Full Text

Существуют определенные закономерности технологических процессов обработки резанием, не зависящие от форм заготовок. В работе [1] описана последовательность механической обработки, когда исходную заготовку сначала обрабатывают начерно (обдирают). Если необходимо, заготовка перед точной (окончательной) обработкой проходит промежуточную (не механическую) операцию. В таком случае за предварительной обработкой следует термообработка (улучшение, закалка, отпуск) и затем окончательная обработка. При резании под действием сил происходит деформирование и разрушение обрабатываемого материала, сопровождающееся рядом физико-химических явлений: – в деформированном объеме возникает сложнонапряженное состояние материала, имеют место упругие и пластические, деформации, происходит хрупкое и вязкое разрушение. На обработанной поверхности образуются шероховатости, текстура и структура поверхностного слоя детали, а также изменяются теплофизические и электрофизические свойства; – в зоне резания возникает неоднородное температурное поле. Имеет место сложная схема распространения тепловых потоков, и создаются особые условия теплопередачи между инструментом, стружкой и поверхностным слоем детали; – трение в области контакта инструмента и материала заготовки происходит при больших давлениях и температурах. Иногда возникает особый вид трения неокисленных поверхностей – чистое трение. Все перечисленные явления находятся в тесной взаимозависимости. Для повышения производительности и экономичности различных видов механической обработки необходимо иметь четкое представление обо всех физико-химических явлениях. Важными характеристиками физического состояния поверхностного слоя являются величина и знак остаточных напряжений. Имеющиеся в поверхностном слое сжимающие остаточные напряжения обычно повышают предел выносливости деталей, а остаточные напряжения растяжения понижают его. Для сталей, обладающих высокой твердостью, усталостная прочность повышается в результате действия сжимающих напряжений на 50 %, а за счет растягивающих напряжений снижается на ~30 % [2]. Остаточные напряжения при резании металлов образуются в результате неравномерности пластической деформации и значительного нагрева поверхностных слоев. Кроме того, при высоких температурах резания могут происходить структурные превращения. Сущность образования остаточных напряжений состоит в следующем. После прохода резца упругорастянутые слои стремятся сжаться, но этому препятствуют верхние слои, претерпевшие необратимую пластическую деформацию. В результате внутренние слои останутся частично растянутыми, а в верхнем слое возникнут остаточные напряжения. Под действием второго фактора – нагрева теплом, идущим в деталь, – верхние слои стремятся удлиниться, но этому оказывают сопротивление нижние более холодные, и в поверхностном слое появляются напряжения сжатия. При достаточно интенсивном нагреве эти напряжения могут превзойти предел текучести, и поверхностные слои окажутся пластически сжатыми. При охлаждении во внутренних слоях возникают остаточные напряжения сжатия, а на поверхности – напряжения растяжения. Результирующая эпюра остаточных напряжений зависит от интенсивности действия механического и теплового факторов. Характер и величина остаточных напряжений зависят от условий обтекания деформируемым металлом вершины режущего инструмента. При работе в зоне наростообразования на величину и характер эпюры остаточных напряжений влияют размеры нароста и форма его вершины. Остаточные напряжения сжатия в тончайшем поверхностном слое глубиной в несколько десятых миллиметра [2] зависят от условий трения металла о заднюю поверхность, а растягивающие напряжения – от условий течения металла при переходе его в поверхностный слой. При повышении скорости резания остаточные напряжения растяжения уменьшаются и могут менять знак; аналогичный эффект вызывает уменьшение переднего угла γ. Остаточные напряжения растут при увеличении толщины срезаемого слоя. Сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое увеличиваются при переходе от обработки сталей с малым содержанием углерода и слабо воспринимающих закалку к высокоуглеродистым и высоколегированным сталям, хорошо воспринимающим закалку. П.А. Ребиндер и Г.И. Епифанов экспериментально установили, что при резании конструкционных материалов более 99,5 % работы резания переходит в тепло [3]. Законы теплообразования объясняют ряд явлений, связанных с нагрузкой резца, его стойкостью, качеством обработанной поверхности. Необходимо отметить, что в действительности в теплоту обращается не вся работа резания: небольшая часть ее переходит в потенциальную энергию искаженной кристаллической решетки. В обычных расчетах этой потерей пренебрегают [4]. Одной из причин появления напряжений в теле является неравномерный нагрев. С увеличением температуры элементы тела расширяются. Такое расширение в сплошном теле обычно не может происходить свободно, и вследствие нагрева возникают напряжения. В работе [5] решена задача термоупругости для цилиндрических деталей. Найдены выражения для определения радиальных и осевых напряжений, возникающих под влиянием температуры для цилиндра с концентрическим круглым отверстием радиусом a и внешним радиусом b. (1) где а – коэффициент линейного расширения материала; Е – модуль упругости; – коэффициент Пуассона; r – текущий радиус. Полагаем, что за счет действия сил внешнего трения в зоне деформации распределение температуры по сечению детали описывается экспоненциальной зависимостью вида [6]. Обозначив температуру поверхности детали через Т1 = , из условия найдем показатель b и получим температурную функцию, соответствующую контактному разогреву детали в процессе обработки резанием, (2) В настоящее время многие исследования посвящены определению зависимости температуры контакта, температурного разогрева от различных параметров механической обработки. А.