автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности обработки синтеграна на основе физического и математического моделирования

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ И ВОЗМОЖНОСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ СИНТЕГРАНА.

1.1. Разрушение как процесс зарождения и развития трещины. Параметры, характеризующие процесс разрушения.

1.2. Механизм зарождения трещины.

1.3. Механизм развития трещины.

1.3.1. Напряжения, вызывающие рост трещины.

1.3.2. Неустойчивость развития трещины. Критическая длина и критическая скорость распространения трещины.

1.3.3. Напряженно-деформированное состояние в районе трещины.

1.4. Процесс резания - как процесс разрушения материалов.

Глава 2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ СИНТЕГРАНА РЕЗАНИЕМ.

2.1 Особенности обработки синтеграна.

2.2 Процесс стружкообразования при резании синтеграна.

2.3. Сила резания.

2.4. Износ инструмента.

2.5. Выбор инструмента.

2.6. Математическая модель напряженного состояния зерна и срезаемого слоя.

2.7. Динамика процесса резания синтеграна.

2.8. Тепловые явления при резании синтеграна.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ

РЕЗАНИЯ СИНТЕГРАНА.

3.1. Описание стенда.

3.2. Однофакторные исследования по определению влияния режимов резания на составляющие силы резания и износ инструмента.

3.3. Полный факторный эксперимент

ПФЭ-2 )по определению зависимости износа инструмента от режимов резания.

3.4. Шероховатость поверхностного слоя синтеграна.

ВЫВОДЫ.

Тенденции развития науки и техники, в области технологии машиностроения, требующие постоянного совершенствования параметров станков, ведут к поиску новых конструктивных решений и проведений исследований по применимости новых материалов. Появляясь вследствие естественного стремления к совершенствованию существующих конструкций, новые материалы, в свою очередь открывают возможности для реализации новых конструктивных решений и технологических процессов. В настоящее время перспективы прогресса в машиностроении, а в частности, и в станкостроении, в основном связываются с разработкой и широким применением композиционных материалов. Именно к такому классу материалов относится синтегран.

Слово синтегран образовано из слияния двух слов: "синтетический" и "гранит" [5] и по своему смысловому значению подразумевает материал, который по основным физико-механическим и эксплуатационным свойствам аналогичен натуральному граниту, из которого в настоящее время изготавливают детали высокоточных станков, координатно-измерительных машин, контрольного инструмента и др.

По существу, синтегран представляет собой композиционный материал, состоящий из полимерного связующего и химически стойких и высокопрочных минеральных наполнителей и заполнителей.

Полимерное связующее является многокомпонентной системой, содержащей смоляную часть и отверждающий агент. От качества и количества связующего, входящего в состав синтеграна, зависят такие свойства, как теплостойкость, ползучесть, склонность к короблению и другие свойства, определяющие размерную стабильность деталей в процессе эксплуатации.

Разделение минеральных компонентов на наполнители и заполнители отражает принципиально различную роль этих материалов в структурообразовании синтеграна.

Под наполнителем понимают мелкодисперсные порошки с удельной 2 поверхностью не более 1000 см /г и размером частиц менее 100 мкм. Наполнители оказывают заметное влияние на свойства связующего и обычно для каждого вида наполнителя экспериментальным путем определяется оптимальное количественное соотношение связующее - наполнитель. Смесь связующего с наполнителем называется мастикой. Ее состав является постоянным для различных марок синтегранов.

К заполнителям относятся различные фракции гранитного щебня с размерами зерен от 0,63 до 20 мм. Заполнители выполняют роль своеобразного скелета и определяют, в основном прочностные свойства синтеграна.

Синтегран предназначен в основном для замены чугунного литья и блоков натурального гранита, используемых для изготовления базовых деталей станков, машин и приборов.

Основными преимуществами синтеграна перед чугуном являются следующие [5].

