Исследование влияния скорости резания на температурно-силовое состояние в зоне обработки методом численного моделирования

Оригинальная статья / Original article УДК: 621.91

DOI: 10.21285/1814-3520-2016-8-10-19

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СКОРОСТИ РЕЗАНИЯ НА ТЕМПЕРАТУРНО-СИЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ В ЗОНЕ ОБРАБОТКИ МЕТОДОМ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

© А.В. Гринек1, В.Г. Рубанов2, И.В. Калатозишвили3, В.В. Михайлов4

Белгородский государственный технологический университет, 308012, Россия, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.

Резюме. Цель. Исследование влияния скорости резания на температурно-силовое состояние в зоне обработки на основе численного метода моделирования. Методы. Конечно-элементное моделирование динамики процесса стружкообразования в трехмерной объемной постановке задачи проведено на примере продольного наружного точения заготовки из стали 03X16H15. Моделирование проводилось в диапазоне скоростей 100-550 м/мин. Результаты. Определен характер изменения силы резания в моменты входа и выхода инструмента из зоны резания. Показаны распределения тепловых полей и динамика изменения максимальной температуры на поверхности заготовки и инструмента с начала резания. Определено значение скорости резания для конкретных условий обработки, при котором температура в зоне резания достигает максимального состояния. Заключение. Авторами выявлено влияние технологических режимов на характер стружкообразования, величину тангенциальной и радиальной составляющих силы резания и теплового состояния зоны контакта режущей пластины с заготовкой. Результаты моделирования подтверждают имеющиеся данные о неоднозначном влиянии скорости резания на температуру в зоне резания. Показана качественная связь составляющих износа режущей кромки, определяемых тепловым состоянием в зоне резания. Предложен алгоритм управления тепловым состоянием в зоне резания.

Ключевые слова: конечно-элементный, процесс резания, скорость, температура, сила.

Формат цитирования: Гринек А.В., Рубанов В.Г., Калатозишвили И.В., Михайлов В.В. Исследование влияния скорости резания на температурно-силовое состояние в зоне обработки методом численного моделирования // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. № 8 (115). С. 10-19. DOI: 10.21285/18143520-2016-8-10-19

NUMERICAL MODELING-BASED STUDY OF THE CUTTING SPEED INFLUENCE ON THE TEMPERATURE AND FORCE CONDITION IN THE MACHINED AREA A.V. Grinek, V.G. Rubanov, I.V. Kalatozishvili, V.V. Mikhailov

Belgorod State Technological University, 46 Kostyukov St., Belgorod, 308012, Russia.

Abstract. The purpose of the paper is to study the cutting speed effect on the temperature and force condition in the machined area on the basis of a numerical modeling method. Methods. The 3D finite element modeling of the chip formation dynamics was conducted on the example of 03X16H15 steel workpiece external longitudinal turning. The simulation was performed in the speed range of 100-550 m/min. Results. The nature of the cutting force change is defined at the moments of tool introduction and removal from the cutting zone. The distributions of thermal fields and the change dynamics of the maximum temperature on the workpiece and tool surfaces are shown from the beginning of cutting. The value of the cutting speed is determined for specific machining conditions when the temperature in the cutting zone reaches its maximum value. Conclusion. The paper reveals the effect of technological regimes on the chip formation nature, the magnitudes of tangential and radial components of the cutting force and thermal condition of the insert contact zone with the workpiece. The simulation results confirm available data on the ambiguous influence of the cutting

Гринек Анна Владимировна, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии машиностроения, e-mail: grinyokann@rambler.ru

Grinek Anna, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mechanical Engineering Technology, e-mail: grinyokann@rambler.ru

2Рубанов Василий Григорьевич, доктор технических наук, профессор кафедры технической кибернетики, e-mail: untime@list.ru

Rubanov Vasiliy, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Technical Cybernetics, e-mail: untime@list.ru

3Калатозишвили Иван Васильевич, студент, e-mail: ivank300@gmail.com Kalatozishvili Ivan, Student, e-mail: ivank300@gmail.com

4Михайлов Владимир Вячеславович, аспирант, e-mail: v_v_michailov@inbel.ru Mikhailov Vladimir, Postgraduate, e-mail: v_v_michailov@inbel.ru

©

speed on the temperature in the cutting zone. The qualitative relationship of cutting edge wear components determined by the thermal condition in the cutting zone is shown. An algorithm is proposed to control thermal condition in the cutting zone.

