Анализ методов интенсификации процессов резания

ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ

УДК 621.9

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ РЕЗАНИЯ

Г.В. Шадский, O.A. Ерзин, C.B. Сальников

Проведён анализ прогрессивных методов интенсификации процесса резания основанных на использовании электрического тока в качестве интенсифицирующего воздействия.

Ключевые слова: интенсификация, разрушение материала, упруготастиче-ское деформирование, электрическое воздействие, энергетические потоки.

Для решения задач интенсификации процессов резания необходимо помимо базового энергетического потока вводить в технологическую систему интенсифицирующие энергетические потоки, присоединяя к технологической системе дополнительные энергетические подсистемы [4].

Обработка резанием, посредством внедряемого в заготовку режущего клина, основывается на использовании концентрированных потоков фотонов, фононов и дислокаций в рабочей среде, представляющей собой деформируемый с определенной скоростью слой материала заготовок между рабочими гранями клина и поверхностью скола.

Скорость процесса при размерной обработке определяется главным образом, скоростью процесса разрыва атомных связей с образованием новых поверхностей определенного качества. Кинетический процесс, протекающий в макроскопической системе, представляет собой набор единичных микроскопических элементарных актов атомно-молекулярных перегруппировок, совокупность которых проявляется в виде макроскопического эффекта.

При разрушении обрабатываемого материала в процессе обработки можно с определенной погрешностью положить, что разрушение происходит при разъединении пары атомов в вершине трещины или при разрушении микросистемы ион-электрон-ион.

284

Для оценки скорости поверхностного разрушения обрабатываемого материала при значительной интенсивности подводимого в локальный объем потока энергии Ивановым Н.И. предложена обобщенная модель поверхностного разрушения [4]. Выделяется элементарная площадка dF на обрабатываемой поверхности, через которую проходит поток интенсивностью J о. Предполагается, что разрушение происходит при скачкообразном перемещении фронта разрушения на величину а - межатомное расстояние. Величина J о обеспечивает плотность энергии в элементарном объеме, превышающую критическую плотность.

На основе первого закона термодинамики,

5Q = dE + 5А,

где 5А - работа системы по разрыву атомных связей; 5Q - подводимая энергия в единицу времени через единичную площадку; dE - изменение внутренней энергии системы, необходимое для поверхностного разрушения п - слоев кристаллической решетки.

Уместно воспользоваться известным процессным подходом к формообразованию, основанным на положении о том, что каждый элементный (парциальный) процесс является подсистемой общей процессной системы

[4].

Все парциальные процессы по отношения к главной цели - размерному поверхностному разрушению разделяются на главные или основные процессы, а также на сопутствующие положительные, отрицательные и нейтральные.

Главным процессом считается процесс разрыва атомных связей по поверхности формообразования обрабатываемой детали.

Процессы, обеспечивающие протекание главного процесса, называются основными процессами. Они образуют определенную цепочку. При устранении из этой цепочки хотя бы одного основного процесса главный процесс прекращается.

По отношению к главному процессу сопутствующие процессы подразделяются на позитивные и негативные. Позитивные парциальные процессы способствуют увеличению скорости главного процесса, негативные обусловливают уменьшение скорости главного процесса.

Каждый парциальный поток энергии обеспечивает накопление энергии в локальном объеме разрушения, градиент которого будет представлять парциальные напряжения. Потоки энергии различной природы поглощаются разрушаемым поверхностным слоем по-разному, создавая различные напряжения. Если энергетические спектры взаимодействующих частиц перекрываются, то поглощение энергии будет значительным, если спектры не совпадают, то частицы-энергоносители проходят через локальный объем разрушения, не приводя к критическому изменению условий деформирования в нем.

При интенсификации процессов разрушения одной из задач является создание локальных зон, отличающихся повышенным поглощением энергии и зон с расщепленными энергетическими уровнями частиц, то есть зон активации.

На основании всего сказанного следует заметить, что выбор интенсифицирующих энергетических потоков должен базироваться на определении лимитирующих стадий разрушения.

При механической обработке лимитирующими парциальными процессами являются пластическое деформирование материала в зоне пред-разрушения и процессы трения по передней и задней поверхностям резца (см. рис. 1) [4].