Технические: более высокая ( в 4 - 6 раз) демпфирующая способность; меньшие внутренние напряжения в отливках и, соответственно, повышенная стабильность размеров во времени; низкая (в 20 раз ниже, чем у чугуна) теплопроводность, и соответственно, малая чувствительность деталей к кратковременному перепаду температур; высокая коррозионная стойкость. Технологические: практически нулевая усадка, возможность получения точных деталей, не требующих дальнейшей механической обработки; коэффициент использования близок к 1, (у чугуна 0,6 - 0,7); меньшая (примерно в 2-3 раза) трудоемкость изготовления отливок; более простое технологическое оборудование, в 1,5-2 раза больший съем литья с 1 м2, соответственно экономия производственных площадей и капитальных затрат; существенно меньшие энергозатраты; возможность механизации и автоматизации практически всего технологического процесса, связанного с подготовкой, смешением компонентов синтеграна и формования отливок. На долю ручного труда приходится только сборка и разборка форм; Технические преимущества, реализуемые в конкретных изделиях: повышение точности станков; повышение режимов механической обработки, т.е. производительности; повышение стойкости инструмента.

По сравнению с натуральным гранитом синтегран обладает, в основном технологическими преимуществами, связанными со снижением трудоемкости изготовления деталей и экономией алмазного инструмента при механической обработке. Кроме того, из синтеграна могут быть изготовлены такие детали, которые из натурального гранита изготовить невозможно.

Исходя из вышеперечисленных преимуществ синтеграна, а также на основании отечественного и зарубежного опыта определились перспективные области его применения.

Вместе с тем, недостаточно изучено поведение синтеграна в процессе изготовления из него деталей и узлов, например, при обработке резанием. Обработка резанием синтеграна обладает рядом особенностей, отличающих ее от аналогичной обработки металлов. Это объясняется особыми характерными свойствами и структурой обрабатываемого материала.

Исследование процесса резания синтеграна будем сводить к определению его обрабатываемости. В свою очередь обрабатываемость того или иного материала понятие комплексное, ее основные показатели следующие [42]:

- интенсивность затупления режущего инструмента, характеризующаяся скоростью резания при определенной стойкости;

- сила резания и расходуемая мощность;

- качество изделия.

Поскольку материал в зоне резания подвергается хрупкому разрушению, естественным является использование для построения модели резания теории хрупкого разрушения.

Общие выводы

1. Разработаны математические модели процессов резания, описывающих совокупность физико-механических явлений в прирезцовой зоне и позволяющие прогнозировать обрабатываемость синтеграна точением в анализируемых технологических условиях.

2. Исследования физико-математической модели подтвердили гипотезу влияния на обрабатываемость синтеграна резанием характерных особенностей образования элементной стружки и связь их с технологическими условиями обработки.

3. На основе вышеуказанных математических моделей процессов резания получены выражения для аналитического определения составляющих сил резания, частоты возмущающей силы, действующей на инструмент, а также условие, определяющее поведение зерен синтеграна под воздействием режущего интсрумента.

4. На основе результатов проведенных исследований установлено, что силы, действующие на задней поверхности, многократно превосходят силы на передней поверхности инструмента. Такое перераспределение составляющих сил резания объясняется главным образом повышенным абразивным воздействием синтеграна и сетью микротрещин, изначально распределенных в заполнителе синтеграна.

5. К основным видам износа режущего инструмента, при обработке синтеграна, следует отнести абразивный и усталостный механизмы, обусловленные влиянием свойств заполнителя. Влияние эпоксидного связующего можно отнести к воздействию поверхностно-активного вещества на заднюю поверхность инструмента, приводящее к снижению его поверхностной энергии, что является дополнительным фактором, повышающим интенсивность усталостно-абразивного износа режущего интсрумента.

6. Шероховатость поверхности синтеграна на участке заполнителя не является следом инструмента и не отображает микронеровности режущего лезвия, а полностью определяется траекторией распространения микротрещин по межзеренным и межфазным границам при образовании элементной стружки.

