротивления обрабатываемого материала пластической деформации в зоне стружкообразования возможно только путем разработки обобщенного термомеханического определяющего уравнения, учитывающего совместное влияние всего комплекса условий деформирования и особенностей фазово-кристаллического строения обрабатываемого металлического материала.

3. Анализ литературных источников из области теории процесса резания выявил значительные несовершенства определяющих уравнений и аналитических методик определения интервала оптимальных температур резания, которые негативно отражаются на работоспособности термомеханической модели процесса резания. Большинство известных определяющих уравнений теории процесса резания не принимают в расчет те или иные термомеханические условия деформирования и неудовлетворительно учитывают влияние на величину сопротивления особенностей фазово-кристаллического строения обрабатываемого металлического материала (см. 1.).

4. На основе анализа современных представлений о природе деформирования металлических материалов, развитых в области материаловедения и физики прочности и пластичности, выработан подход к решению задачи разработки обобщенного уравнения для определения величины сопротивления пластической деформации в зоне стружкообразования (см. 2.). Основу развитого подхода составил принцип суперпозиции термомеханических условий деформирования, по своей сути аналогичный методу термомеханических коэффициентов, который позволил обосновать использование в обобщенном уравнении параметров механических свойств обрабатываемого материала, определяемых по результатам стандартных механических испытаний.

5. Установлено, что температурная зависимость сопротивления металлических материалов пластической деформации gs = f (T) является наиболее сложной частной зависимостью термомеханического определяющего уравнения as = f (s, s, Т), однако, выполненный анализ наиболее известных уравнений as = f (T) выявил в них ряд несовершенств, снижающих их практическую ценность и затрудняющих их использование в области теории процесса резания (см. 2.). Основными недостатками экспоненциальных температурных зависимостей as = f (T) являются узкие пределы применимости, а также особенность учета природы и внутренней структуры металлического материала, преимущественно, с помощью эмпирических параметров.

6. На примере разработки уравнения температурной зависимости временного сопротивления металлических материалов в условиях одноосного растяжения a в = f (T), путем обобщения справочных данных параметров механических и теплофизических свойств большой группы металлических материалов различной природы и внутренней структуры разработана обобщенная температурная зависимость (44) параметров механических и теплофизических свойств металлического материала. Разработанное уравнение раскрывается через обоюдное изменение параметров механических и теплофизических свойств материала в широком температурном диапазоне, поэтому адекватно характеризует состояние внутренней структуры деформируемого объема металла, учитывает изменение этого состояния и его влияние на величину сопротивления пластической деформации as (см. 3.).

7. Путем аналитической разработки, корреляционного анализа и совместного решения частных уравнений, описывающих изменение величины сопротивления в зависимости от степени деформации, от скорости деформации и от температуры, разработано обобщенное уравнение (62) для определения величины сопротивления пластической деформации в зоне стружкообразования xpi = f (g,, Sj, ТАБ), учитывающее совместное влияние всего комплекса термомеханических факторов деформирования и особенностей фазово-кристаллического строения обрабатываемого металлического материала (см. 4.1.).

8. Разработана аналитическая методика определения интервала оптимальных температур резания, учитывающая влияние изменяющихся в зоне стружкообразования механических и теплофизических свойств обрабатываемого материала (см. 4.2.). Показано, что оптимальный режим процесса резания характеризуется, прежде всего, наименьшими значениями величины сопротивления обрабатываемого материала пластической деформации в зоне стружкообразования (тр, Ном) — В качестве основной физической причины появления оптимальных температурных интервалов в условиях процесса резания выдвигается уменьшение, до некоторого минимального значения, величины сопротивления обрабатываемого материала пластической деформации в зоне стружкообразования, достигаемое в определенных температурных интервалах процесса резания (см. рис. 56.60).

9. Установлено, что разработанные термомеханические определяющие уравнения (62) и (63) адекватно описывают изменение величины сопротивления обрабатываемого материала пластической деформации.

176 в зоне стружкообразования в широком деформационно-температурно-скоростном диапазоне условий деформирования, характерном для процессов механической обработки (см. табл. 1, рис. 56.60), хорошо вписываются в комплекс аналитических выражений термомеханической модели процесса резания (см. рис. 61) и, потому, могут быть рекомендованы в качестве математического обеспечения программных средств, ориентированных на расчетное определение рациональных режимов операций механической обработки.

10. Разработанная методика назначения рациональных режимов токарной обработки, реализованная в программном продукте CuttMod (см. 4.3., Приложение 4), дополняет САПР ТП, предназначенную для проектирования техпроцессов и выпуска пакета технологической документации, качественным расчетом режимных параметров токарной обработки, позволяет определять производительность и трудоемкость операций механической обработки и прогнозировать уровень обрабатываемости различных материалов резанием уже на стадии конструкторской и технологической подготовки производства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.