http://yurii.vlink.ru/science/pict2/st1.htm
ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ УСТОЙЧИВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ
А.А. Козлов, докт. техн. наук., З.Ю. Робакидзе, Н.Г. Дементьева, Ю.В. Вологин, М.В. Юрасов, М.В. Агарков, Волгоград, Россия
Сейчас можно утверждать, что скоростное резание практически достигло предела своих возможностей и здесь начинаются проявляться некоторые тенденции застоя. Последнее связано с тем, что увеличение скоростей резания приводит к неустойчивости процесса обработки, которая резко понижает точность и качество обработанной поверхности, стойкость инструмента.
Причем существует два принципиально различных механизма потери устойчивости: в одном случае механизм потери устойчивости определяется жесткостью системы CПИД, во втором принципиально не зависит от жесткости CПИД.
Именно второе обстоятельство сдерживает прогресс в развитии скоростных методов механической обработки. Кроме этого оказалось, что процессы неустойчивости, независящие от жесткости системы CПИД в отличие от первого случая практически не изучены.
В [1] доказано, что неустойчивость обработки не связанная, с жесткостью системы CПИД, определяется прежде всего неустойчивостью упругопластических деформаций в зоне стружкообразования и контактной зоне.
В связи с этим целесообразно детально рассмотреть механизмы неустойчивости деформации при резании металлов и переосмыслив имеющиеся факты, предложить кардинальные технологические решения по совершенствованию технологии резания.
Экспериментальные исследования показывают, что основным результатом возникновения неустойчивости при резания металлов является процесс "сегментного" стружкообразования.
Причем источником возникновения неустойчивости следует считать неустойчивость пластической деформации в зоне стружкообразования [2].
В этом случае в результате диссипации механической энергии существенно возрастает температура и могут быть созданы условия для развития неустойчивости пластической деформации, последующее приращение деформационно-скоростного упрочнения аннулируется деформационным разупрочнением.
Процесс деформации имеет адиабатический характер, что приводит к локализации деформации. Такой механизм неустойчивости пластической деформации принято называть неизотермическим [3].
Таким образом, можно увеличивая скорость резания, найти такую, выше которой начнут проявляться эффекты неизотермической неустойчивости. Очевидно, ниже этой критической скорости резания пластическая деформация в зоне стружкообразования будет однородна и следовательно устойчива.
Если встать на эту точку зрения, становится понятна кинематика образования "сегментной" стружки - ясно, что процесс развития неизотермической неустойчивости требует некоторого времени t* , которое является временем индукции процесса. Именно за время 0< t < t* создаются условия для выполнения критерия неустойчивости dG в соотношении Надаи
и процесс деформации в течение этого времени будет квазистационарным, то есть таким, который реализуется при "сливном" стружкообразовании. Поэтому начало формирования "сегментного" стружкообразования практически ничем не отличается от "сливного". Дальнейшее формирование сегментного стружкообразования принципиально отлично от "сливного", так как при временах t*< t < tg (tg=h/V - время деформации в зоне стружкообразования) уже созданы условия для развития эффектов неизотермической неустойчивости, когда в соотношении Надаи dG< 0 , что в свою очередь принципиально делает невозможным существование стационарных процессов пластического деформирования в зоне стружкообразования.
Очевидно, при t*>tg , развитие неизотермической неустойчивости в зоне стружкообразования невозможно. Поэтому процесс стружкообразования будет "сливным".
Такой подход позволяет определить критические технологические режимы при которых происходит смена механизма стружкообразования от "сливного" к "сегментному", время индукции неизотермической неустойчивости t* в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала и технологических режимов, а также частоту этого процесса f=1/t* [3,4].
В [5] доказано, что частота f изменяется обратно пропорционально подачи S. В связи с этим одной из актуальных проблем при резании металлов становится создание технологических методов, которые позволили бы увеличить критическую скорость образования сегментных стружек, обеспечивая сливное стружкообразование при больших скоростях резания.
Если на инструмент наложить периодические тангенциальные колебания с амплитудой a и частотой f1 , то процесс резания приобретет импульсный характер. Последнее, означает, что инструмент находится в контакте с обрабатываемым материалов не непрерывно, а периодически.
За время tk контакта инструмента с обрабатываемым материалом будут происходить процесс резания, а в течение времени t, равного tk< t < T=2п/f1 , резание не происходит, так как отсутствует контакт инструмента с обрабатываемым материалом.
