MODELING THE ENERGY INTENSITY OF PLASTIC DEFORMATION OF THE CUTTING SURFACES OF THE CUTTING WHEEL DURING ABRASIVE CUTTING OF PIPES

Abstract


The features of modeling the energy consumption of plastic deformation of the side cutting surfaces of the cutting wheel during abrasive cutting of pipes are considered. Abrasive cutting of materials, from the point of view of physical processes occurring in the surface layers of the cut workpieces, is one of the most high-temperature and highly plastic machining processes. The deformation process arising during cutting is characterized by the stressed state of the surface layer of the cut workpiece and can be characterized by the presence of both compressive and tensile stresses, the maximum value of which does not always take place on the surface, but shifts into the depth of the formed surface layer of the section of the part and leads to its change. It has been established that the causes of the stress state of the groove section are the inhomogeneity of plastic deformation and local heating of the metal of the surface layer, and in the presence of transformations, the difference in the volumes of the emerging structures. Depending on the cutting conditions, the stress state of the surface layer will be determined either by the dominant influence of one of these factors, or by their joint action. The observed non-uniform distribution of the stress state of the surface layer of the metal is explained by the action of two factors - mechanical (plastic deformation), which induces only compressive stresses, and thermal (heating of the surface layer), which is the cause of the formation of only tensile stresses. The results of the study of the regularities of the process, which determine the energy intensity of plastic deformation during abrasive cutting, are presented. The energy intensity of the process, in turn, has a significant impact on the course of the process, in particular, on the quality and accuracy of products. Analytical dependences of the energy consumption of the cutting process are presented, which subsequently make it possible to develop mathematical models for determining the components of the cutting force during abrasive cutting.

