Математическое моделирование смазочного действия внешней среды при обработке металлов резанием

В современном машиностроении значительную часть всех техно]готических операций составляет обработка материалов резанием. Несмотря на появление новых технологий, таких как лазерная и ультразвуковая обработка, химическое шлифование, порошковая металлургия и т. д., традиционная обработка материалов режущим инструментом не потеряла своего значения. По прогнозам, полное исключение резания из набора основных технологических операций в ближайшем будущем не предвидится. Поэтому не уменьшается интерес к экспериментальным и теоретическим работам в этой области.

Необходимо отметить, что еще далеко не исчерпаны возможности совершенствования процессов обработки резанием. Например, в последнее время большое развитие получили такие направления, как разработка новых инструментальных материалов и новых конструкций режущих инструментов, оптимизация режимов обработки и т. д. Не последнее место в поиске путей повышения эффективности резания занимает рациональное использование смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС). Разработка новых СОТС, правильный выбор трибоактивных присадок имеют большое значение для совершенствования процессов металлообработки.

Ситуация с применением СОТС в различных технологических процессах быстро меняется. Если до недавнего времени СОТС были одним из наиболее дешевых компонент производства, то современные СОТС представляют собой сложные многокомпонентные смеси различных веществ. Многие необходимые свойства современных смазок достигаются введением особых химических соединений (присадок). которые выполняют противокоррозионные, противоиз-носные и другие функции.

I [роцесс создания новых составов СОТС носит, как правило, эмпирический характер. При этом остаются не выясненными до конца различные физические и химические аспекты действия смазочной среды при резании. Ясно, что без использования знаний и методов, накопленных в смежных науках, таких как физика твердого тела, трибология, физическая и коллоидная химия, дальнейшее развитие науки о резании невозможно. В научной практике все большее распространение получает идеология моделирования. При этом, если методы физического моделирования успешно применяются в исследовании процесса резания (труды проф. С. С. Силина и его научной школы), то математическое моделирование используется еще достаточно редко. Отчасти это обусловлено большой сложностью исследуемого объекта. Следует отметить все более интенсивное применение различных методов численного моделирования (метод конечных элементов). Наиболее полное исследование действия технологической среды при резании должно включать в себя различные макрои микроскопические особенности процесса и использовать методы многих смежных наук. Однако такое всестороннее исследование является, по всей видимости, делом далекого будущего.

По нашему мнению, наиболее важными и информативными аспектами действия смазочной среды при обработке материалов резанием являются:

1. влияние СОТС на механические параметры процесса (компоненты силы резания, распределение контактных напряжений вдоль передней поверхности инструмента, работа резания);

2. влияние СОТС на параметры контактной зоны стружка — инструмент (размеры зоны вторичной деформации, длина площадки контакта между стружкой и инструментом) и характер контакта (соотношение областей пластического и упругого контактов);

3. влияние СОТС на характер структуры стружки (текстура).

Некоторые из перечисленных параметров (сила, работа резания) напрямую связаны с уменьшением энергозатрат и износа инструмента при резании (что, по существу, является важнейшей причиной применения СОТС). Другие могут помочь при оценке смазочного действия внешней среды (текстура).

Изучению смазочного действия СОТС посвящено достаточно большое количество экспериментальных исследований. При этом, практически отсутствуют теоретические работы, в которых механика процесса резания рассматривается с учетом действия технологической среды. В определенной степени это можно объяснить тем, что основные работы по механике резания были сделаны в 1940;50 гг., когда не было настоятельной необходимости в исследовании смазочного действия, и не сложился окончательно круг дисциплин, необходимых для такого исследования.

Таким образом, возникает необходимость в аналитическом рассмотрении смазочного действия СОТС, которое позволит объяснить накопленный экспериментальный материал, и, возможно, выведет на новые эффекты, которые потребуют своего экспериментального подтверждения. Это исследование будет носить характер математического моделирования и рассматривать процессы, локализованные на передней поверхности инструмента и в прирезцовой области стружки (поскольку именно здесь по преимуществу локализованы процессы внутреннего и внешнего трения, сопровождающие движение режущего клина в обрабатываемом материале). В качестве теоретического инструмента исследования будут применяться методы механики сплошных сред. Кроме того, в нашей работе решено ограничиться изучением процессов лезвийной обработки пластических (т. е. образующих непрерывную, «сливную» стружку) материалов, что /тиктуется применяемыми методами исследования.

Ниже приводим основные сведения о представленной диссертационной работе.

Цель работы.

Целью работы является построение математической модели смазочного действия СОТС в контактной зоне «стружка-инструмент» при лезвийном резании пластичных материалов.

Методы исследования.

Методологической основой теоретической части исследования является математическое моделирование. В качестве теоретической базы применяются современные положения т еории резания и теории смазочного действия СОТС при резании, методы механики сплошных сред (теория упругости и пластичности), основы планирования и обработки результатов эксперимента. В экспериментальной части работы использовались методы изучения текстуры стружки и оценка смазочного действия СОТС путем измерения работы резания при обработке осевым инструментом.

Автор защищает:

1. Математическую модель, описывающую строение и параметры зоны контакта между стружкой и передней поверхностью инструмента при лезвийном резании пластичных металлов.

2. Вытекающее из данной модели математическое описание процесса образования адсорбционного смазочного слоя в контактной зоне на границе раздела «стружка-инструмент».

3. Методику оценки эффективности смазочного действия СОТС, основанную на разработанных автором математических моделях.

Научная новизна работы.

1. На основе представления о вязкопластическом теле (тело Бингама) построена математическая модель зоны контакта между стружкой и передней поверхностью инструмента.

