автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Исследование процесса стружкообразования на основе синергетического подхода к процессу резания

РГВ од

11 Ш »397

На правах рукописи

Щелкунов Евгений Борисович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СТРУЖКООБРАЗОВАШШ НА ОСНОВЕ СИНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА К ПРОЦЕССУ РЕЗАНИЯ

Специальность 05.Г/3.01 - Процессы механической и физико-

технической обработки, станки и иструмент

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата техзшчес-их наук

,4 / Су

Комсо\н>:!1.ск-!т-Лм^ре - 11>97

Работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения" it

Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Научный руководитель заслуженный деятель пауки и техники РФ,

академик РИА, доктор технических наук, профессор Кабаддин Ю.Г.

Научный консультант кандидат технических наук, Шпилев A.M. Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Ведущее предприятие АО Амурский Судостроительный Завод

диссертационного совета К 064.70.01 в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, ул.Ленина, 27, корп. 1, ауд.

с

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Автореферат разослан "22" 04 1997 г.

Ученый секретарь днссер-

Черныл ЮФ.

кандидат технических наук Дунаевский Ю.В.

Защита состоится "2J" OS 1997 г. в

на заседании

технических наук, доцент

тационного совета, кандидат

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение эффективности машиностроительного производства обусловливает необходимость широкого использования высокопроизводительного оборудования, позволяющего автоматизировать процессы механообработки. В этой связи особенно актуальными становятся исследования, посвященные вопросам диагностики и управления процессом резания. Существенно расширили представление о процессе стружкообразования работы, базирующиеся на современных достижениях физики прочности и пластичности твердых тед,

К числу фундаментальных подходов к изучению физических явлений в различных областях науки следует отнести теорию самоорганизации -синергетику, изучающую образование сложных пространственно-временных структур в системах, далеких от термодинамического равновесия.

Резание является динамическим процессом и характеризуется высокими удельными контактными нагрузками и температурами. В зоне стружкообразования степень и скорость деформации могут достигать критически?. значений. В этой связи систему резания следует рассматривать рассматривать как термодинамически неустойчивую, открытую диссипативную систему. В процессе резания образуются вторичные диссипативные структур л, которые определяют процесс пластического течения структурных элементов и вид стружки. Поэтому использование синергетического подхода к анализу процесса стружкообразования позволит установить его общие закономерности и выработать методологию управления выходными параметрами резания.

Цель работы. Исследование процесса стружкообразования с использованием основных положений теории самоорганизации, разработка на это1 основе методологии управления выходными параметрами процесса резания.

Иаучиаи новизна сосгоиг в следующей:

- установлена взаимосвязь вида образующейся стружки с механизмом деформации срезаемого слоя;

- развиты новые представления о влиянии свойств обрабатываемого ма гернала (типа кристали чсской решотки, ее энергии дефекта упаковки) и напряженно-деформированного состояния в срезаемом слое на сопротивление пластическому деформированию при резании;

- разработаны механизмы стружкообразования при высоких скоростях резания с использованием основных положений теории синергетики.

Практическую ценность представляют:

- конструкциия приспособления для "мгновенного" прекращения процесса резания;

- программное обеспечение для расчета напряженно-деформированного состояния срезаемого слоя для проведения практического и лабораторного практикума по курсу "Прочность и износостойкость режущего инструмента".

выявленные механизмы и эффекты самоорганизации деформационных троцессов при резании, позволяющие целенаправленно управлять выходными параметрами.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в уче-» бный процесс па кафедре "Технология машиностроения" Комсомольско-го-на-Амуре государственного технического университета по дисциплине "Прочность к износостойкость режущего инструмента".

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета 1994-1956 гг., международном научно-техническом симпозиуме "Наукоемкие технологии и проблемы их внедрения на машиностроительных и металлургических предприятиях Дальнего востока", Региональной научно-технической кон-

ференцни rio итогам выполнения МРНТП "Дальний Восток России'' за 1993-1996 гг.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из наименовании, приложений. Диссертация изложена на страницах машинописного текста, содержит 4 ? рисункоа, fd таблиц, 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, перечислены задачи, сформулирована цель работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой глазе приводится литературный обзор по стружкообрнзо вашпо при резании, включавший п себя рассмотрение следующих гопцо-соз: напряженно-деформированное состояниев срезаемом слог; механизм cTpy;:fKr-o6pinonaimü ил осиовстеорпидослокаций; механизмы н термодн панические аспекты современных теорий деформации твердых тел.