7. Для эффективного осуществления процесса резания синтеграна рекомендуется выбирать толщину и ширину срезаемого слоя таким образом, чтобы их соотношение было равно 1:2. Данная форма сечения среза оказывает благоприятное влияние на величину износа инструмента и шероховатость обработанной поверхности.

1. Атопов В. И. Моделирование контактных напряжений. М.: Машиностроение, 1988. 272 с.

2. Баренблатт Г. И., Салганик P. JI. о расклинивании хрупких тел. Автоколебания при расклинивании, ПММ, 1963.

3. Баренблатт Г. И., Салганик P. JI. об автоколебаниях при расклинивании хрупких тел, ПММ, 1963.

4. Баренблатт Г. И., Черепанов Г. П. О расклинивании хрупких тел, ПММ, 1960.

5. Барт В. Е., Санина Г. С. Составы, технология изготовления, основы расчета и проектирования деталей станков их синтеграна: ЭНИМС, М.,1987.

6. Батуев Г. С. Инженерные методы исследования ударных процессов. М.: Машиностроение, 1977. 240 с.

7. Берберян 3. А. Исследование обрабатываемости камней твердых пород. Автореф. канд. дисс. Ереван, 1970.

8. Бережницкий JI. Т., Панасюк В. В., Сташук Н. Г. Взаимодействие жестких линейных включений и трещин в деформируемом теле. Киев: Наукова думка, 1983, 288 с.

9. Богданофф Д. Вероятностные модели процесса накопления повреждений: Пер. с англ. М.: Мир, 1889. 344 с.

10. Болотин В. В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984. 312 с.

11. Болотин В. В. Объединенные модели в механике разрушения // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1984. №3. С. 127 137.

12. Вейс Юкава Критическая оценка механики разрушения, Сб. "Прикладные вопросы вязкости разрушения", Мир, 1968.

13. Волчок И. П. и др. Влияние формы графитовых включений на концентрацию напряжений и механические свойства чугуна // Физ.-хим. механика материалов. 1984. Т. 20. №3. С. 89 92.

14. Гаркунов Д. Н. Триботехника. М.: Машиностроение, 1985. 424 с.

15. Гиллман. Скол, пластичность и вязкость кристаллов, Сб. "Атомный механизм разрушения", М. Мир, 1968.

16. Глушак Б. JI. Разрушение деформируемых сред при импульсных нагрузках. Н. Новгород: ННГУ, 1992. 193 с.

17. Дирнли Р. А. Механизм износа передней и задней поверхностей твердосплавных инструментов с покрытиями и без покрытий // Тр. Американского общества инженеров-механиков. 1985. -N2. - С. 75 - 90.

18. Добычин М. Н. Контактные задачи в трибологии. М.: Машиностроение, 1988. 256 с.

19. Дроздов Ю. Н. Определение интенсивности изнашивания деталей машин. // Вестник машиностроения. 1980. №6. С. 12-15.

20. Ефимович И. А. Повышение эксплуатационной эффективности инструмента на основе исследования НДС и прочности его режущей части при различных видах стружкообразования.: Дисс. на соискание канд. техн. наук. Тюмень, 1999 - 243 с.

21. Исследование температуры резания при точении композиционных материалов // Mater, and Manuf. Processes. 1999. - u. 14. N5.-С. 647-659.

22. Кабалдин Ю. Г., Бурков А. А., Виноградов С. В. Механизмы разрушения твердосплавного инструмента при прерывистом резании // Вестник машиностроения. 2000. №5. С. 31 35.

23. Кабалдин Ю. Г. Разрушение и изнашивание инструмента, оснащенного режущей керамикой // Трение и износ. 1991. - Т. 12. - N2. - С. 287-295.

24. Караванов Ю. И. Исследование процессов механической обработки полимерных материалов и их влияние на качество поверхностного слоя и эксплуатационные свойства деталей авиационной техники, автореф. канд. дисс., М., 1969.

