автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Прогнозирование твердости и шероховатости обработанной поверхности на основе деформационно-структурных процессов резания

На правах рукописи

Отряскина Татьяна Александровна

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТВЕРДОСТИ И ШЕРОХОВАТОСТИ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ОСНОВЕ ДЕФОРМАЦИОННО-СТРУКТУРНЫХ ПРОЦЕССОВ РЕЗАНИЯ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 АПР 2013 005052314

Комсомольск-на-Амуре - 2013

005052314

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Комсомоль-ский-на-Амуре государственный технический университет» (г. Комсомольск-на-Амуре) на кафедре «Технология машиностроения».

Научный руководитель Ким Владимир Алексеевич, доктор техниче-

ских наук, профессор, заведующий кафедрой «Материаловедение и технология новых материалов» (г. Комсомольск-на-Амуре)

Официальные оппоненты Литовка Геннадий Васильевич доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Общей математики и информатики» Амурского государственного университета (г. Благовещенск)

Давыдов Владимир Михайлович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технологическая информатика, информационные системы» Тихоокеанского государственного университета (г. Хабаровск)

Ведущая организация ФГБО ВПО «Дальневосточный государственный

университет путей сообщения » (г. Хабаровск)

Защита состоится «26» марта 2013 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.092.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ком-сомольский-на-Амуре государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «КнАГТУ») по адресу 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, ауд. 201 корпус 3. Факс: (4217) 536150; e-mail: mdsov@knastu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. Автореферат разослан « 26» февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.И. Пронин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В основе лезвийной механической обработки лежат процессы пластической деформации и разрушения обрабатываемого материала, протекающие с высокими и сверхвысокими скоростями. Механика процесса резания служит теоретической и методологической базой для оптимизации геометрии режущего инструмента, режимов резания и прогнозирования качества механической обработки. Все известные на сегодняшний день закономерности процесса резания металлов получены на основе силовых и кинематических соотношений механики стружкообразова-ния, разрушения и контактного взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов.

С внедрением в машиностроение труднообрабатываемых и жаропрочных материалов, высокоскоростных и комбинированных методов механической обработки традиционные подходы к оптимизации процесса резания оказываются малоэффективными, что связано с особенностью высокоскоростной пластической деформации и структурными превращениями, деформационным упрочнением и структурной приспосабливаемостыо режущего инструмента.

В настоящее время структурные превращения при пластической деформации материала рассматриваются с новых позиций - физической мезо-механики, ставшей неотъемлемой частью физики твердого тела, и теории разрушения. Физическая мезомеханика предполагает наличие множества разномасштабных носителей пластической деформации, базируется на термодинамике неравновесных процессов. В физической мезомеханике особая роль отводится мезомасштабному уровню, в котором протекают наиболее активные диссипативные процессы, обеспечивающие синергетический алгоритм развития структур.

Для описания синергетических процессов, происходящих на мезомас-пггабном уровне, разработан математический аппарат, позволяющий прогнозировать физико-механические свойства материала, подверженного пластической деформации. Приложение физической мезомеханики к резанию материалов позволяет глубже понять физику этого процесса и раскрывает новые пути для прогнозирования и модернизации механической обработки. Процесс резания металлов является объектом изучения физической мезомеханики и одновременно удобной моделью высокоскоростного деформационного процесса.

Достигнутые успехи в исследовании процесса резания требуют постоянного уточнения в связи с совершенствованием знаний в ряде смежных областей и наук. Так, для количественного описания структурных изменений обрабатываемого материала на микро- и мезомасштабном уровне необходима разработка количественных показателей интерфейса структурного состояния срезаемого слоя и обработанной поверхности. В этом направлении выполнена данная работа.

Актуальность темы исследования определяется возможностью более глубокого подхода к изучению процесса резания с позиций неравновесной термодинамики и физической мезомеханики, к разработке новых методов анализа процесса, а также к прогнозированию и оценке качества механической обработки.

Цель диссертации. Исследование деформационных процессов обрабатываемого материала при резании на основе принципов физической мезомеханики для прогнозирования твердости и шероховатости обработанной поверхности и количественного описания структурных изменений при стружкообразовании.

Основные задачи диссертации

1. Разработать количественные характеристики микро- и мезоструктур на основе термодинамики фазово-структурных превращений и теории резания материалов для оценки деформационных процессов при механической обработке.