Рис. 1. Схема парциальных процессов при обработке режущим клином: Ин - инструмент; Р - рабочая среда; Дт - обрабатываемая деталь; Хо - обобщенная сила, действующая со стороны резца на обрабатываемый материал; Х1 - парциальная сила, обуславливающая упругую деформацию срезаемого слоя; Х2 - сила, вызывающая пластическую деформацию; Х 3 - сила, создаваемая

!

термическими напряжениями, направленными к зоне разрушения

и в сторону резца (Х3), Х4 (Х 4) и Х 5 (Х 5) - парциальные силы,

обусловленные трением соответственно по передней грани и задней грани режущего клина

Как уже отмечалось выше, в качестве средства повышения эффективности процесса резания целесообразно использовать присоединение к технологической системе дополнительных энергетических подсистем. Они вводят в зону резания дополнительные потоки энергии, снижающие энергетические барьеры для главного процесса - размерного разрушения обрабатываемого материала. Одним из таких средств является пропускание электрического тока через зону резания.

Введение электрического тока в зону резания является эффективным средством улучшения обрабатываемости высокопрочных и твердых сталей. При традиционной обработке этих материалов на контактных поверхностях наблюдаются условия, близкие к сухому трению; при этом взаимодействие трущихся пар происходит по химически чистым поверхностям. В этом случае физическое состояние контактной пары инструмент - заготовка можно искусственно изменить путем ввода в зону резания электрического тока низкого напряжения. Электрический ток, распределяясь в зоне контакта инструмента и заготовки пропорционально контактным электрическим проводимостям, выделяет согласно закону Ома дополнительное количество тепла. Вследствие образования тонкой пластичной пленки создается полусухое трение, снижается коэффициент трения, повышается площадь истинного контакта трущейся пары.

Пропускание электрического тока приводит к интенсификации процессов образования окисных пленок на поверхностях трения, кроме того, как разрыв электрической цепи, так и введение электрического тока оптимального направления и величины снижает интенсивность отрицательного воздействия тока, обусловленного процессом резания [7]. Кроме этого, ввиду высокого быстродействия ввода дополнительной энергии в зону резания посредством пропускания электрического тока следует ожидать появления возможности избирательного воздействия на скопления стоячих дислокаций, снижающего уровни энергетических барьеров на пути движения подвижных дислокаций. Это может явиться причиной существенного снижения сил резания и износа инструмента.

Над решением задачи повышения эффективности резания труднообрабатываемых материалов работали многие отечественные и зарубежные исследователи: А.И. Подураев, А.В. Окороков, А. А. Углов, Н.И. Резников, А.Н. Резников, А.И. Марков, М.А. Шатерин, А.А. Волков, Н.Н. Ры-калин, Н.М. Рыкалин, Шефферд, Беккер, Шульц и др. [1-3, 5-10]. Исследовались различные вопросы формирования качества поверхности деталей из труднообрабатываемых материалов, режимы обработки, тепловые процессы, силовые зависимости, различные методы обработки. На основе анализа указанных литературных источников можно представить методы интенсификации процесса резания дополнительными потоками энергии следующим образом (рис.2).

Характерно, что при обычных методах обработки подводимая энергия и способ ее подвода определяется однозначно. Напротив, при комбинированных методах обработки возможны различные варианты как по подводу применения нескольких видов энергии, так по способам их подвода.

Собственно в процессе обработки труднообрабатываемых материалов можно выделить три основные составляющие: энергосиловая, тепло-физическая и динамическая.

Энергосиловая составляющая процесса обработки - это силы резания, силы трения, углы наклона плоскости сдвига и т.п.

Теплофизическая составляющая - температурные поля в инструменте, заготовке, стружке, величины температур в точках контакта, распределение теплоты, длительность действия температур и т.п.

Рис. 2. Классификация методов интенсификации процесса резания дополнительными потоками энергии

Динамическая составляющая - демпфирующая способность обрабатываемого материала, устройства и методы гашения колебаний технологической системы, динамические характеристики режущего инструмента и всей технологической системы.

Ведение процесса обработки с превалированием той или иной составляющей меняет его физическую сущность и позволяет получить требуемые результаты при изготовлении деталей из материалов с различными физикомеханическими свойствами.

