Управление процессом стружкодробления методом предварительного локального пластического воздействия на обрабатываемую поверхность заготовки

ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ

МАШИНЫ

621.91.011

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ СТРУЖКОДРОБЛЕНИЯ МЕТОДОМ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ЛОКАЛЬНОГО ПЛАСТИЧЕКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОБРАБАТЫВАЕМУЮ

ПОВЕРХНОСТЬ ЗАГОТОВКИ

Д-р технмаук,проф, В.В. МАКСАРОВ, Д-р наук, проф. Ю, ОЛЬТ

Предлагается один из наиболее эффективных методов, позволяющих надежно управлять процессом дробления славной стружки, является создание предварительного локального пластического воздействия (ЛПВ) на внешней поверхности срезаемого слоя, производимое по определенным законам.

В настоящее время в машиностроении при обработке изделий из коррозийно-стойких жаропрочных сталей и сплавов сталкиваются с существенными затруднениями в связи с образованием сливной стружки, что приводит к неэффективной эксплуатации высокопроизводительного автоматизированного технологического оборудования. Одним из наиболее эффективных методов, позволяющих надежно управлять процессом дробления сливной стружки, является метод предварительного локального воздействия пластическим деформированием. Реализация этого метода заключается в том, что поверхностные слои металла, контактируя с инструментом высокой твердости в результате давления, оказываются в состоянии всестороннего сжатия и подвергаются пластической деформации. Вследствие этого, под инструментом образуется давление только в зоне контакта, что создает в зоне предварительного локального воздействия на поверхности заготовки внутренние структурные изменения.

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Производимое но определенным законам предварительное локальное физическое воздействие на внешнюю поверхность срезаемого слоя, позволяет изменять условия деформации металла при резании [1, 2]. Периодические изменения условий резания, по сравнению с исходным материалом, являются особенностью процесса

№12

2008

точения заготовок, подвергнутых такому воздействию. Физическое воздействие на поверхность материала в локальной зоне приводит к изменению в ней структуры и механических свойств обрабатываемого металла.

В процессе обработки зона локального воздействия, находясь в метастабиль-ном состоянии по сравнению с основным металлом, приводит к мгновенному изменению напряженно-деформированного состояния в зоне стружкообразования [2].

На реологические параметры процесса стружкообразования оказывает влияние локальная метастабильность, которая создается в области предполагаемого припуска срезаемого слоя материала на внешней поверхности заготовки по специально заданной траектории точкой С (см. рис. 1, а) которая на этапе подготовки формируется частотой вращения заготовки пт и подачей Бт устройства для создания ЛПВ

Физическое воздействие на поверхность материала в локальной зоне приводит к изменению плотности дефектов кристаллической решетки, образующих высокоэнергетические конфигурации, что приводит к возникновению повышенной мета-стабильности структуры с этой локальной области.

Рис. 1. Схема создания локальной метастабильности в обрабатываемом материале

В последующем при лезвийной механической обработке с частотой вращения заготовки пр и подачей режущая кромка инструмента в плоскости резания пере-

секается в точке С с зоной локального физического воздействия (см. рис. 1, б). Зона локального воздействия (ЬтхЬт) с искаженной кристаллической решеткой, имеющая иные механические свойства по сравнению с основным материалом, приводит к мгновенному изменению напряженно-деформированного состояния в зоне стружко-

Рис. 2. Схема взаимного расположения зоны локального пластического воздействия и области поперечного срезаемого слоя стружки

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В зоне предварительного локального воздействия на поверхности заготовки происходят внутренние структурные изменения. Известно [3], что пластическая поверхностная деформация в локальной зоне не термообработанного металла уже при температуре +20°С приводит к изменению структуры и свойств материала. Деформирование сопровождается зарождением, скольжением и накоплением дислокаций в деформируемом металле.

С ростом плотности дислокаций и несовершенств кристаллического строения затрудняется свободное перемещение дислокаций. Дополнительные барьеры для дислокаций создаются за счет деформации зерен и дробления блоков. Увеличение количества точечных и линейных дефектов строения и объемов с некогерентной связью кристаллов повышает прочность и твердость материала и снижает его пластичность (т.е. способность к дальнейшему деформированию). Вследствие этого, в локальной зоне обработки

пластическим деформированием на внешней поверхности заготовки образуется наклеп по заданной траектории.

При сжатии в зоне локальной обработки в области пятна контакта в пределах каждого зерна образуется множество пересекающихся полос сдвига в нескольких параллельных плоскостях скольжения. При этом происходит разворот беспорядочно ориентированных зерен осями наибольшей прочности вдоль направления деформации -зерна деформируются и сплющиваются, вытягиваясь в направлении деформации. Металл под воздействием инструмента в локальной зоне образует деформационную текстуру волокнистого характера с преимущественной ориентировкой кристаллов.