2. Разработать методику определения с использованием компьютерной металлографии микро- и мезоструктурных характеристик процесса стружко-образования и формирования обработанной поверхности.

3. Выявить комплекс зависимостей влияния режимов резания на микро- и мезоструктурные характеристики деформации срезаемого слоя и обработанной поверхности.

4. Исследовать шероховатость обработанной поверхности как результат разномасштабного процесса деформации обрабатываемого материала и его разрушения.

5. Разработать практические рекомендации для прогнозирования микротвердости и оценки шероховатости обработанной поверхности.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием соответствующих разделов теории резания материалов, материаловедения, теории пластической деформации, принципов физической мезомеханики, процессов механической и физико-технической обработки, теории вероятности и математической статистики и математического моделирования.

Экспериментальные исследования проводились с использованием про-филографа-профилометра мод. 296, металлографического микроскопа Мик-ро-200 и растрового электронного микроскопа Б 3400-К (5Ытас1ги). Обработка результатов изображений микроструктур осуществлялась с помощью программ Image.Pro.Plus.5.1, МаЛАВ, ВупАпа1угег.

Научная новизна

1. Предложен количественный показатель интерфейса структурного состояния срезаемого слоя при стружкообразовании, представляющий бинарное множество {я, Б} (плотность границ микроструктурных объектов и их фрактальную размерность), позволяющий описывать структуру материала после интенсивной пластической деформации, в котором не выявляется зёренная организация.

2. Установлено, что по мере прохождения срезаемого слоя зоны сдвига и превращения его в стружку меняются носители пластической деформации и переход активности деформационного процесса с микромасштабного уровня на мезомасштабный. Этот переход отражается на бинарном множестве {q, D} и заключается в резком снижении (почти на порядок) плотности и инверсии направления фрактальной размерности границ раздела.

3. Выявлено, что развитие текстуры деформации обработанной поверхности является результатом мезоструктурной фрагментации, а их упорядоченная организация представляет активные диссипативные структуры, которые можно количественно оцепить с помощью параметра структурной организации Qc и фрактальной размерностью границ раздела D фрагментиро-ванных элементов. С повышением упорядоченности мезоструктуры фрактальная размерность границ и параметр их структурной организации снижаются.

4. Дана количественная оценка влияния различных масштабных уровней процессов пластической деформации и разрушения обрабатываемого материала на шероховатость обработанной поверхности и показана доминирующая роль кинематики и динамики процесса резания.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Получен комплекс эмпирических зависимостей между параметрами интерфейса структурного состояния, режимами резания и свойствами обрабатываемого материала, позволяющий прогнозировать структуру, твердость и шероховатость обработанной поверхности, а также оптимизировать режимы резания для обеспечения необходимого структурного состояния обработанной поверхности.

Результаты работы внедрены на ЗАО «Завод твёрдых сплавов», ООО НГО1 «Унитех» (г. Комсомольск-на-Амуре) и использованы в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет».

Публикации. Основные положения диссертации отражены в девяти печатных работах, три из которых - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Материалы диссертационной работы изложены на 150 страницах основного текста, включающих 47 рисунков и 4 таблицы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 129 наименований и приложения.

Апробация работы.

Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на региональной научно-технической конференции «Вестник» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2009); международной научно-технической конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2009); международном симпозиуме «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2010); ежегодной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Комсомольск-на-Амуре).

Основные положения и результаты работы докладывались также на научных семинарах кафедр «Технология машиностроение» и «Материаловедение и технология новых материалов» ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (2005 - 2012 гг.).

На защиту выносятся:

- методология исследования процесса лезвийной механической обработки с привлечением принципов физической мезомеханики;

- количественный показатель интерфейса структурного состояния срезаемого слоя — бинарное множество {q, D} и методика его определения;

- результаты исследований структурных изменений при стружкообра-зовании, раскрывающие механизм формирования фрагментированных элементов стружки при прохождении зоны сдвига и перехода деформационного процесса с микро- на мезомасштабный уровень;

- установленные закономерности образования фрагментированных элементов при формировании обработанной поверхности;

- новая методика, разработанная на основе принципов физической мезомеханики, прогнозирования структурного состояния и микротвердости обработанной поверхности при точении конструкционных сталей.

Благодарность.

