Феноменологическая модель процесса диссипации энергии при резании

ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ

УДК 621.191

В. В. Постнов, Е. Н. Малахов, А. Ю. Федоровцев

ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ДИССИПАЦИИ ЭНЕРГИИ ПРИ РЕЗАНИИ

Рассмотрены результаты теоретического и экспериментального исследований процесса трансформации механической энергии в тепловую при резании труднообрабатываемых материалов. Резание, диссипация энергии; энтропия; износ инструмента; структурно-химическая активация

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время для управления лезвийной обработкой деталей и поиска путей повышения работоспособности режущего инструмента используются методы неравновесной термодинамики как теории самоорганизации систем, далеких от термодинамического равновесия.

Несмотря на значительную общность термодинамического подхода к оценке трения, разрушения и изнашивания, полученные отечественными и зарубежными учеными зависимости не учитывают особенностей протекания термомеханических процессов при высокоскоростной деформации в зоне резания. Как правило, функциональные связи между входными и выходными параметрами процесса резания получены при условии априорно полного превращения механической энергии в тепловую в пределах зоны контакта инструмента с заготовкой. Расчетные зависимости содержат ряд параметров, которые не могут быть определены экспериментально или расчетным путем.

В связи с вышеизложенным актуальной представляется разработка термодинамических принципов обеспечения синхронизма механических и тепловых явлений, определения термодинамических условий, критериев и методов минимизации интенсивности изнашивания режущих инструментов.

УРАВНЕНИЕ ОБЩЕГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА

Принимая в первом приближении, что механическая внешняя энергия % , подведенная

к зоне контакта инструмента с деталью, затрачивается на тепловыделение при деформации обрабатываемого материала %л, а также на из-

менение внутренней энергии при формоизменении и износе инструментального материала % , закон сохранения энергии в форме баланса диссипативных функций можно записать в виде [1]:

% = % + %.

Используя закономерности теории резания, кинетической теории прочности и пластичности, механохимии и физической кинетики, конкретизируя составляющие уравнения баланса, можно реализовать принципиальную возможность управления изнашиванием инструмента путем целенаправленного изменения механической % и тепловой % составляющих уравнения энергетического баланса, в том числе за счет выбора не только оптимальных сочетаний управляемых параметров процесса резания, но и скоростей их изменения.

С учетом указанных выше условий, ограничений и принятых моделей получено уравнение общего энергетического баланса [1]:

1 (/^ + и) =

Ъ(Н3 + с1) ёх

= л105 рсд° ж (! - т)Ивг +

+

3(1+т)с2 4Е

ёУ„

ёх

Контактная информация: 8(347)273-05-26

где Ь - ширина срезаемого слоя; Н3 и с1 - длины контакта резца со стружкой и деталью по задней и передней поверхностям инструмента; / - путь резания; т - время резания; Рг - сила резания; р и с - плотность и удельная теплоемкость материала детали; т - коэффициент температурно-скоростного упрочнения материала детали в контактной зоне; Д0м - температура, модифицированная на скорости деформации е'; И0 -толщина термопластически деформированного слоя материала детали; Ул - деформированный объем; ц и Е - коэффициент Пуассона и модуль

1

л

р

упругости инструментального материала; о_л -напряжение, обеспечивающее локальные сдвиги в объеме деформируемого слоя материала инструмента.

УСЛОВИЯ СИНХРОНИЗМА МЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ЗОНЕ РЕЗАНИЯ

Под синхронизмом следует понимать степень или полноту реакции системы на внешнее воздействие, в данном случае, соответствие количества выделившегося в процессе резания тепла подведенной механической энергии.

Необратимость диссипативных процессов обеспечивается соответствующими потоками энтропии [2]. На рис. 1 представлены температурные зависимости производства энтропии

S'P3 = уР3 / 0 от действия внешних сил и скорости ее изменения, обусловленной тепловыми процессами Б'лз = / 0 при различных фасках

износа Н3 и скоростях резания, рассчитанные по уравнению 2.