Удельный объем наклепанного металла из-за повышенного количества дефектов атомно-кристаллического строения больше, чем отожженного не наклепанного, поэтому помимо повышения твердости и предела текучести металла в поверхностном слое металла в зоне локального пластического воздействия создаются остаточные напряжения.

Рост числа дефектов кристаллического строения и возникновение внутренних напряжений в результате наклепа приводит к тому, что свободная энергия металла возрастет, а это в свою очередь образует неравновесное и неустойчивое состояние. Рациональное изменение физико-механических свойств материала срезаемого слоя в зоне локального пластического воздействия (зона ЛПВ) обеспечивает улучшение условий стружкообразования при последующей механической обработке, которая осуществляется с частотой вращения пр и подачей Sp. При механической обработке пластичных материалов основная доля работы резания расходуется на пластическое деформирование снимаемого металла. В зоне ЛПВ часть работы, затрачиваемой на пластическое деформирование, уже выполнено при предварительном воздействии контактным инструментом.

Следовательно, в процессе резания в зоне ЛПВ режущим инструментов будет совершаться только часть работы резания, затрачиваемой на пластическое деформирование основного срезаемого слоя металла. Это приведет в процессе резания в зоне ЛПВ к локальному изменению объема пластического деформирования материала, угла сдвига, усадки стружки, силы и температуры резания. Указанный метод можно использовать для всех сталей, способных пластически деформироваться, однако наилучшие результаты получаются на сталях с твердостью до НВ 280.

Описанная выше картина наклепа при холодной пластической деформации наблюдается в отожженных углеродистых и легированных конструкционных сталях со

структурой феррита, феррито-перлита и тонкодисперсного сорбита. В высоколегированных коррозионностойких (нержавеющих), жаропрочных, немагнитных и других сталях и сплавах наблюдается более сложная картина.

В специальных легированных сталях благодаря влиянию легирующих элементов на расширение у-области (которая в железоуглеродистых сталях как стабильная структурная составляющая существует лишь при температуре выше Асз) [3], увеличению устойчивости переохлажденного аустенита и понижению мартенситной точки, ау-стенит может быть одной из главных структурных составляющих сталей в состоянии их эксплуатации.

Легированный аустенит подразделяют на стабильный и нестабильный. Нестабильный аустенит способен к фазовому превращению — образованию мартенсита в результате приложения внешней нагрузки (деформации) [4].

Таким образом, локальная поверхностная деформация стали со структурой нестабильного аустенита кроме наклепа вызывает мартенситное превращение, что в еще большей степени усиливает различие в структуре и свойствах основного металла обрабатываемой заготовки и зоны ЛПВ. Стабильный аустенит не претерпевает фазового превращения под влиянием деформации, что приводит к изменению лишь его структуры.

В сталях со структурой стабильного аустенита, так же, как и в сталях ферритного и ферритно-перлитного классов, пластическое воздействие приводит к увеличению плотности дефектов кристаллической решетки, образующих высокоэнергетические конфигурации.

ВЫВОДЫ

1. Разработан метод стружкодробления, основанный на локальном пластическом воздействии на поверхность материала, которое приводит к изменению плотности дефектов кристаллической решетки в локальной зоне, образующих высокоэнергетические конфигурации, что приводит к возникновению повышенной метастабильности структуры в этой локальной области. Все это позволяет обеспечить при последующей обработке периодическое изменение условий резания по сравнению с исходным материалом.

2. Установлено, что в зоне локального пластического воздействия происходит изменение структуры и механических свойств обрабатываемого металла и в процессе обработки зона ЛПВ, находясь в метастабильном состоянии по сравнению с основным

металлом, приводит к мгновенному изменению напряженно-деформированного состояния в зоне стружкообразования, обеспечивающий процесс сегментации стружки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бейц В. А, , Максаров В. В. Динамика и управление процессом стружкообразования при лезвийной механической обработке. - СПб.; СЗПИ, 2000. -160 с.

2. Вейц ВЛ, Максаров В.В., Лонцих ПА Динамика и моделирование процессов резания при механической обработке. - Иркутск: РИО ИГИУВа, 2000. - 180 с.

3. Панин В.Е. Структурные уровни пластической деформации и разрушения. - Новосибирск: Наука, 1990.-251 с.

4. Гуляев АП. Термическая обработка стали, ~ М.: Машгиз, 1960. - 648 с.