Автор выражает свою признательность и благодарность доктору технических наук Б.Я. Мокрицкому и кандидату технических наук Е.Б. Щел-кунову за оказанную помощь в работе, при обсуждении результатов исследований, написании и представлении данной работы к защите.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены теоретические основы процесса лезвийной обработки, стружкообразования и формирования обработанной поверхности, освещены современные проблемы теории и практики резания, сформулированы задачи исследования.

Теоретические основы процесса резания металлов разрабатывались многими российскими и зарубежными учеными: H.H. Зорев, Г.И. Грановский, М.И. Клушин, А.Г. Ивахненко, М.Ф. Полетика, С.А. Васин, A.C. Верещака, В.Н. Подураев, В.К. Старков, М.Ф.Семко, Г.Л. Куфарев, Ю.Г. Кабал-дин, Т.Н. Лоладзе, А.Г. Суслов, Г.К. Сустан, А. Кобаяши, К. Накояма и др.

В процессе резания обрабатываемый материал подвергается высокоскоростной пластической деформации, поэтому структурные изменения при стружкообразовании и формировании обработанной поверхности протекают в термодинамических неравновесных условиях по синергетическому алгоритму.

Поведение материала при пластической деформации рассматривается в настоящее время с позиций физической мезомеханики - активно развивающегося научного направления физики твердого тела. Физическая мезомеха-

ника рассматривает пластическую деформацию твердого тела как динамический процесс образования и развития дефектов кристаллического строения, выделяя при этом особую роль мезомасштабного уровня, где формирующиеся диссипативные структуры в полной мере реализуют принципы синергетики. Математический аппарат физической мезомеханики позволяет описывать на количественном уровне структурные изменения и является основой для компьютерного моделирования поведения деформируемого материала.

Приложение основных принципов физической мезомеханики к процессу резания требует разработки в первую очередь количественных показателей интерфейса структурного состояния срезаемого слоя и обработанной поверхности и описания с их помощью особенностей протекания деформационных процессов резания.

На основании изложенного в работе были сформулированы задачи исследования.

Во второй главе описаны экспериментальные методы исследования процесса стружкообразования и формирования обработанной поверхности, а также дано обоснование объекта исследования.

В качестве обрабатываемого материала использовались конструкционные стали (сталь 20, Ст. 3, 40Х), труднообрабатываемые (титановый сплав ВТ22) и цветные сплавы (Д16), которые обеспечивали широкий диапазон физико-механических свойств обрабатываемых материалов, различные условия контактного взаимодействия и различные деформационные процессы.

Исследовались процессы, происходящие при токарной обработке, с помощью которой можно наиболее легко моделировать различные условия контактного взаимодействия при резании. Точение проводили на токарном станке мод. 16К20ФЗ резцом со следующими геометрическими параметрами: ф = 45°, (р1 = 45°, а = 10°, у = 5°, X = 0°. Усадка стружки определялась весовым методом.

Для исследования микро- и мезоструктуры срезаемого слоя и обработанной поверхности широко использовалась компьютерная металлография, основанная на программной обработке цифровых изображений структур. Образцы для микроструктурного анализа срезаемого слоя, стружки и обработанной поверхности получали с помощью специального устройства — откидного резца. Цифровое изображение микроструктур получали на металлографическом микроскопе «Микро-200» при 400- и 1000-кратном увеличении. Обработка изображений осуществлялась с помощью программы Image.Pro.Plus.5.1, в результате которой определялись периметр (Р,) и площадь каждого микроструктурного объекта (Р.), фрактальная размерность границ зерен и раздела фаз (В,) и количество микроструктурных объектов (п) на единичной плошади поверхности металлографического шлифа. На одной фотографии микроструктуры при 400-кратном увеличении фиксировалась площадь поверхности шлифа 250x280 мкм, на которой располагалось от 500 до 2500 микрообъектов, поэтому математическая обработка изображений предусматривала использование статистических критериев.

Для количественной оценки интерфейса структурного состояния исследуемого объекта на микро и мезомасштабном уровне использовались следующие показатели:

- плотность границ зерен и раздела фаз, вычисляемая по формуле

- параметр структурной организации, вычисляемый по формуле

(2)

Твердость измерялась на микротвердомере НМУ при нагрузке 0,49 Н.

Для исследования шероховатости обработанной поверхности осуществлялась комплексная оценка с помощью специального стенда, которая включает рабочий стол для установки исследуемой заготовки и профило-метр мод. 296, подключенный через интерфейс к РС 1ВМ, с помощью которого снимались профилограммы поверхности в цифровом виде. Последующая обработка полученной информации проводилась с помощью программы 1)у-пАпа1угег,

Май, А В для получения стандартных параметров шероховатости, выделения микронеровностей разных масштабных уровней и Фурье анализа.