Так превалирование первой составляющей характеризуется влиянием сил резания на тепловой режим обработки. Естественно, что с ростом сил резания количество тепла, выделяемого в зоне резания также растет, причем пропорционально эквиваленту механической энергии процесса резания. Это, согласно [8], снижает уровень вибраций, т.к. повышение температуры в зоне резания способствует повышению демпфирующих свойств обрабатываемого материала.

Если на первый план выходит теплофизическая составляющая, то растет мощность тепловыделения, прочностные характеристики обрабатываемого материала снижаются силы резания уменьшаются, уменьшается уровень вибраций, повышается качество поверхности. Ведение процесса с преобладанием динамической составляющей может вызывать циклическое нагружение, прерывистое резание, вибрации. Данные факторы ведут к падению производительности, ухудшению качества обработки (износ режущего инструмента, выкрашивание режущих кромок и т.п.).

На основании проведенного анализа установлено, что одним из прогрессивных методов интенсификации процесса резания труднообрабатываемых материалов является использование дополнительных потоков энергии, среди них целесообразно выделить введение в зону резания электрической энергии электроконтактным способом, обеспечивающим высокую локализацию воздействия, снижая, таким образом, энергетические барьеры при направленном разрушении материала. Несмотря на большое количество исследований с пропусканием электрического тока через зону резания, не решены вопросы определения оптимальных значений дополнительной энергии, условий ее ввода и дозирования, а также согласования в пространстве и времени с основным потоком энергии.

Работа выполнена в рамках проекта РФФИ 15-48-03270 р_центр_а «Развитие теории интенсификации механизмов направленного разрушения материала электрическим воздействием на зону упругопластического деформирования» .

Список литературы

1. Аваков А.А., Саргсян Л.М. Новый метод управления сходящей стружкой путем ввода в зону резания электрических токов от 30 до 640 // Исследование процесса резания и режущего инструмента: сб. тр. Томск, 1984. С.45-48.

2. Журин А.В. Методы расчета технологических параметров и электродов-инструментов при электроэрозионной обработке: автореф. дис.канд.техн. наук: 05.03.01. Тула. 2005. 20 с.

3. Зарубицкий Е.У., Киселёв В.И., Покинтелица Н.И., Шарайах М.С. Нагрев зоны резания проката трением и электрическим током. М.: Машиностроитель, № 9, 1993. С.5-6.

4. Зориктуев В.Ц., Исаев Ш.Г. Температура на контактных поверхностях инструмента и средняя термо-ЭДС контакта инструмент-деталь. // Известия вузов, № 10. 1985. С. 146 - 148.

5. Кузнецов В. Д. Физика твердого тела. Т.3. Томск: Красное знамя, 1944.792 с.

6. Кумабэ Д. Вибрационное резание. М.:Машиностроение, 1985.

424 с.

7. Подураев В.Н. Резание труднообрабатываемых материалов. М.: Высшая школа, 1974. 590 с.

8. Подураев В.Н. Технология физико-химических методов обработки. М.:Машиностроение, 1985. 264 с.

9. Резников Н.И., Бурмистров В.В., Жарков И.Г. и др. Обработка резанием жаропрочных, высокопрочных и титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1972. 200 с.

10. Пат. 2410206 Российская Федерация, МПК7 В23В. Способ обработки металлов с подачей электрического тока в зону резания [Текст] / Сальников В.С., Шадский Г.В., Шадский В.Г., Пузанов А.Е., Сегал З.М.; заявитель и патентообладатель Тульский государственный университет (RU). заявл. 30.03.09; опубл. 27.01.2011. Бюл. № 3. 5 с.

Шадский Геннадий Викторович, д-р техн. наук, проф., stanki@uic.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ерзин Олег Александрович, канд. техн. наук, erzin 79@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Сальников Сергей Владимирович, асп., sergeysalnikov@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

ANALYSIS OF METHODS OF THE INTENSIFICA TION OF PROCESSES OF CUTTING

G. V. Shadsky, O.A. Erzin, S. V. Salnikov

The analysis of the progressive methods of an intensification of process of cutting based on use of electric current as the intensifying influence is carried out.

Key words: intensification, material destruction, elasto-plastic deformation, electric influence, power streams.

Shadsky Gennady Victorovich, doctor of technical science, professor, stan-ki@uic. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Erzin Oleg Aleksandrovich, candidate of technical science, docent, erzin 79@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Salnikov Sergey Vladimirovich, postgraduate, sergeysalnikov@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University