Полученные данные показывают, что с увеличением скорости резания (температуры задней поверхности 0З) S'P3 и 3 возрастают. При

этом рост фаски износа вызывает снижение уровня зависимости Б'рз (0З) тем большее, чем выше температура контакта. Для зависимости Б'лз (0З) аналогичное поведение наблюдается только до температур порядка 1220 К. В зоне высоких температур 3 снижается, при этом зависимость для различных НЗ сливается в единую кривую. Это позволяет сделать вывод о том, что при температурах контакта, превышающих некоторую критическую 0кр, эффективность диссипации энергии в виде тепла за счет роста площади контакта при увеличении фаски износа резко снижается. Следует отметить, что температура 1223 К близка к так называемой температуре красностойкости для твердого сплава ВК8, используемого в данном случае в качестве инструментального материала. Графическим представлением уравнения баланса диссипативных функций в форме скоростей изменения энтропии являются зависимости З'р = /(З'а), которые построены для зоны струж-

кообразования (рис. 2) передней поверхности (рис. 3), на основании температурных зависимостей Б я и (рис. 1) для различных сочетаний

скоростей резания и высоты Н3 фаски задней поверхности инструмента.

^)зх103, Н/м-с-К.

450

400

350

300

250

200

150 100

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 0^ °с

а

Ю3, Н/м-с-К

300

2:0

200

ио

100

50

500 <500 700 300 900 1000 1100 1200 0^

б

Рис. 1. Зависимость производства энтропии (а) и 5^ (б) от средней температуры

задней поверхности (ХН73МБТЮ - ВК8): о - кЗ = 0 мм; А - кЗ = 0,2 мм;

- кЗ = 0,35 мм; ◊ - кЗ = 0,5 мм;

V - кЗ = 0,6 мм

Рис. 2. Зависимость между механической 5'р и тепловой составляющими скорости

производства энтропии для зоны сдвига (ХН73МБТЮ-ВК8). Условные обозначения аналогичны рис. 1

Н/м с - К 700

600

500

400

300

200

г( /

/

/, У У У

У У У

сР/ /V У

У У

> V у У У

100 200 300 400

=пп Я' х10 , и и йГп

Н/м с К

Рис. 3. Зависимость между механической Б'р и тепловой 5* составляющими скорости

производства энтропии для передней поверхности инструмента (ХН73МБТЮ-ВК8). Условные обозначения аналогичны рис. 1

Зависимости 5'р (8'й) с достаточной точностью могут быть аппроксимированы отрезками прямых. На расчетно-экспериментальные зависимости пунктиром нанесены линии полной трансформации механической энергии в тепловую при условии 5/ = Б'л .

ЛУ = Чр.

Представленные на рис. 2, 3 данные показывают, что скорость производства энтропии Б'р для всех зон деформации больше скорости ее отвода в виде тепла Б'а , поскольку зависимости

5'р (5) лежат выше пунктирной линии. Наиболее полная диссипация энергии происходит в зоне сдвига (рис. 2). В диапазоне высоких скоростей (температур) контакта Б'р = 5'й .

Общей для полученных зависимостей является тенденция стремления к максимально полной трансформации (Б'р = ) механической

энергии в тепловую при определенных критических значениях Б'р и 5'л .

Полученная зависимость (5^) позволяет

сделать заключение о существовании энергетически оптимальной зоны эксплуатации режущего инструмента, в пределах которой наблюдается наиболее полная диссипация механической энергии в тепловую и отвод ее из зоны контакта термопластически деформированным прикон-тактным слоем квз обработанной поверхности детали. Указанная зона ограничена с одной стороны оптимальной температурой резания 0О. Под оптимальной температурой (скоростью) 0О(КО) понимается температура (скорость), при которой интенсивность износа инструментального материала минимальна [3]. Верхняя температурная граница, по-видимому, соответствует температуре потери формоустойчивости задней поверхности инструмента [4] и связана с началом интенсивного диффузионного износа режущего инструмента.

ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТОКОВ В ЗОНЕ РЕЗАНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СКОРОСТЯХ ОБРАБОТКИ

Значительный интерес представляет вопрос о степени превращения механической энергии в тепловую за время существования контакта инструмента с заготовкой при различных скоростях резания. В соответствии с уравнением энергетического баланса (1), абсолютная часть ЛУ механической энергии, не затраченной на тепловыделение в зоне контакта инструмента с обрабатываемым материалом, может быть представлена разностью:

Тогда относительную долю механической энергии можно выразить отношением:

5¥=Л¥ / Ур.