М. Даниелян [6] путем математической обработки опытных данных выводит общую формулу зависимости температуры резания Q при точении стали 40XH быстрорежущим резцом от различных факторов: (3) Здесь r – радиус закругления вершины резца; k = t/s; F – площадь поперечного сечения резца; v – скорость резания, м/мин; s – подача за один оборот, мм/об.; t – глубина резания, мм; φ – главный угол в плане; Сq – постоянная, зависящая от обрабатываемого материала и инструмента. Тогда в соответствии с выражением (3) температура Тк контактного слоя определяется условиями резания и теплофизическими свойствами обрабатываемого материала: (4) где Т0 – температура центральных слоев детали. Решая задачу термоупругости, можно определить напряжения, возникающие при нагреве. И далее из условия предотвращения пластических деформаций на поверхности детали после прохождения инструмента определить рациональные соотношения параметров механической обработки. Подставляя зависимость (2) в соотношения (1), после интегрирования и преобразований выражения для напряжений приведем к следующему виду: (5) где ; Выражения (5) характеризуют распределения радиальных, окружных и продольных температурных напряжений по сечению трубы. На рис.1 показаны значения температурных напряжений для стальной трубы при Е = 2∙105 МПа, , α = 1,1∙10–5 град–1, нагреве 295 °С в зависимости от величины стенки трубы. а б Рис. 1. Значения радиальных (а), окружных (б) напряжений при резании труб с разной относительной толщиной стенки Результаты расчета показали, что толщина стенки трубы существенно влияет на величину напряжений. С утонением трубы окружные и продольные напряжения сжатия растут, а радиальные уменьшаются. Радиальные напряжения на поверхности равны нулю. Появлению остаточных напряжений в поверхностных слоях детали предшествует их переход в пластическое состояние. Для оценки этого перехода используем критерий удельной энергии формоизменения [7] , (6) где – интенсивность напряжений; – предел текучести обрабатываемого металла. Таким образом, зная соотношения между этими параметрами, а также механические свойства материала заготовки и геометрию, можно оценить величину интенсивности напряжений в зависимости от начальной температуры и параметров резания при обработке трубы. На рис. 2 показано распределение интенсивности температурных напряжений в трубной стальной заготовке с внешним радиусом 10 см и толщиной стенки 5 см, при , , а б Рис. 2. Величина интенсивности напряжений для трубы в зависимости от начальной температуры и параметров резания: а – скорости, б – подачи Из распределений видно, что интенсивность напряжений возрастает с уменьшением начальной температуры, значения колеблются от 600–760 МПа. Скорость резания сильно влияет на распределение интенсивности. При увеличении скорости от 1–5,5 м/мин интенсивность в среднем возрастает на 300 МПа. Подача менее существенно влияет на изменения напряжений. При толщине срезаемого слоя от 0,5–5 мм, что соответствует уменьшению детали от 3–33,3 %, повышается интенсивность напряжений. При увеличении разницы температур ∆Т (начальной и температуры контакта) интенсивность напряжений возрастает. Решая задачу термоупругости, можно определить напряжения, возникающие при нагреве [8]. И далее из условия предотвращения пластических деформаций на поверхности детали после прохождения инструмента определить рациональные соотношения параметров механической обработки. Численный анализ соотношений (5) говорит о том, что наибольшие температурные напряжения возникают в поверхностных слоях детали . Для поверхности трубной заготовки запишем температурные напряжения (7) Тогда для трубы интенсивность напряжений будем определять следующим образом: . (8) В соотношения (8) входит температурная функция, которая зависит от температуры контакта, которая, в свою очередь, зависит от многих факторов, влияющих на температуру, поэтому удобна при анализе процессов резания; для практических целей обычно пользуются более простыми формулами [9]. В порядке упрощения исключим из формулы влияние , r и F, считая их постоянными величинами для данного резца. Кроме того, учитывая наличие в формуле s и t, также исключим из нее влияние отношения глубины резания к подаче K. После этих упрощений формула примет вид . (9) На основании математической обработки было получено для постоянного коэффициента значение 148,8. Таким образом, окончательно будем иметь (10) Поэтому исходя из условия ненаступления пластических деформаций на поверхности детали после прохождения инструмента можно оптимизировать параметры резания при обработке различных осесимметричных металлоизделий. Таким образом, зная соотношения между этими параметрами, а также механические свойства материала заготовки и геометрию, можно оценить величину интенсивности напряжений в зависимости от начальной температуры и параметров резания при обработке трубы. Далее на основе полученных результатов построены соотношения и зависимости важнейших параметров резания для трубных изделий из различных материалов. Ниже представлены предельные соотношения параметров механической обработки трубы с внешним радиусом 10 см и толщиной стенки 5 см (рис. 3) при начальной температуре Т0=30 °С, а б Рис. 3. Предельные соотношения параметров механической обработки трубы: а – сталь 3; б – 40Х2Н4 Таким образом, предложена методика определения предельных соотношений параметров процесса резания для осесимметричных изделий с учетом температурного разогрева поверхности за счет трения при обточке. Данная методика позволяет определять напряжения на поверхности заготовки и рационально подбирать параметры процесса в зависимости от геометрии детали и обрабатываемого материала

About the authors

Elena Vladimirivna Kuznetsova

Perm National Research Polytechnic University

Email: mellen75@mail.ru
29, Komsomolsky av., Perm, 614990, Russian Federation Ph.D. in Technical Sciences, Associate professor, Deputy dean, Department of Dynamic and strength of mechanism, Perm National Research Polytechnic University

Alla Yurevna Vavel

Perm National Research Polytechnic University

Email: Alla281@ya.ru
29, Komsomolsky av., Perm, 614990, Russian Federation post-graduate student of Department of Dynamic and strength of mechanism, Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 146

PDF (Russian) - 77