Реализация таких процессов составляет содержание целого направления в теории резания. Эти процессы с целью интенсификации резания металлов были впервые предложены в работах [6,7], причем удалось найти связь между скоростью V и амплитудой a и частотой колебаний f, при которых процесс резания имеет импульсный характер, а именно:V< 2пaf1.
В этом диапазоне скоростей процесс вибрационного резания происходит с меньшими усилиями и температурой резания, что приводит к существенному увеличению точности и качества обрабаты-ваемой поверхности.
Если f1 будет больше частоты неизотермической неустойчивости f* ,то возможно не допустить развитие нежелательного локализованного сдвига в зоне стружкообразования, который приведет к неустойчивому процессу резания. Таким образом, можно вполне осознанно (используя конкретные расчеты) добиться создания таких условий, при которых время контакта tk (или иначе - время резания) будет меньше времени t* развития локализованного адиабатического сдвига [3]. Данный процесс может быть "наиболее эффективен при обработке жаропрочных и титановых сплавов, так как скорость сегментного стружкообразования для этих материалов незначительна и может находиться в диапазоне скоростей, определяемых указанным соотношением, которое - подчеркнем еще раз - определяет условия реализации импульсных процессов резания. Можно предположить, что стойкость инструмента в этом случае должна увеличиться.
Для проверки этого предположения проводились стойкостные эксперименты при резании титанового сплава ВТ22 (диам. 85-95 мм, l=400 мм) и жаропрочного сплава на никелиевой основе ЭП517 (диам. 40-50 мм, l=350 мм) резцами, оснащенными пластинками твердого сплава ВК60М, ВК10ХОМ [3].
Анализ полученных результатов показывает, что применение вибрационного резания для повышения стойкости инструмента не всегда дает положительный эффект. Повышение стойкости режущего инструмента при вибрационном резании указанных сплавов наблюдается при амплитудах колебаний 1-2 мкм и скорости резания V< 14-15 м/мин. С повышением амплитуды колебания до 5 мкм стойкость режущего инструмента уменьшается по сравнению со стойкостью инструмента без применения вибрационного резания.
Повышение скорости резания до значений V>14-15 м/мин приводит к уменьшению стойкости режущего инструмента с применением вибрационного резания. Таким образом,применение вибрационного резания дает эффект при точении титанового сплава ВТ22 и жаропрочного сплава ЭП517 при амплитудах 1-2 мкм и при скоростях V< 14-15 м/мин. Стойкость режущего инструмента при таких режимах повышается на 60-100%. Увеличение амплитуды приводит к уменьшению стойкости режущего инструмента. Аналогичная картина наблюдается и при увеличении скорости резания.
Таким образом в наших экспериментах для тех случаев, где мы получили увеличение стойкости инструмента при вибрационном резании было выполнено условие V< 2пaf1, а также f1>f* , что как раз и является, как было доказано выше, условием запрещения развития неизотермической неустойчивости в зоне стружкообразования. Поэтому если эти условия выполнены, то процесс стружкообразования при вибрационном резании должен быть "сливным", тогда как при обычном резании со скоростями V=15 м/мин образуется сегментная стружка, поскольку критическая скорость резания для эти материалов в обычных условиях V=6 м/мин.
Полученные результаты полностью соответствуют общепринятым в теории резания представлениям о влиянии контактных процессов на особенности развития процессов стружкообразования. На самом деле, в случае наложения тангенциальных ультразвуковых колебаний в диапазоне скоростей в контактной зоне уменьшаются силы трения, что способствует увеличению угла сдвига, а следовательно и степени относительного сдвига который не будет достигать критических деформаций , необходимых для развития локализованного сдвига.
Список литературы:
1. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967, 357с.
2. Талантов Н.В. Физические основы резания, изнашивания и разрушения инструмента. М.: Машиностроение, 1992, 240 с.
3. Козлов А.А. Интенсификация процессов резания на основе анализа эффектов неизотермической неустойчивости упругопластических деформаций в зоне стружкообразования и контактных явлений. // Дис. Д-ра тех.наук: МГТУ "Станкин", 1977.
4. Волчков В.М., Козлов А.А., Кузин П.В. Численные методы в задачах неизотермической неустойчивости высокоскоростных упругопластических течений. // Вестник машиностроения. 1999, № 12, с.36-43.
5. Козлов А.А., Курченко А.И., Робакидзе З.Ю. Экспериментальные исследования процессов стружкообразования. // Вестник машиностроения, № 3, 2001.
6. Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов. М.: Машиностроение, 1968, с.367.
7. Кумабэ Д. Вибрационное резание. М.: Машиностроение, (пер. с японского яз.), 1985.
http://yurii.vlink.ru/science/pict2/st1.htm