В третьей главе на основе векторного анализа скоростей резания определены кинематические характеристики процесса стружкообразования, ответственные за деформационные процессы и структурные изменения микро-и мезомасштабного уровня. Приведены основные закономерности проявления физической мезомеханики применительно к процессу резания материалов.

Физическая мезомеханика представляет пластическую деформацию как кинематический процесс образования и развития дефектов кристаллического строения. Функционирование диссипативных структур рассматривается как динамика потока носителей пластической деформации, охватывающих разные масштабные уровни. Математический аппарат физической мезомеханики базируется на термодинамике неравновесных систем и синергетике, но применительно к деформационным процессам резания требует привлечения новых количественных показателей интерфейса структурного состояния, а также уточнения синергетического алгоритма структурных изменений стружкообразования и формирования обработанной поверхности.

Векторный анализ скоростей резания определяет направление движения отдельных слоев срезаемого материала, положение и форму плоскости сдвига, а также характер распределения угла сдвига по сечению стружки. Скорости перемещения разных слоев срезаемого материала отличаются в зависимости от глубины залегания, поэтому положение плоскости сдвига в разных слоях стружки характеризуется своим углом сдвига. Угол сдвига внутренних слоев принимает максимальные значения, что соответствует более высокой степени пластической деформации и более высокой скорости

скольжения стружки относительно передней поверхности инструмента за счет раздачи элементов срезаемого слоя, подверженных сжатию.

Основными составляющими структурной организации мезомасштабно-го уровня являются фрагментированные элементы, образующиеся как при стружкообразовании, так и формировании обработанной поверхности. Фраг-ментированные элементы стружки представляют пластинчатые образования, ширина (5) которых уменьшается, а их плотность (р = 1/8) возрастает с повышением скорости резания (рисунок 1). Диссипативные потоки при стружкообразовании возникают как результат работы внутреннего трения на границах раздела фрагментированных элементов при их смещении относительно друг друга. С увеличением количества фрагментированных элементов активность диссипативных каналов возрастает за счет повышения плотности границ раздела. Смещение фрагментированных элементов срезаемого слоя происходит во всех направлениях ортогональных вектору деформаций сжатия. в том числе по направлениям к внутренней поверхности стружки, на которых также просматриваются мезоструктуры.

р, м"1

1 и - I |-1-

О 1 2 3 V м/с

Рисунок 1. Влияние скорости резания на плотность фрагментации стружки при точении стали марки 09X17И7Ю

Контактное взаимодействие срезаемого слоя с передней поверхностью режущего клина создает дополнительные диссипативные потоки за счет ротационных мод фрагментированных элементов, структурную организацию которых можно оценивать фрактальной размерностью. С повышением фрактальной размерности диссипативные свойства структуры возрастают. Аналогичные процессы протекают при трении задней поверхности режущего клина с обработанной поверхностью, формируя специфическую поверхностную структуру.

Четвертая глава посвящена исследованию деформационных процессов стружкообразования и формирования обработанной поверхности на

основе количественного анализа интерфейса их структурного состояния, показана роль мезомасшгабного уровня в развитии диссипативных структур

Исследования, выполненные совместно с A.A. Шпилевой показали, что высокие скорость и степень пластической деформации срезаемого слоя приводят к тому, что структура стружки отличается от традиционного зёренного строения, и для описания интерфейса её структурного состояния необходимо использовать специальные количественные показатели.

В качестве такого показателя было предложено бинарное множество {q, D}, состоящее из совокупности сопряженных между собой плотности границ каждого микроструктурного объекта (q) и фрактальной размерности его границ (D). Отличительной особенностью предлагаемого показателя является возможность количественной оценки как зёренной, так и незёренной структурной организации, наличия в ней статистической компоненты и возможность графического представления.

На рисунке 2 представлена микроструктура срезаемого слоя на разной стадии стружкообразования. Стружка в начальной зоне сдвига еще сохраняет зернистость (рисунок 2, б), а после прохождения зоны первичной деформации теряет зёренное строение.