2. Использование предложенная модели для описания влияние СОТС на параметры зоны вторичного сдвига: распределение нормальных и касательных напряжений, размеры зоны вторичной деформации, формы текстурных линий стружки и эффективность смазочного действия внешней среды.

3. На базе предложенной модели (см. п. 1) с учетом теории адсорбции И. Ленгмюра построено математическое описание процесса формирования граничного смазочного слоя, объясняющее зависимость работы резания от концентрации поверхностно-активного вещества (ПАВ) в составе смазочной среды.

Практическая значимость результатов.

Результаты математического моделирования могут быть использованы для разработки методик оценки трибологических характеристик вновь разрабатываемых составов СОТС.

Реализация результатов работы.

На основе разработанной теории предложена новая методика оценка смазочных свойств СОТС путем получения зависимостей силы резания от концентрации присадки и математической обработки результатов согласно предложенной математической модели.

Апробация работы.

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на следующих научных конференциях: Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (IX Бенардосовские чтения) (Иваново, 1999) — Международная НК «Ивановский государственный университет — центр науки и образования» (Иваново, 1999) — Всероссийская научно-техническая конференция «Повышение эффективности механообработки на основе аналитического и экспериментального моделирования процессов» (Рыбинск. 1999): объединенном заседании кафедры теоретической физики, маематического и компьютерного моделирования и кафедры технической: и Ивановского государственною университета.

I Кбликации.

Но материалам диссертации опубликовано 4 печатных работы.

Глава.

Аналитический обзор А.

Механика резания 1 ия вопроса сложная природа процессов, происходящих при резании металлов, заставляла авторов пеовых исследований в этой области прибегать к наиболее пооi ' ' J. i стым геометрическим моделям. Одни из первых работ в области механики резания связаны с именем русского ученого И. А. Тиме и его школы. По существу работа И. А. Тиме «Сопротивление металлов и дерева резанию» (1870 г.) [105] является первой попыткой теоретического анализа процесса резания. В ней НА. Тиме рассмотрел процесс деформации металла при стружкообразовании. Он считал, что обрабатываемый материал отделяется от стружки плоскостью, проходящей через вершину резца, которая называется плоскостью сдвига. Процесс резания (рис. 1.1а) заключается в сжатии материала, находящегося впереди резца и скалывании его гю плоскости сдвига АВ. Характерно, что сдвиг происходит не в результате пластической деформации, а вследствие хрупкого разрушения.

В 1877 г. X. Треска [54] установил, что длина стружки составляет от ½ до 1/3 длины среза. Он предположил, что в процессе резания происходит пластическое сжатие материала. При этом, им была предложена модель, включающая в себя три стадии (рис. 1.16):

1. Сжатие материала, находящегося в пределах зоны резания Л" ;

2. Образование элемента стружки, которое эквивалентно течению материала, приведенного в пластическое состояние, через площадку с1л, где d — ширина среза;

3. Срез материала по площадке dX. б.

Рис. 1.1. Две модели резания: а — модель И. А. Тимеб — модель X. Треска- 1 — заготовка- 2 — стружка- 3 — плоскость сдвига- 4 — резец.

Модель стружкообразования, предложенная И. А. Тиме, оказалась наиболее жизнеспособной, поскольку подтверждается большим количеством экспериментов.

В середине 80-х годов А. В. Афанасьевым была предпринята попытка определить угол сдвига аналитически [105]. Кроме того, он первый дал принципиальную схему сил, действующих на режущий инструмент и стружку с учетом силы трения (что не учитывалось в работе Тиме). В это же время другой русский ученый — А. В. Га до. чин предложил формулу для определения теоретическим путем силы резания также с учетом трения на передней поверхности инструмента [105]. Следующий крупный шаг в развитии науки о резании металлов связан с исследованиями К. А. Зворыкина, который в 1893 г. в монографии «Работа и усилие, необходимые для отделения металлических стружек» [105] представил полный анализ сил и напряжений, действующих в зоне резания, и развил модель процесса резания с одной плоскостью сдвига. Кроме того, им была получена формула для угла сдвига, которая используется до сих пор:

2Ф +? -у = С, (1.1) ждается тем, что подобные результаты на Западе были получены Мерчантом лишь 50 лет спустя ,.

В 1896 г. с критикой этой модели выступил А. А. Брике [105, 39]. Действительно. в соответствии с моделью К. А. Зворыкина, частица металла, проходящая через плоскость сдвига, должна испытывать бесконечно большое ускорение, поскольку скачком меняется скорость движения материала. Брике предложил свою модель деформации, в соответствии с которой сдвиг происходи! по семейству плоскостей, расходящихся в виде веера от режущей кромки инструмента. При этом такие величины, как напряжение сдвига, степень пластических деформаций и скорость движения частиц обрабатываемого материала меняется непрерывно. Кроме того, Брике систематизировал основные понятая теории резания, такие как режущее лезвие, передняя грань, задняя грань и т. д., которые используются и сейчас.

В 1915 г. Я. Г. Усачевым в работе «Явления, происходящие при резании металлов» [105] были изложены результаты многочисленных экспериментов по изучению процесса стружкообразования, тепловых явлений при резании и по образованию нароста на инструменте. Усачев впервые применил металлографический метод, а для изучения тепловых явлений использовал термопару.

Одним из выдающихся ученых, разрабатывающих вопросы обработки металлов резанием в послеоктябрьский период был А. Н. Челюсткин. В 1925 г. им была опубликована работа «Влияние размеров стружки на усилие резания металлов» [105]. На основании большого числа экспериментов Челюсткин дал развернутую формулу зависимости усилия резания от угла резания, угла резца в плане, глубины резания, подачи и охлаждения.