Full Text

Абразивная разрезка материалов является одним из самых сложных видов глубокой пластической деформации металла, осуществляемой при одновременном воздействии огромных гидростатических давлений и высоких температур в широком диапазоне изменения скоростей деформации. Условия упругопластической деформации поверхностного слоя при разрезке металла весьма сложны: давление, скорость деформации металла и температура по глубине поверхностного слоя затухают, имея максимум на поверхности [1-5]. Поверхностный слой поверхности деталей после разрезки становится пластически деформированным. Степень деформации по глубине поверхностного слоя переменная и изменяется от максимального значения на поверхности до нуля на определенной глубине [6-8]. Температурные и упругопластические деформации заготовки обусловливают искажение с паза, которую она приняла бы после остывания. Действительная форма сечения паза получается с учетом упругих пластических деформаций заготовки (рис. 1). Из исследования [1] известно, что при абразивной разрезке деталей из конструкционных сталей усредненная усадка стружки по высоте характеризуется коэффициентом утолщения, равным по длине коэффициентом укорочения, равным и по ширине - коэффициентом уширения, равным что соответствует логарифмической деформации [9]: (1) где - логарифмические деформации срезаемого слоя (стружки) по осям x, y, z. Рис. 1. Деформирование сечения реза трубы под воздействием упругих пластических деформаций Деформация стружки связана примерно пропорциональной зависимостью [2], а отражением этой зависимости может служить отношение поперечной деформации к продольной, т. е. величиной коэффициента Пуассона. Для рассматриваемых условий деформирования коэффициент Пуассона может быть определен из соотношения [10-12]: (2) где - относительная поперечная деформация срезанного слоя; - относительная продольная деформация срезанного слоя. При единичной длине, ширине и толщине срезаемого слоя поперечная деформация равна изменению ширины срезаемого слоя (стружки), а выражение для ее определения имеет вид: , (3) где - уменьшение ширины срезанного слоя (стружки); - ширина срезанного слоя. Из определения уменьшения ширины срезаемого слоя имеем: (4) где - ширина срезанного слоя. В соответствии с принятыми значениями после подстановки получаем: . Выражение относительной продольной деформации имеет вид: , (5) где - увеличение толщины срезанного слоя; а - толщина срезаемого слоя. Соответственно (6) где - толщина срезаемого слоя. Учитывая значение коэффициента изменения толщины, имеем Подставив значения относительных деформаций в (2), получаем Полученное значение коэффициента Пуассона выше теоретически возможного получаемого при «классических» условиях пластического деформирования [13-15]. Учитывая скорость деформации и температуру, можно считать, что увеличение коэффициента Пуассона связано с условиями пластической деформации, отличающимися от «классических». Принимая напряжение, действующее в поперечном направлении, за единичное в соответствии с величиной коэффициента Пуассона имеем: , (7) где и - главные напряжения по осям у и z; - предел текучести обрабатываемого при данных условиях материала. Так как деформация наблюдается и в направлении оси х, то согласно теории малых упругопластических деформаций имеем: , (8) где - главное напряжение по оси х. Учитывая относительную монотонность процесса деформации срезаемого слоя, можно в первом приближении считать напряженное состояние в локальной зоне сдвига, отвечающее простому нагружению [2], и использовать известную зависимость для вычисления потенциальной энергии изменения формы при пластическом деформировании срезаемого слоя [2]: (9) где - модуль сдвига разрезаемого материала; V - деформируемый объем. Деформируемый объем выразим через параметры режимов резания: (10) где - длина пути, пройденного режущим инструментом по разрезанной поверхности. Согласно теории малых упругопластических деформаций зависимость модуля сдвига от напряжений и деформаций имеет вид [2]: , (11) где - интенсивность напряжений; - интенсивность деформаций. Подставив значения главных напряжений в уравнение интенсивности напряжений [2; 21], имеем: (12) После подстановки и решения уравнения интенсивности деформаций [2] получаем: (13) Подстановка и решение уравнения (12) дает: . (14) После подстановки и решения уравнения (9) имеем: . (15) Потенциальную энергию пластического деформирования срезаемого слоя выразим через работу внешних сил по теореме Клайперона: (16) Выражение работы пластического деформирования срезаемого слоя через внешнюю силу имеет вид [16-20]: . (17) Подстановка и решение уравнений (15), (16) и (17) дает: . (18) Полученная зависимость не учитывает работу трения и изменение предела текучести обрабатываемого материала и служит для приближенной оценки энергоемкости пластической деформации срезаемого слоя [23-25]. Выражая энергоемкость через напряжения сдвига и учитывая, что , (19) где - напряжения сдвига, получаем: (20) Выражение (20) идентично выражению силы сдвига, полученной по другой методике Л.Н. Филимоновым [9], для описания процесса пластической деформации стружки при угле сдвига, равном Полученное выражение энергоемкости пластической деформации стружки находится в удовлетворительной корреляции с зависимостями, выявленными другими исследователями и может быть рекомендовано для определения динамических характеристик процесса абразивной разрезки.