Рисунок 2. Микросгруюура стружки на разной стадии деформационного процесса (хЮОО): а - исходная микроструктура; б — начальная зона сдвига; в — конечная зона сдвига; г — сформированная стружка

На рисуике 3 представлена динамика изменения бинарного множества (Я, О} при структурных превращениях срезаемого слоя на разных стадиях стружкообразования. При сохранении структурой зёренной организации основные деформационные процессы протекают внутри кристаллитов, или на микромасштабном уровне. В этом случае с ростом степени пластической деформации наблюдается незначительное снижение средней плотности границ зёрен, повышение фрактальной размерности и увеличение диапазона рассеивания бинарного множества в целом.

Рисунок 3. Бинарное тожество {9,0} на разных стадиях развития стружки: 1 - исходная структура, 2 — начальная зона сдвига, 3 - верхняя зона сдвига;

4 - сформированная стружка

Дальнейшее развитие стружки сопровождается переходом деформационного процесса на мезомасштабный уровень. Структура теряет зёренное строение и представляется как совокупность фрагментированных мезомас-штабных объектов, имеющих свои границы раздела. Переход деформационного процесса с микро- на мезомасштабный уровень сопровождается резким скачком изменения бинарного множества, при этом плотность границ фрагментированных элементов уменьшается более чем в 5 раз по сравнению с плотностью границ зёрен, а фрактальная размерность менее чем в 1,25 раза. Незначительное отличие фрактальной размерности исходной структуры обрабатываемого материала и сформировавшейся стружки указывает, что деформационный процесс стружкообразования необходимо рассматривать только в совокупности фрактальной размерности (О) и плотное™ границ (<}).

Дальнейшее развитие структуры стружки приводит к незначительному снижению плотности границ раздела, их фрактальной размерности и диапазона рассеивания бинарного множества в целом. Следовательно, переход деформационного процесса с микро на мезомасштабный уровень сопровожда-

ется инверсией направления, изменения фрактальной размерности границ раздела.

Границы фрагментированных элементов, имеющих низкую фрактальную размерность, при пластической деформации характеризуются большей подвижностью. Роль таких границ раздела в диссипативных процессах возрастает по мере снижения фрактальной размерности.

Рисунок 4. Микроструктура поверхностного слоя (слева) и ее преобразованный вид (справа) с выделенными границами раздела. Точение стали 3 резцом из ВОКбО, (х400). 1 - режимы резания V = 10 м/с, S = 0,085 мм/об; 2 -V = 13.3 м/с, S = 0.085 мм/об; 3 - V = 13,3 м/с, S = 0,115 мм/об

1.3

На рисунке 4 показаны микроструктуры обработанных поверхностей, полученные точением стали 3 резцом с пластинкой из оксидной керамики ВОК 60. Выбор высокоскоростных режимов резания обосновывался обеспечением высокой температуры и ее градиента, на фоне которых структурные изменения в обрабатываемом материале протекают более активно. Структурная организация поверхностного слоя носит градиентный характер. Приведенные структуры имеют зёренное строение. Искажения формы зёрен от равноосных возрастает по мере приближения их из глубины к поверхности, указывая на более высокую степень пластической деформации.

Нарушение зёренной организации имеет место только в самом верхнем слое, подверженном наиболее высокой пластической деформации за счет контактного взаимодействия с задней поверхностью режущего клина. В качестве количественной характеристики структуры, в этом случае, был принят параметр структурной организации Ос.

Обработанная поверхность, полученная резанием, проходит все разномасштабные стадии деформационного процесса, но степень их завершенности зависит от глубины залегания слоя. Деформация глубинных слоев протекает на микромасштабном уровне, а с приближением к поверхности наблюдается постепенный переход на мезомасштабиый. Положение и размер зоны такого перехода определяется режимами резания и контактного взаимодействия обрабатываемого материала с задней поверхностью режущего клина.

Мезоструктурная фрагментация обработанной поверхности проявляется в упорядоченной ориентации групп зерен, объединенных общей границей раздела, формирующей текстуру деформации. Плотность таких границ при приближении к поверхности возрастает, указывая на более высокую степень пластической деформации. Градиентный характер изменения мезоструктур отражается на эпюре распределения параметра <3с по глубине (рисунок 5).