Для наглядного представления полноты перехода механической энергии в тепловую в зависимости от скорости резания и высоты фаски износа по задней поверхности режущего инструмента на рис. 4 представлены абсолютная часть и относительная доля механической энергии, не перешедшей в тепловую в пределах зоны контакта инструмента с деталью за время контактирования.

д4» хю‘ Н/мс

-I----------------------------------------

О 0,25 0,5 0,75 1 1,25 v,*úe

б

Рис. 4. Влияние скорости резания на абсолютную часть (а) и относительную долю (б) механической энергии при различных фасках износа инструмента (ХН73МБТЮ-ВК8). Условные обозначения аналогичны рис. 1

Из рис. 4 видно, что с увеличением скорости резания наблюдается тенденция стабилизации или некоторого снижения абсолютной части DY механической энергии, при этом относительная доля механической энергии 5Y снижается резко. В зоне оптимальной скорости резания наблюдается минимум величин DY и 5Y . В зоне высоких скоростей резания обе величины возрастают с увеличением фаски износа по задней поверхности.

В целях анализа необходимо учитывать влияние скорости резания как фактора обеспечивающего подвод механической энергии и отвод тепла со стружкой и приконтактными слоями обрабатываемой поверхности, и пути резания как фактора, косвенно учитывающего затраты энергии на деформацию инструментального материала по мере его износа. По экспериментальным данным, в соответствии с уравнением (2), для трех скоростей резания: оптимальной (Ко), выше оптимальной (У2 > УО) и ниже оптимальной (У1 > УО), на рис. 5 приведена зависимость относительной доли механической энергии от пути резания.

Т— 2 г 1 i

] -П

0 20 40 ВО ВО

Рис. 5. Влияние пути резания на относительную долю механической энергии при различных скоростях резания У = 0,5 м/с (◊), У0 = 0,75 м/с (), У2 =

= 1,167 м/с

При скорости резания У1 ниже оптимальной по мере износа инструмента по задней поверхности относительная доля механической

энергии, не перешедшей в тепловую снижается с 35 до 25 %. При скорости резания, близкой к оптимальной Уо, изменяется незначитель-

но и имеет минимальное значение, составляя 15 %. С увеличением скорости резания до У2 относительная доля механической энергии,

не перешедшей в тепловую, повышается с 23 до 28 %. Следует отметить, что на зависимости присутствует участок резкого возрастания 8¥ , соответствующий зоне катастрофического износа инструмента.

На основании анализа полученных закономерностей и литературных данных [5, 6], экстремальную зависимость 8¥ можно объяснить следующим образом.

Тонкий поверхностный слой материалов детали и инструмента по своим свойствам и структуре отличается от материала в объеме контактирующего тела вследствие аномально высокой концентрации вакансий и плотности дислокаций, играющих роль активных центров твердофазного взаимодействия. В поверхностном слое толщиной порядка сотен нанометров плотность запасенной энергии в единице деформируемого объема будет близка к предельным критическим значениям энергии, которую может поглотить металл в твердой фазе при нагреве до температур, близких к температуре его плавления. Высокая плотность энергии пригомологических температурах 0 = (0,4 + 0,7) • 0пл обуславливает аномальные эффекты структурно-термической активации тонкого поверхностного слоя, протекающие диффузионным путем.

Начальная температура термической активации зависит от химического состава контактирующих материалов (для никеля это ~ 820830 К, для твердых сплавов 1020-1090 К [7]). При некоторой усредненной, в зависимости от сочетания контактирующих материалов и создаваемого ими фрикционного силового поля, температуре резания происходит экстремальное увеличение плотности запасенной энергии в ламинарном тонком приповерхностном слое контакта инструмента с заготовкой.

Поскольку обрабатываемые материалы имеют 0дл меньшую, чем 0дл инструментальных твердых сплавов, при повышении скорости (температуры) резания от достаточно низких значений (< 0,215 0пл обрабатываемого материала) до гомологических (0,4 + 0,5)0дл обрабатываемого материала, локализация запасенной энергии происходит прежде всего в прикон-тактных слоях стружки и в зоне контакта детали с задней поверхностью инструмента. В результате этого происходит отток энергии фрикционного (главным образом, адгезионного) взаимодействия материалов детали и инструмента от изнашиваемых поверхностей инструментального материала в виде предпочтительной диссипации механической энергии в стружку. Эта энергия, в соответствии с первым законом термодинамики (1), превращается в тепловую энергию. Факт возрастания количества тепла, уходящего со стружкой при увеличении скорости резания и снижения интенсивности износа инструмента в определенном диапазоне температур является общепризнанным. Таким образом доля механической энергии 5¥, не перешедшей в тепловую,

имеет минимальное значение при 0О(УО), соответствующее температуре активации.