Keywords: finite element, cutting process, speed, temperature, force

For citation: Grinek A.V., Rubanov V.G., Kalatozishvili I.V., Mikhailov V.V. Numerical modeling-based study of the cutting speed influence on the temperature and force condition in the machined area. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, no. 8 (115), pp. 10-19. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-8-10-19

Введение

Оптимальное состояние поверхностного слоя изделия в процессе механической обработки формируется под воздействием многих факторов: упруго-пластических процессов в зоне резания, течения металла, теплового поля и напряженно-деформированного состояния детали и инструмента. Обеспечение оптимальной температуры резания в процессе обработки позволяет стабильно поддерживать установленные параметры качества поверхностного слоя: микротвердость, величины остаточных напряжений и глубину упрочненного слоя [1, 2]. Стойкость режущего инструмента определяется величиной износа режущей кромки, которая, в свою очередь, зависит от трех видов износа: адгезионного, диффузионного, абразивного. В зависимости от условий резания могут протекать одновременно три вида износа или какой-то из них может преобладать над другими. При описании процессов точения, как правило, абразивным износом прене-

брегают. При обработке на определенной скорости резания и температуре в зоне резания около 600°С имеет место адгезионное изнашивание инструмента [3], которое протекает с постоянной скоростью, при этом скорость относительного износа почти постоянна. С увеличением скорости резания адгезионный износ уменьшается. При значении температуры в зоне резания около 800°С начинается разупрочнение твердого сплава режущей пластины, и адгезионный износ переходит в диффузионный (рис. 1). Зависимость стойкости от температуры в зоне резания имеет экстремум и область пониженного износа, причем, экстремумов может быть и несколько.

Зависимости на рис. 1 имеют качественный характер и могут сильно варьироваться от следующих причин: марки стали режущей пластины, наличия или отсутствия смазывающе-охлаждающей жидкости и условий механической обработки.

Рис. 1. Схема температурной зависимости интенсивности составляющих износа твердосплавного инструмента: 1 - адгезионный износ; 2 - диффузионный износ; 3 - суммарный износ Fig. 1. Temperature dependence graph of carbide-tipped tool wear component intensity: 1 - adhesive wear; 2 - diffusion wear; 3 - total wear

©

Целью исследований, приведенных в данной статье, являлось определение неоднозначного характера влияния скорости резания на температуру в зоне резания и силовые характеристики процесса. Для этого проведено моделирование процесса резания и определен комплекс показателей, описывающих процесс стружкообразо-вания. На основании этих данных стало возможным определение соответствующих оптимальному состоянию зоны резания технологических режимов и обеспечение требуемого баланса составляющих износа, а значит, и повышение стойкости режущего инструмента. Измеренные значения температуры в зоне резания и силовые параметры могут давать неточные эмпирические температурные и силовые зависимости или не согласовываться с аналитическими моделями в силу ряда факторов [4]: неравномерности физико-механических свойств

поверхностного слоя заготовки, обусловленного методом получения заготовки или обработкой на предшествующей операции; постоянно изменяющейся в процессе резания геометрией режущей кромки инструмента; случайным характером процессов, связанных с износом инструмента.

Численное моделирование процесса стружкообразования при механической обработке дает следующие преимущества по сравнению с аналитическими и экспериментальными методами исследования [5-7]:

- получение полной трехмерной картины упруго-пластических, силовых процессов и процессов теплопередачи;

- учитывающееся в модели процесса стружкообразования влияние температуры и скорости разрушения на физико-механические свойства материалов.

Методика исследований

В качестве конечно-элементного инструмента использовалось специальное приложение для моделирования процесса резания. Диаметр заготовки - 250 мм, материал - сталь марки 03Х16Н15.

Тип материала заготовки - пластический, тип материала инструмента - жесткий. Для численного описания процесса разрушения в конечно-элементном пакете использованы полуэмпирические и эмпирические модели: Джонсона-Кука, Зерилли-Армстронга и Оксли.

В таблице приведены основные расчетные параметры моделирования, включающие в себя геометрические, конструктивные параметры заготовки и пластины, физико-механические свойства материала заготовки и режущей пластины, основные параметры сетки.

Трехмерной моделью заготовки является дуга окружности диаметром 250 мм и углом 40° (рис. 2, 3).

Режущая пластина - твердосплавная, ромбической формы; конструктивно-геометрические параметры державки и ре-

жущей пластины выбраны из инструментальной базы данных программного пакета.