. Та;;, г. работах академика В.Е. Панина разработан полый подход к описанию пластической деформации, основанный из тгрмодшш.«н;е ,к ■ обратимых процессоп п иерархии струкдурных уровней. Обоснована rar ;;се возможность возникновения в деформируемом сйльгговозОу'Л'дениом кристалле вихрепг -о механического поля. Дислокационная и ротационная моды деформации взаимосвязаны. Tic мере увеличения стенека деформации s: плотности дефортционамх объектов, как злемиггол другом структуры, локалмтя едтшгокач устойчивость снижается и происходит переход к мпкрознхрям.

Таким образом, суп» нового ипдходз. в отличие oi чридиииочнок.» <"П;\\П!!Г'1 iV-oüiX'coli/v" .рорчт'чп ¡: ^¡(рочн^нил in copia; дислокаций, " и том, тп; 'is-.iüm'üai:1? jii::\T.ci';;r-;!i'4ii:i о ;ч1а"11патимных CipVKry-

pax в неравновесных системах.

Начало исследованиям механизмов пластической деформации в срезаемом слое при резании положено российскими учеными И. А. Тиме, Я.Г. Усачевым и А. А, Бриксом. Большой вклад в развитие механики процесса резания внесли Бобров В.Ф., Зорев H.H., Клушин М.И., Розенберг A.M., Старков В.К. и др.

Анализ существующих работ в области механики процесса резания показывает, что установленные зависимости между контактными характеристиками (ц, V ,qN, с^ит.д.) и параметрами, определяющими напряженно-деформированное состояние срезаемого слоя (угол р,, ?сдв, Ke, I(L и т.д.), в основном получены из предположения о существовании единственной плоскости сдвига в; эне стружкообразования и являются усредненными. Для анализа физических явлений, сопровождающих процесс резания, слабо привлекаются современные фундаментальные подходы к изучению закономерностей процесса стружкообразования. Это сдерживает разработку методов управления выходными параметрами процесса резания, особенно в автоматизированном производстве.

В связи с изложенным в работе бьШи поставлены следующие задачи:

1. Исследовать механизмы деформации срезаемого слоя с ростом скорости резания при помощи метода электронной микроскопии.

2. Исследовать напряженно-деформированное состояние в срезаемом слое путем моделирования процесса резания численным методом.

3. Изучить зависимость сопротивления пластическому деформированию от температуры и скорости деформации, используя результаты моделирования процессов резания и дислокационные механизмы деформирования обрабатываемых материалов.

4. Изучить механизмы образования различных типов стру;::ек в широком спектре скоростей резания на основе принципов синергетики и экспериментальных исследований.

5. Указать основные пути управления процессом стружкообразова-ния на основе синергетического подхода к процессу резания.

Во второй главе изложены экспериментальные и расчетные методики исследования процесса стружкообразования при резании.

Для получения фиксированной зоны стружкообразования применялась методика, основанная на использовании оригинального приспособления для "мгновенного" прекращения процесса резания.

Металлографические исследован! ш корней стружек осуществлялись на растровом и просвечивающем электронных микроскопах.

Для расчета напряхенно-деформированного состояния в срезаемом слое использовалась математическая модель, составленная на основе бескоординатного численного метода проф. В.И. Одинокова. Метод предназначен для расчета напряженно-деформированного состояния деформируемых тел, геометрия которых может быть описана системой ортогональных поверхностей, Суть-метода состоит в решении дифференциальны? уравнении в конечно-разностном виде в среднем по элементу.

При разработке математической модели процесса резания ставились еле, гующие условия. Полоса металла бесконечной дцшул движется со скоростью V и рассекается резцом с укороченной передней поверхностью (УПП) на две части, одна из которых формируется в стружку. Вследствие выделяемой энергии при взаимодействии полосы срезцом образуется неравномерное температурное поле. Процесс резания считается стационарным. Напряженно-деформированное состояние рассматривается как плоское деформированное. Система деформируемая среда - инструмент является двухкомпонентной.