При дальнейшем увеличении скорости резания и достижении температуры в зоне контакта порядка (0,4 0,5)0дл инструментального мате-

риала возрастает локализация энергии в его приповерхностном контактном слое, происходит перераспределение энергетических потоков в зоне контакта, что может вызвать резкое возрастание интенсивности износа инструмента. Это объясняет зону катастрофического износа на зависимости в зоне высоких скоростей.

Так как показатель в данном случае рассчитывался для задней поверхности контакта инструмент-деталь, то большое влияние на его значение оказывает температура в этой зоне, которая, в свою очередь, напрямую зависит от величины фаски износа по задней поверхности режущего инструмента. Это объясняет факт повышения показателя по мере износа режущего инструмента по задней поверхности при скоростях резания ниже оптимальной, поскольку, возрастая по мере износа, температура приближается к температуре термической активации. И, наоборот, показатель понижается по мере износа инструмента по задней поверхности из-за того, что, повышаясь, температура резания уходит за пределы выше вышеуказанной зоны.

ВЫВОДЫ

1. Получена термодинамическая модель контактных процессов в зоне резания, позволяющая рассчитать удельные энергетические потоки и определить степень полноты превращения механической энергии в тепловую.

2. Установлена возможность неполного превращения механической энергии в тепловую в пределах зоны контакта инструмента с деталью, вследствие конечности скорости этого превращения. Установлено, что относительная доля энергии , не перешедшей втепловую, по мере увеличения износа инструмента снижается в зоне низких скоростей, возрастает в зоне высоких скоростей и практически не изменяется при оптимальной скорости (температуре) резания. При этом значения ЛУ и при УО минимальны, что обеспечивает наименьшую интенсивность износа инструмента.

3. Факт отставания доли тепла, выделившегося в зоне резания, от механической энергии, затраченной на процесс срезания слоя

стружки, может быть объяснен особенностями энергетических превращений в поверхностных контактных слоях детали и инструмента при гомологических температурах 0 / 0пл и обусловлен аномальными эффектами структурнотермической активации, протекающими диффузионным путем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Постнов В. В. Термодинамические принципы обеспечения управляемости процесса резания // Вестник УГАТУ. Уфа, 2005. № 6(12). С. 98-106.

2. Иванова В. С. Синергетика: Прочность и разрушение металлических материалов. М.: Наука, 1992. 160 с.

3. Макаров А. Д. Износ и стойкость ржущего инструмента. М.: Машиностроение, 1966. 264 с.

4. Лоладзе Т. Н. Износ режущего инструмента. М.: Машгиз, 1958. 354 с.

5. Лившиц Б. Г., Крапошин В. С., Линец-кий Я. Л. Физические свойства металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1980. 320 с.

6. Рыжкин А. А. Обработка материалов резанием: физические основы: учеб. пособие. Ростов-на-Дону: Изд. центр ДГТУ, 1995. 242 с.

7. Рюков Д. И. Исследование влияния состава твердых сплавов на основные параметры оптимального резания при точении жаропрочных сплавов и разработка ускоренных методов их определения: дисс.. канд. техн. наук. Уфа, 1979. 197 с.

ОБ АВТОРАХ

Постнов Владимир Валентинович, проф. каф. ме-хатронных станочных систем. Дипл. инженер-механик (УГАТУ, 1972). Д-р техн. наук по технол. и оборуд. мех. и физ. тех. обработки (УГАТУ, 2005). Иссл. в области нестационарных процессов резания жаропрочных сталей и сплавов

Малахов Евгений Николаевич, асп. той же каф. Дипл. инженер по мехатронике (УГАТУ, 2009). Иссл. в обл. диссипации энергетических потоков при лезвийной обработке.

Федоровцев Александр Юрьевич, асс. той же каф. Дипл. инженер по мехатронике (УГАТУ 2007). Иссл. в обл. вибрационной составляющей процесса резания.