ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛЫ РЕЗАНИЯ ПРИ ОРТОГОНАЛЬНОМ СВОБОДНОМ ТОЧЕНИИ СПЛАВА Д16 С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДВУХ МЕТОДИК ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Аннотация: В статье приводится сравнение результатов вычисления составляющих силы резания при ортогональном точении алюминиевого сплава Д16. Исследования построены на основе методики аналитического определения силы резания при точении, а также на основе созданной компьютерной модели, базирующейся на методе конечных элементов. Задействованная аналитическая методика определения силы резания при точении была дополнена рекомендациями А.Н. Резникова.

Ключевые слова: точение, ортогональное точение, сила резания, составляющие силы резания, феноменологическая модель Джонсона-Кука, плоскость сдвига, касательные напряжения, срезаемый слой, стружка.

Введение. Процесс механической обработки материалов лезвийным инструментом сопровождается противодействующими силами, знание которых необходимо для выполнения расчетов на прочность, жесткость и виброустойчивость элементов конструкции станков и режущих инструментов.

Кроме того существует подход к оценке действующей температуры в зоне резания при точении, основывающийся на знании величин плотностей тепловых потоков, определить которые возможно при условии известных величин составляющих силы резания. Как известно, на формирование состояния поверхностного слоя деталей оказывают влияние силовой и температурный факторы. Причем, если температура в зоне резания достигает значений, соответствующих значениям критических точек аллотропических превращений в поверхностном слое материале заготовки, то влияние температуры на формирование поверхностного слоя существенно возрастает.

Остаточные напряжения, формируемые в поверхностном слое заготовок при резании и являющиеся одним из основных параметров, определяющих качество обработки, возникают в результате воздействия силового и температурных полей в зоне резания . Также известно, что остаточные напряжения в значительной степени влияют на сопротивление усталости деталей. Существуют методики оценки остаточных напряжений в поверхностном слое заготовок наведенных после их обработки. Такие методики обычно требуют знание величины силы резания и температуры, действовавшей в зоне резания .

Поэтому необходимо проводить исследования силы резания, применять различные методики для ее оценки, находить их недостатки и искать пути совершенствования существующих методик.

Методика аналитического определения силы резания

При создании методики авторы работы  использовали схему распределения сил в зоне резания, которая была составлена Юджином Мёрчантом (M. Eugene Merchant). Для исследования, представленного в данной работе, в схему распределения сил были внесены изменения в виде добавленных составляющих силы резания, таких как 𝑁з и 𝐹з . Необходимость их присутствия объясняется наличием у неидеального режущего клина площадки его контакта по задней поверхности с заготовкой. Распределение сил показано на рис. 1.

В соответствии с методикой, изложенной в работе , касательная сила (сила сдвига), возникающая в плоскости сдвига AB (рис. 1), определяется по формуле:

где b – ширина срезаемого слоя, τсд – касательные напряжения, возникающие в зоне сдвига, 𝐴𝐵 – длина плоскости сдвига, которую просто вычислить, зная глубину резания t и угол сдвига 𝛽1:

Угол сдвига β1 можно определить, используя зависимость А.Н. Резникова :

Определив силу сдвига 𝑃τ, далее возможно определить тангенциальную силу Pz и радиальную силу резания Ру, по формулам, представленным в работе :

где βμ - угол действия силы давления .

Но как уже было сказано выше, к данным формулам были добавлены слагаемые в виде силы трения задней поверхности режущего клина о заготовку 𝐹з и силы упруго-пластического взаимодействия задней поверхности режущего клина с заготовкой 𝑁з. Оценить величину данных сил помогли рекомендации и зависимости А.Н. Резникова .

В отличие от методики , при проведении исследования угол βμ был получен с использованием формулы Юджина Мёрчанта, что стало возможным благодаря известному углу сдвига (1):

Как уже было отмечено ранее для того, чтобы определить все представленные на рис. 1 силы, необходимо рассчитать значение силы сдвига 𝑃τ. Ее определение в методике  сводится к умножению величины касательных напряжений τсд в плоскости сдвига AB на площадь плоскости сдвига. Для того чтобы определить величину касательных напряжений в плоскости сдвига AB авторами работы  было использовано уравнение Джонсона-Кука:

где εсд ‒ деформация сдвига; ε̇сд ‒ скорость деформации сдвига.

Разработка компьютерной модели для проведения численных экспериментов

В универсальной программной системе конечно-элементного анализа ANSYS была разработана компьютерная модель ортогонального свободного точения алюминиевого сплава Д16, применительно к установившемуся процессу резания. Модель представлена в виде двух виртуальных тел заготовки и режущего клина, для каждого из которых задано свое кинематическое описание движения и свое описание материала внутри компьютерной программы.

Описание геометрии виртуальных тел компьютерной программы

Заготовка имеет следующие геометрические параметры: высота 5 мм, ширина 2 мм, длина 10 мм. Режущий клин имеет передний угол γ = 12°, ширина режущего клина 4 мм, а радиус скругления режущей кромки составляет 0,025 мм. Две другие кромки виртуального тела режущего клина имеют скругление 0,25 мм и это связано с задачей корректного наложения сетки конечных элементов в данных областях режущего клина (рис. 2).

Описание материала виртуальных тел

Помимо геометрических данных заготовки и режущего клина, в роли исходных данных для вычислений выступили также описания материалов заготовки и режущего клина. Структура описаний материалов содержит такие данные как плотность материала, изотропная модель эластичности (которая включает в себя модуль Юнга, коэффициент Пуассона, объемный модуль упругости и величину жесткости при сдвиге), модель пластичности, в виде феноменологического уравнения Джонсона-Кука, модель разрушения, которая представлена в виде феноменологической зависимости Джонсона-Кука.

Кинематическое описание движения виртуальных тел

Диаметр заготовки был выбран 96 мм, однако он не имеет своего геометрического отражения в компьютерной модели и этот нюанс компенсируется через скорость движения режущего клина. Выполненные расчеты, что при задействовании аналитической методики определения силы резания, что при использовании компьютерной модели, были проведены для режимов обработки сплава Д16, соответствующих подаче 0,47 мм/об и 1 мм/об при глубине резания составляющей 2 мм и скорости резания менявшейся в диапазоне от 15 до 75 м/мин.

Результаты исследования

Прежде всего, стоит отметить, что на величину силы резания при использовании аналитической методики ее определения, оказывает большее влияние изменение коэффициента усадки стружки, нежели изменение скорости резания. Изменение скорости резания влечет к изменению касательных напряжений, в плоскости сдвига. В свою очередь, это изменение, при всех исходных данных представленного исследования оказалось маленьким и для увеличения точности прогнозируемой величины силы резания необходимо знание изменения усадки стружки в зависимости от скорости и глубины резания. В представленной работе коэффициент усадки стружки был принят постоянным для всех скоростей резания, т.е. не учитывалось его изменение в зависимости от скорости резания.

Ниже представлены графики изменения составляющих силы резания и их результирующей, полученные посредством компьютерной модели (рис. 3 и 4).