' Выбор инструмента с УПП обусловлен, во-первых, его более высокой работоспособностью по сравнению с обычным резцом. Во-вторых, укорочение передней поверхности инструмента улучшает стружкодроб-ление.

а

г

Б третьей гляпо изложены результаты экспериментальных исследовании характера стружкообразования в широком диапазоне скоростей резания с использованием приспособления дня "мгновенного" прекращения процесса резания. Приведены результаты расчета напряжет ю-деформировап-ного состояния в срезаемом слое при моделировании процесса резания.

Характер сгружкообразовання исследовался при свободном точении дисков (стали: 10,45, У8,60С2,65Г, ОХ18ШОТ, титановый сплав сплЗВ) резцом, оснащенным пластинами из Т15К6, ВКб и из оксидно-карбидной керамики ВОК-бО, в широком диапазоне скоростей резания.

Электронно-микроскопические исследования корней стружек при обработке сталей показали различный характер деформирования мелких и крупных зерен: в крупных зернах видны линии скольжения, причем па каждом зерне их расположение различное и зависит от ориентировки зерна. Мелкие зерна остаются рааиооеншш, смещение (проскальзывание) цшеш-ита и крупных зерен феррига по границам наблюдается по всей зонссгрумсообразования. На верхней границе зоны стхужкообразования зерна ;оглисоваино ориентируются в одном направлении.Такая локали: щия деформации наблюдается при различных типах стружки.

При электронно-микроскогшческоы исследовании тонких фольг деформированных объемов сливной стружки в зоне сгр уж к о образован» Я1 выявляется фрагментирошшная дислокационная структур?, которая реализуется наряду с трансляционной (дислокационной) модой деформации.

На рис.1. показаны эпюры распределения гидростатических напряжений сгшд в зоне резаниу и в стружке, расчитанные численным методом (исследования выполнены совместно с д. т. н. проф. В.И. Одиноковым). Гидростатические напряжения а окрестности режущего лезвия достигают 1083 МПа. На прирезцовой поверхности стружки гидростатические напряжения растяжения (огид= 368 МПа) переходят в сжимающие. На ■ .-л пужнм! поверхности стружки, напротив, I¡анряжеиия сжатия переходят

Распределение гидростатических напряжений сгП1Д (х 103 МПа) в зоне резания и в стружке, гмый материал - сталь 45; скорость резания V = 60 м/мин. толщина срезаемого слоя а = 0.2 мм.

в напряжения растяжения. С ростом скорости и толщины среза гидростатические напряжения сжатия в окрестности режущего лезвия растут.

При расчете нормальных напряжений получены следующие результаты. Перед острием резца напряжения ог2 в основном сжимающие и достигают максимальной величины у режущего лезвия (-1896 МПа). Напряжения о,, возрастают по абсолютной величине ог периферии к режущему лезвию. В области металла, который должен уйти в стружку, а22 возрастают к наружной поверхности стружки и от периферии к поверхности расположения резца. Затем ап в теле стружки уменьшаются, изменяя качественно спой характер (становится растягивающим на наружной поверхности и сжимающим на внутренней поверхности стружки). На прирезцо-вой поверхности стружки сжимающие напряжения о22 переходят в растягивающие и достигают величины +905 МПа. Следовательно, появляется возможность возникновения трещин на прирезцовой поверхности стружки.

Расчет распределения интенсивности скорости деформации е сдвига показывает, что нарастание е нроисходигу режущего лезвия (ё =3104 с1).' тог максимум уменьшается по направлению к прирезцовым слоям струя 41!.

Таким образом, в окрестности режущего лезвия возникает острая локализация деформации с резкой неоднородностью напряженного и скоростного состояния.

Четвертям глава посвящена анализу экспериментальных исследований механизмов стружкообразования в широком диапазоне скоростей резания с позиций теории самоорганизации.