Расчет состоял из стандартных этапов программной реализации конечно-элементного анализа: препроцессора (задания граничных условий, параметров сетки); непосредственно расчета и постпроцессорного анализа.

Глубина резания во всех задачах была постоянной и составляла 2 мм. На рис. 4-7 приведены графики изменения составляющих сил резания Fy и Fz во времени при обработке с подачей 0,7 мм/об. и 1,2 мм/об. и скоростью резания 120 м/мин.

На графиках прослеживаются три состояния процесса резания, обусловленные формированием и сходом стружки: внедрение режущей кромки в обрабатываемый материал; процесс резания; момент выхода инструмента из зоны резания.

На рис. 8 показано начало врезания инструмента, а на рис. 9 - график изменения силы резания, вызванного внедрением режущей кромки в заготовку.

m

Основные расчетные параметры _Main design parameters_

Параметры резания / Cutting parameters Значения / Values

Материал заготовки / Workpiece Material AISI 316l

Режущий материал / Cutting Material WC

Тип пластины / Insert Type CNMA 432

Радиус скругления режущей кромки / Cutting Tool Tip Radius, mm 0,8

Угол наклона / Rake Angle 0

Задний угол резца / Clearance Angle 0

Скорость резания м/мин / Cutting Speed, m/min 50-550

Глубина резания, мм / Depth of Cut, mm 2

Скорость подачи , мм/об / Feed Rate, mm/rev 0,05-0,3

Температура/ Temperature, °K 293

Коэффициент теплоотдачи Вт/(м2К) / Heat Transfer Coefficient, W/mK° 62

Коэффициент трения / Friction Coefficient 0,5

Метод построения расчетной сетки / Grid construction method Абсолютный / Absolute

Минимальный размер элемента / Element's minimum size 25% от величины подачи / 25% of the feed

Соотношение между самой высокой и самой низкой сторонами элемента / The ratio between the highest and lowest side of the element 7

L.

Рис. 2. Трехмерная модель заготовки Рис. 3. Конечно-элементная модель

Fig. 2. Three-dimensional model of the workpiece Fig. 3. Finite element model

ш

Рис. 4. Изменение составляющей силы резания

Fy при подаче s = 0,7 мм/об. Fig. 4. Change of the cutting force Fy component at the feed rate of s = 0.7 mm/rev.

Fz.H 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05 t,c

Рис. 5. Изменение составляющей силы резания Fz при подаче s = 0,7 мм/об. Fig. 5. Change of the cutting force Fz component at the feed rate of s = 0.7 mm/rev.

Рис. 6. Изменение составляющей силы резания

Fy при подаче s = 1,2 мм/об. Fig. 6. Change of the cutting force Fy component at the feed rate of s = 1.2 mm/rev.

0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 t,

Puc. 7. Изменение составляющей силы резания Fz при подаче s = 1,2 мм/об. Fig. 7. Change of the cutting force Fz component at the feed rate of s = 1.2 mm/rev.

Рис. 8. Внедрение инструмента в зону резания Fig. 8. Tool introduction into the cutting area

Рис. 9. График изменения силы резания во времени

при внедрении инструмента в заготовку Fig. 9. Graph of cutting force time variation under tool introduction into the workpiece

На рис. 10 и 11 соответственно показан выход инструмента из зоны резания и приведен график изменения силы резания.

На некоторых шагах расчета присутствуют всплески, когда расчетное значение

силы резания увеличивается в несколько раз. Эти всплески обусловлены особенностями численного расчета. При дальнейшей обработке данных моделирования с целью получения аналитических зависимостей такие значения могут быть исключены.

Рис. 10. Выход инструмента из зоны резания Fig. 10. Tool removal from the cutting area

Рис. 11. График изменения силы резания во времени при выходе инструмента из зоны резания Fig. 11. Graph of cutting force time variation under tool removal from the cutting area

Тепловой процесс в зоне резания

На рис. 12 и 13 приведены графики, показывающие изменение максимальной температуры в поверхностном слое заго-

товки и на режущей кромке при подаче 0,7 мм/об.

Рис. 12. Изменение максимальной температуры заготовки при подаче s = 0,7 мм/об. Fig. 12. Change of the workpiece maximum temperature at the feed rate of s = 0.7 mm/rev.

Рис. 13. Изменение максимальной температуры инструмента при подаче s = 0,7 мм/об. Fig. 13. Change of the tool maximum temperature at the feed rate of s = 0.7 mm/rev.