25. Крагельский И. В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1962. 383 с.

26. Креймер Г. С. Прочность твердых сплавов. М.: Металлургия, 1971.

27. Кудинов В. А. Температура при трении и глубинное разрушение. В сб. "Сухое трение". Рига, изд-во АН Латв.ССР, 1961.

28. Кудиш И. И. Контактная задача теории упругости для предварительно напряженных тел с трещинами // Прикл. мех. и техн. физики. 1987. №2. С. 144-152.

29. Кудиш И. И. Некоторые подходы к анализу контактной усталости // Сб. научных трудов НПО ВНИИПП, 1987. №4. С. 5 15.

30. Кузнецов Е. А. Напряженное состояние упругого полупространства при давлении в него сферического штампа // Проблемы трения и изнашивания, 1986. Вып. 30. С. 3 -11.

31. Ломакин В. А. Теория упругости неоднородных тел. М.: Изд-во МГУ, 1976. 367 с.

32. Лупкин Б. В. Технология производства деталей из композиционных материалов. Киев, 1991.

33. Лыков А. В. Теория теплопроводности. М.: ГИТТЛ, 1952.

34. Механическая обработка полимерных композиционных материалов (ПКМ). НИАТ, 1991. - 18 с.

35. Морозов Е. М., Зернин М. В. Контактные задачи механики разрушения. -М.: Машиностроение, 1999. 544 с.

36. Морозов Е. М., Фридман Я. Б. Некоторые закономерности в теории трещин, Сб. "Прочность и деформация металлов в неравномерных физических полях", М., Атомиздат, 1968.

37. Нагарадж X. С. Упругопластический контакт тел под действием нормальной и касательной нагрузок при трении // Тр. Амер. Об-ва инж.-механиков. Проблемы трения. 1984. Т. 106. №4. С. 93 102.

38. Никифоровский В. С., Шемякин Е. И. Динамическое разрушение твердых тел. Новосибирск: Наука, 1979. 254 с.

39. Общемашиностроительные нормативы режимов резания, норм износа и расхода резцов, сверл и фрез при обработке неметаллических конструкционных материалов. М.: НИИмаш., 1962 - 144 с.

40. Остафьев В. А. Расчет динамической прочности инструмента. -М.: Машиностроение, 1979.

41. Парис, Си. Анализ напряженного состояния около трещин, Сб. "Прикладные вопросы вязкости разрушения", М., Мир, 1968.

42. Петруха П. Г., Беспахотный П. Д., Бруштейн Б. Е. Резание труднообрабатываемых металлов. М.: Машиностроение, 1972. 175 с.

43. Подураев В. Н. Резание труднообрабатываемых материалов. М., "Высшая школа", 1974, 590 с.

44. Полетика М. Ф. Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента . М.: Машиностроение, 1969.

45. Ромалис Н. Б., Тамуж В. П. Разрушение структурно-неоднородных тел. Рига: Зинатне, 1989. - 204 с.

46. Романов А. Н. Разрушение при малоцикловом нагружении. М.: Наука, 1988. 282 с.

47. Саверин М. М. Контактная прочность материалов. M.-JL: Машгиз. 1946. 146 с.

48. Седов JI. И. Механика сплошных сред. МГУ, 1968.

49. Силин С. С. Метод подобия при резании материалов. М.: Машиностроение, 1979. - 153 с.

50. Скоробогатов С. В. Исследование износа резцов при резании горных пород. Сб. статей "Горные машины и автоматика". 1963. №12.

51. Сорокин. Г. М. Абразивное изнашивание высокопрочных сталей в различных условиях контактного нагружения // Трение и износ. 1986. №4. С. 714-717.

52. Сосновский JI. А. Статистическая механика усталостного разрушения. Минск: Наука и техника, 1987. 288 с.

53. Стадник М. М. Инегро-дифференциальные уравнения трехмерной задачи теории упругости для тела с системой тонких включений// Физ.-хим. Механика материалов. 1984. Т. 20. №1. С. 15-21.