При низких скоростях резания деформация реализуется лишь в отдельных зернах из-за их различной ориентировки. Часть зерен деформируется ynpyio. либо поворачивается. Это вызывает роста внутренних напряжении. а также локализацию мнкродеформацни на границах зерен из-за I рудной и зсчафстной передачи се от черна к зерну, т.е. необходимо

возбуждение источников дислокаций в соседнем зерне. В результате в окрестности режущего лезвия возможно образование каскада микротрещин скола по механизму Коттрелла. Образование стружек скалывания при низких скоростях резания титановых сплавов и углеродистых сталей следует рассматривать как эффективный механизм диссипации запасенной энергии деформации и внутренних напряжений в зоне стружкообразоаа-ния. Высокое сопротивление пластическому течению дислокации па ме-зоуровпс из-за низкой температуры вызывает неоднородную деформацию

С'

сжатия, роташпо зерен, образование вследствие этого зоны трещинова-тости у режущего лезвия и отрыв (скалывание) больших объемов материала на высоком (макро-) уровне.

С ростом скорости резания V сливная стружка формируется в уело-,, виях активной пластической деформации (высоких скоростей деформирования обрабатываемого материала и температур). Возрастает диффузионная подвижность примесей (Ог, ¡М2). Это увеличивает скорость движения и плотность дислокации, и результате повышается их способность к перест ройке с образованием фрагментиропаиных структур, ограничивающих длину Ь пробега дислокаций (приближается к размеру фрагмента), а скорость деформационного упрочнения и деформация с уменьшаются. Зона стружкообразования самоорганизуется и переходит в состояние термодинамического равновесия с минимумом запсенной энергии деформации и энтропии. Диссипация запасенной упругой энергии происходит г"тем разорнептации фрагментов. Повышение пластичности металла и "заваривание" мнкротрлцнп межд) элементами обеспечивают формирование более плотной стружки и ее перемещение по передней поверхности, 'Г1011| шодш к возникновению системы сил, п частности силы И( .формирующей гидростатическое данлепиепГ11Д в чоне сфужкоойразонаниг.

..Предельно ганасенпан энергия ЛИ ^"'деформации нзопесфужкооб-разоианим чмгдеипо равна сумме изменения л! шлыпш Л11 ( и ип.кны Ц

плавления. В табЛ.1 приведены значения Дидпр, энергии дефектов упаковки (э.д.у.), сопротивления тсдв пластическому деформированию, а также ашд при У=40 м/мин, 5=0,2 мм/об. Из табл. 1 следует, что тсдв материалов определяется уповнем предельной запасенной энергии деформации Лид'1Р в зоне стружкообразования и гидростатическими давлениями <тгид, которые увеличиваются с ростом содержания углерода в сталях. Имеется связь тсдв с относительным сдвигом с.

Таблица 1

Контактные н энергетические характеристики при обработке различных материалов

Параметры тсдв> МПа лид™\ кДж/моль э.д.у., Мдж/м2 г МПа

Титановый сплав 520 - 60 2 1225

Сталь У8 750 72,3 115 3,1 912

Сталь 40 550 67,7 82 3,1 796

Сталь 10 400 66,5 72 5,85 781

Медь 300 47,5 40 7,11 264

1 чк показывают расчегы, плотность дислокаций в границах фрагментов (чческ) может достигать 5х10|2...10|4см2. В этой связи, например, в стали 10 (прп.О = 6,4хЮ4 МПа, Ь=2,48х10"'0 м), с учетом твердорастворного упрочнения, сопротивление сдвигу составляет тсдв=450 МПа, что близко к экспериментальному значению тС1В (см. табл.1) при резании. Указанная величина т получена при р=5-1014 см'2. Поэтому сдвиг элемента стружки на верхней границе в зоне стружкообразования происходит в результате достижении}! здесь критической плотности дислокаций .

2;тиепмость тсдв от степени деформации с обусловлена тем, чго ме и'ллы с низкой э.д.у., по сравнению с металлами с высокой э.д.у., имеют "олыиумпродолжительность временив уровне упрочнения, достигаемом •ой . кформа) щи: чем ниже э.д.у. тем позже наступает динамический воз-

враг, т ем (при прочих равных условиях) до более высоких значений может быть упрочнен металл или сплав при пластической деформации. Поэтому при обработке стали 10 и 40 наблюдаются наибольшие значения е.