Определение оптимальных диапазонов скорости

Ряд конечно-элементных задач, решенных для диапазона скоростей 100-550 м/мин и значений подач 0,05 мм/об. и 0,3 мм/об., позволил выявить влияние скорости резания на максимальную температуру на поверхности заготовки и режущей кромки (рис. 14, 15). Полученные по конечно-элементной модели результаты подтверждают имеющиеся данные [8, 9] о наличии оптимального значения в диапазоне высоких скоростей, свидетельствуют об уменьшении температуры в связи с повышением интенсивности конвекционного теплообмена заготовки с окружающей средой и увеличением отвода теплоты в стружку.

Выбор скорости резания может проводиться по двум температурным критериям:

1. Обеспечение оптимального температурного режима в зоне резания с точки зрения снижения адгезионного и диффузионного износов. Например, для решенной приведенной задачи - это режим скоростей 300-400 м/мин при подаче 0,05 мм/об.

2. Поддержание температуры в зоне резания благоприятной для физико-механических свойств поверхностного слоя: растягивающих и сжимающих напряжений.

Рис. 14. Изменение максимальной температуры в зависимости от скорости резания на поверхности заготовки при подаче s = 0,05 мм/об. Fig. 14. Change of the workpiece surface maximum temperature depending on the cutting speed at the feed rate of s = 0.05 mm/rev.

Рис. 15. Изменение максимальной температуры инструмента в зависимости от скорости резания при подаче s = 0,3 мм/об. Fig. 15. Change of the tool maximum temperature depending on the cutting speed at the feed rate of s = 0.3 mm/rev.

На рис. 16 приведены эпюры, показывающие распределение теплового поля в зоне резания: на поверхности заготовки и сходящей стружки. Расширение конечно-элементного анализа в направлении исследования тепловых процессов на поверхности заготовки и детального рассмотрения процесса стружкообразования поможет сформировать базу исходных данных для определения поверхностных свойств обработанной детали на промежуточных и окончательных операциях механической обработки.

С использованием определенных экстремальных значений может быть реализован алгоритм управления параметра-

ми процесса механической обработки изделия (рис. 17).

На верхнем уровне ПЭВМ (персональная электронно-вычислительная машина) осуществляет моделирование процесса резания, формируется база данных температурно-силового состояния, в которой каждому режиму резания соответствуют значения температуры £опт.

Датчик температуры выдает информацию о действительном текущем состоянии теплового поля, которое сравнивается с модельными значениями, и на основе сигнала рассогласования вырабатывается коррекция режимов резания.

a)

б)

в)

Рис. 16. Распределение температуры на поверхности заготовки при подаче 0,3 мм/об. при скорости резания: а - 100 м/мин; б - 300 м/мин; в - 550 м/мин Fig. 16. Temperature distribution on the workpiece surface at the feed rate of 0.3 mm/rev. with the cutting speed of: а - 100 m/min; б - 300 m/min; в - 550 m/min

Множество данных Физико-механические свойства, геометрия заготовки и инструмента, начальные режимы резания Multiple data

Physical and mechanical properties, workpiece and tool geometry, initial cutting modes

v

ПЭВМ

Моделирование теплового поля и деформаций, сравнение с оптимальными значениями ionT

Personal computer Modeling the thermal field and strains, comparison with the optimum values tQni

Формирование гиперповерхности температурного поля Formation of temperature field hypersurface

Сравнение с температурой в зоне резания в процессе обработки Коррекция режимов Comparison with the temperature in the cutting zone under machining. Mode correction

v

Микроконтроллер Управление приводами главного движения и перемещения суппорта станка Microcontroller Control of machine slide primary motion and displacement drives

к

Объект управления Controlled object

Станок

V

V

Рис. 17. Алгоритм возможной реализации управления температурным состоянием в зоне резания Fig. 17. Algorithm of possible implementation of temperature control in the cutting zone

Корректирующие целеуказания подаются на микроконтроллер, который формирует установку на систему электропривода станка и суппорта, что приводит к смене режима в желаемом направлении изменения температуры, а следовательно, теплового поля.

Также в результате численного мо-

делирования процесса резания возможно получение информации о связях между другими технологическими режимами (продольной и поперечной подачей инструмента) и температурно-силовыми параметрами в зоне резания и проектирование технологии механической обработки, оптимальной по выбранным критериям.

Выводы

- Проведено конечно-элементное моделирование процесса резания с использованием специального программного пакета. Определен характер изменения силы резания в момент входа и выхода инструмента из зоны резания.

- Исследовано влияние технологических режимов на характер стружкообра-зования при наружном продольном точении, характер изменения сил резания и тепловое состояние заготовки и режущего инструмента.

- Получены кривые изменения максимальной температуры на поверхности

заготовки и инструмента.

- Моделирование процесса резания в диапазоне скоростей 100-550 м/мин подтвердило имеющиеся данные об оптимальном значении скорости резания на температуру в зоне резания. Получена критическая точка значения скорости резания, дающая температурный оптимум.

Полученные результаты дают дальнейшую возможность определения оптимальных технологических режимов, обеспечивающих благоприятное температурно-силовое состояние в зоне резания.

Библиографический список

1. Суслов А.Г. Обеспечение качества поверхностного слоя. М.: Машиностроение, 2000. 320 с.

2. Энциклопедия по машиностроению XXL [Электронный ресурс]. URL: http://mash-xxl.info (06.12.2015).

3. Бобров В.Ф. Основы теории резания. М.: Машиностроение, 1975. 344 с.

4. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М.: Машиностроение, 1981. 340 с.

5. Bareggi A., Donnell O. and Torrance A. Modelling Thermal Effects in Machining By Finite Element Methods. Proceedings of the 24th International Manufacturing Conference. 2007. Р. 263-272.

6. Gok K., Gok A., Bilgin M.B. Finite Element Modeling as Three Dimensional of Effect of Cutting Speed in

Turning Proces // Journal of Engineering and Fundamentals. 2014. № 1 (1). P. 11-22.

7. Duyun T.A., Kalatozishvili I.V., Grinek A.V. Finite Element Modeling Of Cutting Process At External Longitudinal Turning // International Journal of Applied Engineering Research (IJAER). 2015. Vol. 10. № 24. P. 44920-44926.

8. Kitawaga T., Kubo A. Temperature and wear of Cutting Tools in High Speed Machining of Inconel 718 and Ti-Al-6V-2Sn. 1997. P. 142-148, 202.

9. Patrascu G., Carutasu G. Using Virtual Manufacturing Simulation in 3D Cutting Forces Prediction, Fascicle of Management and Technological Engineering. 2007. Vol. VI (XVI). P. 1423-1426.

References

1. Suslov A.G. Obespechenie kachestva poverkh-nostnogo sloya [Provision of surface layer quality]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2000, 320 p.

2. Entsiklopediya po mashinostroeniyu XXL [Encyclopedia of Mechanical Engineering XXL]. Available at: http://mash-xxl.info

3. Bobrov V.F. Osnovy teorii rezaniya [Foundations of the cutting theory]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1975, 344 p.

4. Reznikov A.N. Teplofizika protsessov mekhanich-eskoi obrabotki materialov [Thermophysics of material machining processes]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1981, 340 p.

5. Bareggi A., Donnell O. and Torrance A. Modeling thermal effects in machining by finite element methods.

Proceedings of the 24th International Manufacturing Conference. 2007, pp. 263-272.

6. Gok K., Gok A., Bilgin M.B. Finite element modeling as three dimensional of effect of cutting speed in turning processes. Journal of Engineering and Fundamentals. 2014, no. 1 (1), pp. 11-22.

7. Duyun T.A., Kalatozishvili I.V., Grinek A.V. Finite element modeling of cutting process at external longitudinal turning. International Journal of Applied Engineer-

ing Research (IJAER). 2015, vol. 10, no. 24, pp. 44920-44926.

8. Kitawaga T., Kubo A. Temperature and wear of cutting tools in high speed machining of inconel 718 and Ti-Al-6V-2Sn. 1997, pp. 142-148, 202.

9. Patrascu G., Carutasu G. Using virtual manufacturing simulation in 3D cutting forces prediction, fascicle of management and technological engineering. 2007, vol. VI (XVI), pp. 1423-1426.

Критерии авторства

Гринек А.В., Рубанов В.Г., Калатозишвили И.В., Михайлов В.В. провели конечно-элементное моделирование процесса резания, обобщили результаты исследования и написали рукопись. Гринек А.В. несет ответственность за плагиат.

Authorship criteria

Grinek A.V., Rubanov V.G., Kalatozishvili I.V., Mikhailov V.V. conducted a finite element simulation of the cutting process, summarized the research results and wrote the manuscript. Grinek A.V. bears the responsibility for plagiarism.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interest regarding the publication of this article.

Статья поступила 06.06.2016 г.

The article was received 6 June 2016