54. Степанов А. А. Обработка резанием высокопрочных композиционных полимерных материалов. Л.: Машиностроение, 1987. -176 с.

55. Степнов М. Б. К исследованию стадии развития малых усталостных трещин // Машиноведение. 1986. №4. С. 52 55.

56. Сысоев П. В. Деформация и износ полимеров при трении. Минск: Наука и техника, 1985. 239 с.

57. Талантов Н. В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента. М.: Машиностроение, 1992.

58. Тамуж В. П. Микромеханика разрушения полимерных материалов. Рига: Зинатне, 1978. 294 с.

59. Тетелман Пластическая деформация у вершины движущейся трещины, Сб. " Разрушение твердых тел", М. Мир, 1967.

60. Тер-Азарьев И. А. Динамика процесса резания камня. Ереван, 1959.

61. Технический отчет. Разработка конструкторской документации и изготовления опытных образцов средств механизации и инструмента для обработки деталей из ПКМ. М.: НИАТ, 1989, - 20 с.

62. Тимошенко С. П., Гудьер Д. Теория упругости. М.: Наука, 1979. -550 с.

63. Труш И. И., Панасюк В. В., Бережницкий JI. Т. О влиянии формы включения на начальную стадию разрушения двухкомпонентных композиционных материалов // Физ.-хим. механика материалов. 1972. Т. 2. №6. С. 48-53.

64. Финкель В. М. Физика разрушения, М., Металлургия, 1970.

65. Фрейденталь А. М. Статистический подход к хрупкому разрушению. Разрушение: Пер. с англ. М.: Мир, 1975. Т.2. С. 616 645.

66. Хает J1. Г. Прочность режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1975.

67. Черепанов Г. П., Ершов JI. В. Механика разрушения. М.: Машиностроение, 1977. - 224 с.

68. Черепанов Г. П. Механика разрушения композиционных материалов. М.: Наука, 1983. 296 с.

69. Черепанов Г. П. Некоторые задачи теории трещин в гидродинамической постановке, ПММ, 1963.

70. Шоу, Усуи, Смит. Автоматные станки. Сила резания, качество поверхности и стружкообразование, Труды Американского общества Инженеров-механиков, 1951, и. 8. N2.

71. Ярема С. А. Распространение криволинейных трещин в пластинах // Физ.-хим. механика материалов. 1988. №2. С. 91 -94.

72. Ясев А. Г. Исследования технологических особенностей композиционных материалов при механической обработке // Изв. вузов. Машиностроение. 1996. №4 6. С. 65 - 71.

73. Dalis E. I. Materials for metal cutting. The Iron and Steel Institute, 1970.-P. 112-113.

74. Endo K. Initiation and propagation of fretting fatigue cracks // Wear. 1975. Vol. 38. N. 3. P. 311 324.

75. Hobson P. D. The formulation of a crack growth equation for short cracks // Fatigue Eng. Mater. Struct. 1982. Vol. 5. N 4. P. 232 328.

76. Yoffe E. N. A crack treversing of Griffits, "Philosof. magaz.", 1961, . u. 42. N330.

77. Irwin G. R. Analisis of stresses and strain near the end of a crack traveling, "Journ. of Apple, mech. " 1957, u. 24.

78. Mc. Clintock F. A. Travelling cracks in elastic materials under congitidual shear, "Journ. of the mech. and Phis.", 1960, u. 8, N 3.

79. Newman J. C., Raju I. S. An empirical stress-intensity factor equation for the surface crack // Eng. Fract. Mech. 1981. Vol. 15. P. 185 192.

80. Pastor H. Present status and development of tool materials // Intern. Journ. ofik Refractory and Hard Metals. 1987. - Vol. 21. - N1. - P. 13 - 28.

81. Townley С. H. The integrity of cracked structures under thermal loading // Int. J. Pressure Vessel and Piping. 1997. N 4. P. 305 310.