Формирование фрагментированнон дислокационной структуры в зо-> не стружкообразования при обработке углеродистых сталей с о.ц.к. решеткой и высоким значением э.д.у. обеспечивает однородную пластическую деформацию и устойчивое формирование сливной стружки. Изменение механизма деформирования срезаемого слоя, повышение пластичности деформируемых объемов в результате фрагментации дислокационной структуры и смена напряженного состояния в зоне стружкообразования при обработке сталей сопровождаются интенсивным наростообразованием.

Таким образом, образование сливной стружки при обработке углеродистых сталей с позиций термодинамики следует рассматривать как результат самоорганизации процессов пластического течения структурных элементов в зоне стружкообразования с образованием диссипативных структур (фрагментированных дислокационных структур), обладающих способностью эффективно рассеивать энергию деформации, запасаемую пэи резании, и снижать производство энтропии в системе. *

.:-) ч

В металлах с г.п.у. решеткой (титановые сплавы) из-за ограниченного числа плоскостей скольжения, а также малого значения э.д.у. и вследствие этого низкой склонности к поперечному скольжению дислокаций форми-• рование фрагментированных структур затруднено. Структура деформиро-санных металлов с низкой э.д.у. (титановые сплавы, нержавеющие стали) - это дефекты упаковки и двойники, что не позволяет осуществлять эффективное пластическое течение. В результате неоднородной деформации сжатия и локализации сдвиговой деформации при их обработке формируется элементная (суставчатая) стружка в широком диапазоне скоростей резания.

Согласно основной посылке адиабатического сдвига элемента струж-

ки, тепло, образующееся при деформации, локализуется в плоскости сдвига, в результате тсдв должно снижаться. В связи с этим на адиабатические условия деформирования срезаемого слоя большое влияние должны оказывать теплофизические свойства материалов (теплоемкость, теплопроводность и т.д.).

Проведенные исследования показывают, что на сопротивление пластической деформации срезаемого слоя большое влияние оказывает тип кристаллической решетки, э.д.у. и электронная структура материалов. Влияние этих параметров проявляется через виды диссипативных структур, формирующихся в процессе деформации срезаемого слоя. На рнс.2 представлена зависимость тс от э.д.у. металлов.

Рис.2. Зависимось сопротивления тсди пластическому деформированию от энергии дефекта упаковки обрабатываемых материалов

Из рис.2 видно, что чем выше э.д.у. металла,т^м больше тсдв. Такая зависимость обусловлена влиянием э.д.у. на расщепление дислокации и на их способность к фрагментации. В свою оче; гдь, э.д.у. углеродистых сталей (см. табл. I) зависит ог содержания (%) в них углерода. Чем иышс э.д.у., тем больше склонность дислокаций к фрагментации, mío способствует повышению тг мг И метилах с ,о.цк. реипчиг.1 таимо-

действие дислокаций с примесями (углеродом) очень сильное, а винтовые дислокации склонны к поперечному скольжению. Чем больше э.д.у., тем легче поперечное скольжение дислокаций и выше способность их к фрагментации. Примеси, адсорбируя на субграницы, повышают их устойчивость и сопротивление скольжению дислокаций. Это в значительной степени связано со способностью дислокаций к фрагментации и различием в их скорости V движения. В металлах с г.ц.к. решеткой (медь) V дислокаций на 5...8 порядков выше, чем в металлах с о.ц.к. решеткой (стали).

Скорость деформации связана с V зависимостью ё = р-Ь-У, ~ (1)

где: р - плотность дислокаций. Ь - вектор бюргерса. В згой связи, слабое влияние на т при обработке сталей следует св гзать с фрагментацией дислокационной структуры, что снижает ё за время образования элемента стружки. Напротив, сильное влияние с на тсдв при обработке металлов с г.ц.к. решеткой обусловлено высокой V скоростью движения дислокаций. Это, по видимому, связано также и с тем, что при обработке сталей гидростатические давления атд и локальная деформация е в

0 <рестносги режущего лезвия с ростом скорости резания (скорости деформирования), как показывают расчеты, остаются на одном уровне. На рнс.З приведены зависимости стП1Д и е от скорости резания, полученные при моделировании процесса резания численным методом.