About the authors

E. A Levchenko

Sevastopol State University

References

  1. Levchenko Е., Pokintelitsa N. Investigation of Thermal Processes in Abrasive Pipe Samplin // МATEC Web of Conferences. - 2017. - Vol. 129. - P. 01078.
  2. Богомолов Н.И. Исследование деформации металла при абразивных процессах под действием единичного зерна // Труды ВНИИАШ. - 1968. - № 7. - С. 74-87.
  3. Бокучава Г.В. О влиянии скорости шлифования на стойкость абразивного инструмента // Абразивы и алмазы. - 1964. - № 1. - С.47-53.
  4. Богомолов Н.И. Основные процессы при взаимодействии абразива и металла: автореф. дис. … д-ра техн. наук: спец. 05.02.08 «Технология машиностроения». - Киев, 1967, - 46 с.
  5. Вульф A.M., Мурдасов A.B. Геометрические параметры режущих элементов абразивных зерен шлифовального круга // Абразивы: науч. техн. реф. сб. - 1968. - Вып. 1.
  6. Корчак С.Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей. - М.: Машиностроение, 1974. - 280 с.
  7. Лоладзе Т.Н., Бокучава Г.В. Износ алмазов и алмазных кругов. - М.: Машиностроение, 1967. - 112 с.
  8. Калинин Е.П. Теория и практика управления производительностью абразивной обработки с учетом затупления инструмента: дис. … д-ра техн. наук: спец. 05.03.01 «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки». - Рыбинск, 2006. - 414 с.
  9. Филимонов Л.Н. Высокоскоростное шлифование. - Л.: Машиностроение, 1979. - 248 с.
  10. Новоселов Ю.К. Динамика формообразования поверхностей при абразивной обработке. - Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2012. - 304 с.
  11. Левченко Е.А. Экспериментальные исследования радиального износа отрезного круга при абразивной разрезке труб // Вісник СевНТУ. Машиноприладобудування та транспорт: зб. наук. пр. Севастопольський національний технічний університет. - 2013. - Вип. 139. - C. 148-153.
  12. Левченко Е.А., Новоселов Ю.К. Экспериментальные исследования энергосиловых параметров процесса абразивной разрезки труб // Вісник СевНТУ. Машиноприладобудування та транспорт: зб. наук. пр. Севастопольський національний технічний університет. - 2013. - Вип. 140. - C. 52-57.
  13. Левченко Е.А. Теплофизическая модель процесса абразивной разрезки труб отрезными кругами // Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета. Вып. 40: Технические науки. - 2013. - С. 70-75.
  14. Левченко Е.А., Покинтелица Н.И., Новоселов Ю.К. Расчет боковой режущей поверхности отрезного круга с учетом износа абразивных зерен // Вісник СевНТУ. Машиноприладобудування та транспорт: зб. наук. пр. Севастопольський національний технічний університет. - 2014. - Вип. 151. - C. 74 - 80.
  15. Левченко Е.А. Пути повышения эффективности процесса абразивной разрезки труб с учетом износа вершин зерен отрезного круга // Вісник СевНТУ. Машиноприладобудування та транспорт: зб. наук. пр. Севастопольський національний технічний університет. - 2014. - Вип. 152. - C. 145- 151.
  16. Левченко Е.А., Покинтелица Н.И. Теплофизическая модель процесса абразивной разрезки труб отрезными кругами // Вестник современных технологий: сб. науч. тр. Севастопольский государственный университет. - 2016. - Вып. № 3. - C. 46-51.
  17. Братан С.М., Левченко Е.А. Определение вероятности изнашивания вершины зерна отрезного круга в процессе разрезки труб // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. - 2009. - Вип. 6 (59), част. 1. - С. 40-43.
  18. Левченко Е.А. Теоретическое исследование особенностей работы боковых поверхностей отрезного круга при абразивной разрезке труб // Вісник СевНТУ. Машиноприладобудування та транспорт: зб. наук. пр. Севастопольський національний технічний університет. - 2010. - Вип. 107. - C. 114-117.
  19. Левченко Е.А., Новоселов Ю.К. Анализ закономерностей удаления металла боковыми сторонами круга при абразивной разрезке труб // Вісник СевНТУ. Машиноприладобудування та транспорт: зб. наук. пр. Севастопольський національний технічний університет. - 2011. - Вип. 118. - C. 57 - 61.
  20. Левченко Е.А. Методика расчета параметров боковых поверхностей отрезных кругов при абразивной разрезке // Вестник современных технологий: сб. науч. тр. Севастопольский государственный университет. - 2017. - Вып. № 6. - C. 39-45.
  21. Левченко Е.А., Покинтелица Н.И., Харченко А.О. Теория и практика абразивной разрезки труб: монография - М.: Вузовский учебник: ИНФРА-М, 2018. - 142 с.
  22. Сипайлов В.А. Тепловые процессы при шлифовании и управление качеством поверхности. -М.: Машиностроение, 1978. - 167 с.
  23. Балакин В.А. Трение и износ при высоких скоростях скольжения. - М.: Машиностроение, 1980. - 136 с.
  24. Папшева Н.Д., Александров М.К., Акушская О.М. Тепловые явления при поверхностном пластическом деформировании // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. -2010. - Т. 12, № 4 (3). - С. 682-685.
  25. Давыдов С.В., Гуляев Ю.В., Симочкин В.В. Влияние теплофизических свойств углеродистых сталей на эвтектоидное превращение аустенита // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2008. - № 1 (17). - С. 4-9.

Statistics

Views

Abstract - 19

PDF (Russian) - 12

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies