Механизм завивания стружкина основе синергетического подхода

УДК 621.9.026

Механизм завивания стружки на основе синергетического подхода

Е. Г. Кравченко

С позиций теории синергетики образование различных типов стружки есть фазовый переход — упрочнение деформируемых объемов запасанием в них энергии упругой деформации и диссипацией ее по различным механизмам. Разработана математическая модель процесса резания, позволяющая указать механизм завивания стружки и объяснить зависимость радиуса завивания стружки от кристаллофизических свойств обрабатываемого материала.

Экспериментально установлена и теоретически обоснована связь радиуса завивания стружки с частотой сдвига элемента стружки. Такая связь обусловлена тем, что частота стружкообразования является деформационной характеристикой и коррелирует с коэффициентом скрученности стружки и степенью деформации срезаемого слоя. Частоту стружкообразования можно использовать как диагностирующий признак при контроле формы и радиуса завивания стружки. На этой основе предложены методы управления формой стружки.

Ключевые слова: механизм завивания стружки, синергетический подход, образование в ходе пластической деформации различных видов диссипативных структур, диссипативные свойства, энергия дефекта упаковки, радиус завивания стружки, частота стружкообразования.

Введение

Изучение физической сущности резания помогает создавать подлинную науку о резании металлов и тем самым решить практические задачи повышения производительности металлорежущих станков и инструментов. Механизмы образования стружки в значительной степени определяют резание в целом и его результаты.

Первым, кто исследовал явления, происходящие в резании в связи с образованием стружки, и тем заложил фундамент науки о резании, был русский ученый И. А. Тиме. Профессор И. А. Тиме, а позже и другие исследователи — К. А. Зворыкин, Я. Г. Усачев и др. — доказали, что при резании поверхностный слой металла, снимаемый в виде стружки, претерпевает значительные деформации. В дальнейшем тип стружек

и механизмы их образования при резании изучали зарубежные и отечественные ученые.

С развитием физики твердого тела, теории пластичности, механики сплошных сред, теории дислокаций, теории разрушения и тре-щинообразования появилась возможность дать корректное объяснение деформированию и разрушению материалов при переходе обрабатываемого материала в стружку.

Необходимость усовершенствования теории резания путем дальнейшей разработки ее физических основ на атомном уровне явилась стимулом использования дислокационных представлений физики твердого тела. На основе теории дислокаций образование стружки представляется как постепенное накопление дефектов и увеличение степени деформации. У фронта сдвига на деформацию сжатия накладывается деформация сдвига

и формируется стружка как результат отделения срезаемого слоя от заготовки.

Образование различных типов стружки и завивание стружки следует рассматривать с позиций синергетического подхода [1] как результат образования в ходе пластической деформации различных видов диссипа-тивных структур. Учет диссипативных процессов при расчете параметров, характеризующих напряженно-деформированное состояние срезаемого слоя в процессе стружкообра-зования, позволяет объяснить физическую сущность явлений, протекающих при резании, на основе теории самоорганизации и повысить точность получаемых соотношений.

Методика исследований

При проведении исследований применен комплекс методик для разностороннего изучения особенностей резания, состоящего из качественных (макроскопических и микроскопических) и расчетных определений основных параметров.

Для разработки математической модели расчета напряженно-деформированного состояния зоны стружкообразования использован бескоординатный численный метод. В отличие от метода конечных элементов данный метод прост и алгоритмичен, при одинаковой степени дискретизации рассматриваемой области получается меньшее количество неизвестных благодаря тому, что разностные уравнения выполняются не в узлах наложенной на область деформации сетки, а внутри элементов, составляющих эту область. Область его эффективного применения — это тела, геометрия которых может быть описана системой ортогональных поверхностей.

Метод позволяет использовать единый подход к решению различных задач: упругопла-стическое деформирование тела, пластическое течение материала с учетом массовых и инерционных сил, течение сжимаемой среды. Численный метод расчета также дает возможность как моделировать напряженно-деформированное состояние, так и изучить механизм самоорганизации системы резания. При этом ставилась задача — определить те-плофизические и физико-механические явле-

ния, происходящие в зоне стружкообразова-ния при резании металла.

В исследованиях процессы, происходящие при резании, регистрировались акустико-эмиссионным методом. Для проведения экспериментов по диагностике радиуса завивания стружки при резании по сигналам акустической эмиссии (АЭ) разработан стенд на базе токарно-винторезного станка 1К62. Стенд предназначен для регистрации и обработки сигналов АЭ при токарной обработке.

Предлагаемый метод диагностики основан на контроле частоты стружкообразования, которая коррелирует с радиусом завивания стружки. Система диагностики определяет параметры АЭ в начальный момент обработки. В результате математической обработки рассчитывается частота стружкообразования для оптимального значения радиуса завивания. При дальнейшей обработке регулярно регистрируется АЭ и определяется частота стружкообразования. Регулярность регистрации АЭ зависит от длительности цикла обработки данных, лимитируемой аппаратными средствами реализации алгоритма диагностики.

Результатом работы диагностирующего модуля является отслеживание частоты струж-кообразования и прогнозирование по ней радиуса завивания стружки (мы уже говорили о корреляции этих двух процессов). Эта информация может быть использована в качестве управляющего сигнала на прекращение обработки или изменение режимов резания (скорости, подачи).

Эксперимент

Завивание сливной стружки исследовано при свободном и несвободном резании. Для свободного резания в качестве заготовок использованы стальные диски диаметром 180-210 мм, толщиной Ь = 2,5 ^ 3 мм. Обрабатываемые материалы — стали 10, 20, 45, У8, У12, 1Х18Н9Т, ЭИ437 и ВТ3.

Задача эксперимента — изучение влияния геометрии инструмента, скорости резания и толщины срезаемого слоя, а также свойств обрабатываемого материала на параметры стружки: геометрические (радиус завивания и шаг витка Н; коэффициент

усадки К^ и толщину элемента к, необходимые при расчетах по стандартным методикам степени и скорости деформации) и физические (микротвердость на различных участках шлифов стружек по толщине).

И при свободном, и при несвободном резании оценивали влияние геометрии инструмента, режима резания, свойств обрабатываемого материала на форму стружки и ее размеры. Измеряли радиус завивания собранной стружки Яз и шаг Н. Коэффициент усадки стружки К^ определяли весовым методом на весах ВЛР-200 (ГОСТ 24 104-80), а также путем замера толщины стружки по шлифам продольных сечений стружки или по микрофотографиям.

Толщину элемента стружки измеряли по фотографии, полученной на оптическом высокотемпературном микроскопе металлографических исследований МВТ-71У4.2, и непосредственно на стружке при помощи микротвердомера ПМТ-3 (цена деления барабанчика 0,000315 мм) при увеличении х130 и х487.

Для выявления зависимости радиуса завивания стружки за период стойкости инструмента Т изнашивание рабочих поверхностей инструмента изучали на инструментальном микроскопе БММ-1С. За критерий затупления инструмента принимали максимальное значение износа кз по задним поверхностям, равное 0,4 мм.

Микротвердость на различных участках шлифов стружки по толщине стружки измеряли с помощью микротвердомера ПМТ-3 по стандартной методике.

Для электронно-микроскопических исследований использовали ПЭМ 0МВ-100Л, РЭМ ^М-35СГ, микрорентгеноспектральный анализатор САМЕВАХ и электронный микроскоп НЦ-200 при увеличении х60-14 000.

При подготовке шлифов к электронно-микроскопическому исследованию использован метод электролитического полирования, позволяющий избежать деформации поверхностного слоя металла.

Дислокационные структуры выявляли с помощью растровой электронной микроскопии тонких фольг, полученных с зоны стружко-образования.

Для получения тонких фольг использовали метод электролитического полирования. Приготовленную для исследования фольгу

помещали в объектодержатель электронного микроскопа Ни-200 и исследовали при ускоряющем напряжении 200 кВ.

Результаты исследования и их обсуждение

При обработке высокоуглеродистых сталей с большой энергией дефекта упаковки (ЭДУ) образуются фрагментированные дислокационные структуры, что обеспечивает эффективное пластическое течение деформируемых объемов и образование сливной стружки. В материалах с низкой ЭДУ и с кристаллической решеткой, имеющей малое число плоскостей скольжения, пластическая деформация реализуется путем двойникования и образованием дефектов упаковки, обладающих низкими диссипативными свойствами. В результате формируется элементная (суставчатая) стружка в широком диапазоне скоростей резания.

Таким образом, с позиций теории синергетики [2] образование того или иного типа стружки есть фазовый переход как результат упрочнения деформируемых объемов запасанием в них энергии упругой деформации и диссипацией ее по различным механизмам (динамического возврата, рекристаллизации, хрупкого скола и т. д.). Чем ниже диссипатив-ные свойства вторичных структур (дефекты упаковки, двойники), тем больше относительный сдвиг срезаемого слоя, а механизм диссипации при обработке таких материалов — это рекристаллизация либо хрупкий скол. В частности, в меди разупрочнение при сдвиге элемента стружки после его упрочнения происходит в результате рекристаллизации. В металлах с высокой ЭДУ разупрочнение на верхней границе зоны стружкообразования протекает вследствие динамического возврата, т. е. аннигиляции дислокаций и их перераспределения при поперечном скольжении. Этот процесс будет определяться временем релаксации пластических сдвигов:

г 8

где 8 — относительный сдвиг срезаемого слоя; 8 — скорость деформации.

Как показали расчеты, значение tp наибольшее в металлах с низкой ЭДУ (рис. 1).

№ 5(83)/2014

10-

10

к

к о

к

к -

а л я

м10-

-3

чСт10 Ст45

Ст10 А\ Ст45 КУ8

У8 2 1

20

120

40 60 80 100

Энергия дефекта упаковки

Рис. 1. Зависимость времени релаксации пластических сдвигов tр от энергии дефекта упаковки матери-

алов (V = 120 м/мин; а -1 — свободное резание; 2 и в = 0,21 мм/об

0,2 мм):

- несвободное резание при ф = 30°

Поэтому значение Цн при резании таких металлов больше, чем при резании металлов с высокой ЭДУ (рис. 2). С ростом V происходит запаздывание пластической деформации, что способствует увеличению Цз и уменьшению фазы сжатия в формировании элемента стружки. В результате создаются условия для локализованного сдвига и образования суставчатой (сегментной) стружки.

Сливную стружку с позиций теории самоорганизации следует рассматривать так же,

10

и

к

у

р

т с

я и н а в и

у

и д

а

1 2

Ст10 \ Ст45

Ст10 \

Ст45 КУ8 К. \

У8

20 40 60 80 100 120

Энергия дефекта упаковки

Рис. 2. Зависимость радиуса завивания стружки Цз от энергии дефекта упаковки материалов (V = 120 м/мин; а = 0,2 мм):

1 — свободное резание; 2 — несвободное резание при ф = 30° и в = 0,21 мм/об

1,0 0,9

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

3

2

1

60 120 180

Скорость резания, м/мин

Рис. 3. Зависимость коэффициента скрученности стружки Кс от скорости резания (сталь 45, резец ВК6, Ф = 45°):

1 — а = 0,4 мм; 2 — а = 0,2 мм; 3 — а = 0,1 мм

как пространственно-временную структуру (ПВС). При несвободном резании ПВС — это плоская спираль, простой вихрь, винтовая спираль, скрученный свиток и т. д. Скрученность стружки в свиток можно охарактеризовать коэффициентом Кс = 2п/Н, где Н — шаг витка.

На рис. 3 показана зависимость Кс от скорости резания при обработке углеродистых сталей. Установлено, что чем выше Кс, тем легче дробление стружки. На рис. 4 видно, что чем выше /стр, тем больше Кс. Важно от-

1,0 0,9

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

о н н е

У

у р

к с

т н е и

и ф

ф

ГС

о

М

1

У8

2

45« У8 3

У8

10^ 1,— *10

1234 Частота стружкообразования, кГц

Рис. 4. Зависимость К, = 0,2 мм):

1 — в = 0,4 мм; 2

с от /стр (V = 120 м/мин; а =

в = 0,2 мм; 3 — в = 0,1 мм

8

6

4

2

5

МЕТ АЛЛ 00 ВРАУТКА

метить, что Кс имеет наибольшие значения при низких скоростях резания, когда Из наименьшие.

С позиций теории синергетики [3] для роста Кс необходимо увеличивать число степеней свободы при движении стружки. Это может быть достигнуто увеличением угла наклона режущей кромки X, что создает дополнительный изгибающий момент, при этом изменяется угол схода стружки V и возрастает угловая скорость ю вращения стружки.

Скрученность стружки увеличивается также при росте угла ф в плане главной режущей кромки. Увеличение числа степеней свободы стружки обеспечивается также за счет использования резцов с вращающейся режущей частью.

Выводы

Экспериментально установлена и теоретически обоснована связь радиуса завивания стружки с частотой сдвига элемента стружки

^стр* Такая связь обусловлена тем, что /,

стр

является деформационной характеристикой и коррелирует с коэффициентом скрученности стружки Кс и степенью деформации срезаемого слоя е. В этой связи /стр является диагностирующим признаком при контроле формы и радиуса завивания стружки. На этой основе предложены методы управления формой стружки.

Работа выполнена при поддержке грантов № 2014/68 (код проекта 254) и № 9.251.2014/К (код проекта 251) Минобрнауки.

Литература

1. Кабалдин Ю. Г., Шпилев А. М. Самоорганизующиеся процессы в технологических системах обработки резанием. Диагностика. Управление. Владивосток: Дальнаука, 1998. 296 с.

2. Кабалдин Ю. Г., Шпилев А. М. Синергетический подход к процессам механообработки в автоматизированном производстве // Вестн. машиностроения. 1996. № 8. С. 13-19.

3. Физические основы управления процессом завивания стружки в условиях автоматизированного производства / Ю. Г. Кабалдин, А. А. Бурков, Е. Г. Кравченко // Вестн. машиностроения. 2000. № 4. С. 28-33.

АО «Издательство "Политехника"» предлагает:

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ В ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

под редакцией В. В. Кузнецова

ISBN 978-5-7325-1048-5 Объем 378 с. Цена 520 руб.

Монография посвящена проблемам анализа, синтеза и моделирования сложных систем различной природы. Содержание материала соответствует разделу паспорта научной специальности 05.13.01 «Системный анализ управления и обработка информации». Материалы монографии сгруппированы так, что они удовлетворяют требованиям ученых при выполнении фундаментальных и прикладных исследований.

Монография рассчитана для использования учеными, специалистами-практиками, аспирантами при выполнении исследований и анализе больших, территориально распределенных технических систем, а также сложных проектов.

Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru.

№ 5(83)/2014