Расчеты показывают, что в процессе резания сталей на нижней гра-

1 ице зоны стружкообразования частицы металла подвергаются начальному упрочнению, затем на некотором удалении (см. рис. 1.) ог режущего

г»

лезвия локальные объемы испытывают предельное упрочнение и предельную деформацию, что вызывает порообразование в границах фрагмен- • зов и вязкий механизм роста трещин. Сдвиговая деформация на верхней г ранние ст ружкообразования заканчивается хрупким сколом.

В процессе локализованного сдвига, как показывают расчеты, плотность дислокаций ркр может достигать критического значения »1014 см 2. При критической плотности дислокаций строение кристаллической решет ки приближается к аморфизированному. Аморфная фаза является термо-диндмически неустойчивой и в ходе деформации испытывает динамический возврат. Таким образом, сдвиг элемента стружки на верхней границе сопровождается локализованным сдвигом, аморфизацией локальных объемов с последующим динамическим возвратом. Иначе говоря, в плоскости сдвига возникает сильновозбужденное состояние и реализуется фазовый переход, как результат запасания ДидПР предельной энергии упругой деформации и е.

е 0,8

0,6

0,4

V 1 /

2 и,,...../

1- L___4

агид, ^МПа

1300 1200 1100

30 60 90 120 150 180 210 V, м/мин Рис.3. Гидростатические давления огид и степень деформации £ при

измеленни скорости ррзания (сталь 45, д=0,2 мм): 1-8 ; 2 - сГид

Механизм образования элементной стружки при высоких скоростях резания также необходимо рассматривать с позиций достижения в локальных объемах предельного состояния кристаллическ ,й решетки. Существует аналогия между запасанием кристаллической решеткой предельной энергии деформации и нагревом металла до полного расплавления с тон лишь разницей, что в первом случае предельноое искажение кристаллической решетки обусловлено скоплением в локальных объемах металла критической плотности Ркр дислокации. Если принять, чгоЛИ.."' чяпасенная

энергия, затрачиваемая на предельное искажение кристаллической решетки и нарушение межатомных связей, не зависит от проводимой энергии (тепловая или механическая), то

0„л

дипр = I С сШ + Ь

л о; р т (2)

где: 0„ - температура испытаний; 0ПЛ - скрытая теплота плавления; Ьм -удельная энергия на единицу длины дислокации; Ср - удельная теплоемкость.

Ете в 30-е годы классические эксперименты Бриджмена показали, что металлы в условиях одновременного наложения высоких давлений и сдвига, испытывают квазивязкое течение подобно жидкости.

Можно констатировать, что основные закономерности деформационного упрочнения конструкционных материалов сохраняются и при высокоскоростном резании (ВСР). Как отмечалось выше, процесс образования элемента стружки является циклическим, как результат сжатия и последующего локализованного сдвига. Отличием условий образования славной стружки от элементной при ВСР сгалей является то, что доля деформации сжатия при ее формировании меньше, .чем при образовании суставчатых стружек и процесс их формирования является мете энергоемкий. Иначе говоря, доля хрупкого разрушения при сдвиге элемента стру-ж П1 возрастает.

Изменение вида стружки с ростом скорости резания обусловлено как сменой механизмов деформации срезаемого слоя, так и вида диссипа-тпвных структур. При высоких скоростях деформирования образование ф рагментированной дислокационной структуры затруднено и деформация срезаемого слоя реализуется за счет трансляционного скольжения дислокаций и двонниковання. Поэтому локализованный сдвиг сопровождается большой долей хрупкого разрушения.

С ростом скоросш ре;а;тя происходит запаздывание пластической

деформации, в результате увеличивается угол сдвига plt снижается общая величина деформации срезаемого слоя. Это обусловливает уменьшение доли деформации сжатия в деформационном цикле "сжатие-сдвиг" и толщина элементов стружки уменьшается, основной объем элемента стружки оказывается малодеформированным.

Таким образом, локализованный сдвиг как при высоких скоростях резания сталей, так и при обработке труднообрабатываемых материалов на рабочих скоростях резания связан с аморфизацией локальных объемов в плоскости сдвига при достижении критической плотности дислокаций, с последующим динамическим возвратом и тр~щинообразованием. Поэтому хсдв сопротивление пластическому деформированию может снижаться.

Рассмотрим причины и механизм образования различных типов стружек с позиций термодинамики необратимых процессов, являющейся фундаментальным подходом к анализу физических явлений, сопровождающих процесс резания.

О «пень внешнего воздействия на систему можно оценить соотношением, •сарактсризугощим S локальное производство энтршши *

• S-S

s=—-— , (3).,

р

где: S* - значение энтропии в системе в состоянии равновесия; S - энтропия; tp - время релаксации, хиракгеризующее продолжительность восстановления равновесия, нарушенного внешним воздействием. Откуда

S-S* ' '

= —' <4> S

Следовательно, продолжительность восстановления равновесного состояния будет характеризоваться временем релаксации. Вероятность реализации необходимых процессов будет достигаться при t -» min . Время

1Э

механической релаксации t" можно также определить р е

Условие tp -> min . будет выполняться при в ~> min. Последнее достигается при коэффициенте укорочения стружки KL -> 1 . Расчет при образовании сливной стружки в диапазоне V=50... 100 и/мин показал, что

tM «ЮЛ.-ЮЧ. р

С ростом скорости резания увеличение температуры способствует развитию диффузионного механизма деформации, суть которого заключается в том, что напряжения вызывают диффузию точечных дефектов (вакансий) и перемещение (масеоперенос) дислокаций. В результате tp будет возрастать, а переход в разновесное состояние оказывается менее вероятным, т.е. осуществляется за большее tp.

В условиях диффузионно-сдвиговой деформации время температурной релаксации t* можно оценить

f = - (6) р D

где; L - вокальный объем, равный размеру фрагмента; D - коэффициент диффузии.

Для стали 45 при Е = 1(Нсм, D=10 'cmVc, (р составит »10 с. Это означает, что с ростом скорости резания происходит увеличение времени на перестройку дислокпцноняой структур!-, и запаздывание пластической деформации, которое сопройойдаетс« переходом ишвкоЙ стружки к элементной. Адиабати' :ский сдвиг, т.е. термическое разупрочнение при высокоскоростном резании, не ревизуется -э-за развития диффузионных процессов, требуюЩну большего времени, чем деформационное разупрочнение. При этом, как показывают расчеты, возможно образование жидкой прослойки.

Так как запаздывание пластических деформаций в зоне стружкооб-разойашм обусловливает неоднородную деформацию сжатия и локализо-

а>

ванный сдвиг, то I роцесе пластической деформации при высоких скоростях резания следует рассматривать как волновой процесс: локализованный сдвиг с малодеформируемым объемом элемента стружки.

Таким образом, с ростом скорости резания система резания постоянно испытывает внешнее воздействие, а вид образующейся стружки следует рассматривать как результат отклика системы резания на интенсивность внешнего воздействия. При этом система периодически выходит из состоянии равновесия в точках бифуркаций и переходит в термодинамически равновесное состояние. Образование и усложнение новых структур пластического течения в зоне сгружкообразования обусловлено появлением новых дополнительных степеней свободы, благодаря чему пластическое течение приобретает все большую автономию от внешних условий и переходит на режим самоорганизации, а Аи"р и е достигают предельных значений.

В пятой главе рассмотрены некоторые выявленные дпссипативные структуры, механизмы и эффекты самоорганизации (табл. 2) деформаип-ошг IX процессов при резании.

Поскольку пластическая деформация металлов определяется движением дислокаций в плоскостях скольжения, то процессом стружжообразо-вания можно управлять за счет изменения скорости перемещения дислокаций, путем воздействия на срезаомый слой теплом, электрическими и магнитными полями. Подогргв ср лаемого слоя увеличивает подвижность примесей, ускоряет движение дислокаций и устраняет локализацию деформации на границах зерен. Необходимо также повышать качество выплавляемых сталей.

Известно, что сами по себе дислокации не имеют электрического заряда. Однако при пластической деформации в условиях резаник,распределение электронов нарушается (за счет воздействия электрических полей). В этой связи существует элеюрошхастлчсский и магшшпшл-тстшеслш

эффекты, изменяющие скорость движения дислокаций. Следовательно, управлять процессом стружкообразования можно за счет указанных эффектов, воздействуя на систему резания электрическими и магнитными полями.

/Другим методом управления процессом стружкообразования является изменение э.д.у кристаллической решетки путем целенаправленного легирования стали. Как показывают исследования, скорость резания, при которой наблюдается переход сливной стружки к пружке скалывания, определяется э.д.у. материалов.

Таблица 2

Диссипативные структуры и механизмы самоорганизации

в системе резания

Диссипативные структуры и механизмы диссипации Механизмы и эффекты самоорганизации

Структуры 1. Скопление дислокаций 2.Фрагментнрованна/| дислокационная струк гура - 3. Дефекты упаковки, двойники о Механизмы 1. Хрупкий и вязкий скол 2. Локализация деформации (полосы скольжения 3. Пластичес* ля ротационная неустойчивость 4. Аморфизация 5. Динамический возврат 6. Д войникование 7. Диффузия атомов, вакансий Механизмы 1. Фазовые переходы 2. Фрагментация дислокационной структуры 3. Обратные связи в Эффекты ■ \г р- 1 ."Сливная стружка 2. Наростообразование

о ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Установлена взаимосвязь механизма стружкообразования с механизмом деформации срезаемого слоя. Фрагментация дислокационной структуры в зоне стружкообразования с ростом скорости резания сопровож-

дается формированием сливной стружки. Образование сливной стружки следует рассматривать с позиций самоорганизации деформационных процессов в системе резания.

2. Установлена связь сопротивления тсдв пластическому сдвигу с э.д.у. материалов и типом кристаллической решетки. С ростом э.д.у. решетки материала тсдв увеличивается. Постоянство тсдв при изменении условий резания железоуглеродистых сталей, как показывает численный метод расчета напряженно-деформированного состояния, следует связывать с достижением в окрестности режущего лезвия предельных значений степени деформации.

3. При высоких скоростях резания основные закономерности деформационного упрочнения и разупрочнения при образовании элемента стружки сохраняются. Высокая плотность дислокаций (р=1012 см 2) вызывает аморфизацию локальных объемов и последующий динамический возврат, что обеспечивает формирование элементной стружки. Скорость резания, при которой наблюдается переход сливной стружки к стружке ска-лываш я, зависит от э.д.у. обрабатываемых материалов.

4. позиций теории самоорганизации (синергетики) образование различных типов стружек следует рассматривать как результат отклика системы резания на интенсивность внешних воздействий, в результате система периодически выходит из состояния равновесия в критических точках (скоростях резания) и переходит в термодинамически устойчивое состояние. В этой связи вид стружки определяется временем 1р релаксации, характеризующим продолжительность восстановления нарушенного равновесия внешним воздействием.

5. Выявлены некоторые виды диссипативных структур, образующихся в процессе деформации материалов при резании, а также механизмы и эффекты самоорганизации. Предложены пути управления процессом стружкообразоваиия.

6. Разработана оригинальная конструкция приспособления для "мгновенного" прекращения процесса резания.

7.Разработано программное обесгтечениедля расчета численным методом напряженно-деформированного состояния в зоне резания и срезаемом слое.

Приспособление и программное обеспечение внедрены в учебный процесс курса "Прочность н износостойкость режущего инструмента".

Основное содержание работы опубликовано в следующих работах

1. Щелкунов Е.Б., Пронин А. Ч. Состояние проблемы высокоскорост--, ной обработки металлов резанием/ Наукоемкие технологии и проблемы их внедрения на машиностроительных и металлургических предприятиях Дальнего Востока// Тезисы докладов международного научно-технического симпозиума. - Комсомольск-иа-Амуре, 1994. - с. 35.

2. Щелкунов Е.Б. Обработка резанием на высоких и сверхвысоких скоростях/Машиностроительный и приборостроительный комплексы ДВ, проблемы конверсии //Тезисы докладов Региональной научно-технической конференции по итогам выполнения МРНТР "Дальний Восток России" за 1993-1994 гг. - Комсомольск-на-Амуре, 1996. с. 34-35.

3. Щелкунов Ч.Б. Стенд для быстрого прекращения процесса резания/ ? 1ашиностроительный и приборостроительный комплексы ДВ, проблемы конверсии// Тезисы докладов Региональной научно-технической конференции по итогам выполнения МРНТП "Дальний Восток России" за 199319941 г. - Комсомольск-на-Амуре, 1996. - с. 64-66.