Рисунок 5. Распределение показателя <2с по глубине обработанной поверхности (точение стали 3 резцом из ВОКбО); 1 -при точении V = 10 м/с, Б = 0,085 мм/об; 2 - V = 13,3 м/с, 8 = 0,085 мм/об; 3 - V = 13,3 м/с, Б = 0,115 мм/об, 4 - исходная структура обрабатываемого материала

Распределение твердости по глубине обработанной поверхности аналогично характеру изменения параметра <3с, и это подтверждается линейной зависимостью между ними, которая для стали 40Х принимает вид:

Ни = 8,628(3, + 474,341 (3)

Аналогичные зависимости были получены для ряда конструкционных сталей и сплавов, структура которых формировалась различными видами механической и термической обработки.

Зависимость глубины деформированного слоя и параметра организации структуры от режимов резания определяли методом факторного планирования эксперимента, на основании которого были получены эмпирические уравнения, которые для конструкционной стали 40Х имеют вид:

дс = 26,642 V013 Б0 4", мкм1 (4)

Ь = 89,258У°!°2б80'317, мкм (5)

где V - скорость резания, м/мин; Б - подача, мм/об.

Полученные зависимости можно использовать для прогнозирования структурного состояния и физико-механических свойств обработанной поверхности, полученной механической обработкой.

В пятой главе выполнен анализ шероховатости обработанной поверхности как результата динамических процессов деформации и разрушения срезаемого слоя, протекающих на разномасштабных структурных уровнях.

Шероховатость характеризует рельеф поверхности, на которой проявляется большинство процессов, вызванных пластической деформацией и разрушением обрабатываемого материала. Неровности поверхности от кинематических режимов процесса резания (частота вращения заготовки и подача) образуют периодический рельеф с относительно большим шагом и высотой. Поверхность разрушения мезомасштабного уровня создает шероховатость с более низкими геометрическими характеристиками, а поверхности разрушения, проходящие по границам зёрен и внутри них, образуют шероховатость с малым шагом и высотой. Таким образом, между структурной организацией поверхностного слоя и шероховатостью наблюдается тесная связь.

Профилограмма шероховатости отображает траекторию перемещения алмазного наконечника, ощупывающего исследуемую поверхность, и с формальной точки зрения представляет диаграмму колебательного процесса, к которой применим Фурье-анализ и другие технологии обработки периодического сигнала. Для удобства использования программной реализации преобразования Фурье амплитуды шероховатости представлялись в электрических величинах в виде магнитуд колебательного процесса, а связь между частотой шероховатости и шагом микронеровности представлялась в виде зависимости:

и

ю = -, в

где со - частота; s - шаг микронеровности; и - скорость трассирования датчика, равная 1,0 мкм/с.

На рисунке 6 представлен спектр мощности, построенный на основании Фурье анализа профилограммы шероховатости обработанной поверхности алюминиевого сплава Д16 (t = 1,0 мм, S = 0,13 мм/об, п = 250 мин4). На спектре присутствуют несколько характерных пиков. Частота вращения заготовки соответствует области ~ 4,2 кГц, более низкие частоты связаны с влиянием подачи. Максимальный пик вызван динамикой технологической системы «станок-приспособление-инструмент-заготовка», а остальные являются проявлением деформации и разрушения обрабатываемого материала на разных масштабных уровнях. Аналогичные спектры имеют место при точении конструкционной стали 40Х и титанового сплава ВТ20, на которых проявляются аналогичные пики, при этом диапазоны низкочастотных пиков совпадают, так как точение осуществлялось на одних и тех же режимах резания. Диапазоны высокочастотных пиков незначительно отличаются и носят индивидуальный характер в зависимости от обрабатываемого материала.

Вт

110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

(Л ОЭ Г- Щ Щ ^ Ой Г4 щ іл ^ '

см эт Ч-" ш'ЧоКоо'т" СМ ГЛ тс іл «МИОІО

Рисунок 6. Спектр мощности профилограммы шероховатости (материал: алюминиевый сплав Діб)

Выделив фрагмент спектра мощности вблизи каждого пика и произведя обратное преобразование Фурье, можно определить долевое участие каждого фактора и масштабного уровня в формировании суммарной шероховатости. На рисунке 7 показана шероховатость обработанной поверхности при различных подачах, а на рисунке 8 - вклад каждого частотного диапазона.

Долевое участие каждого частотного диапазона зависит от свойств обрабатываемого материала, но влияние подачи и кинематических режимов резания является доминирующим в формировании показателя

Рисунок 7. Влияние ігодачи на шероховатость обработанной поверхности при точении: 1 — сталь 40Х; 2 - Діб; 3 — ВТ20

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 8, мм/об

Рисунок 8. Вклад отдельных частотных диапазонов на шероховатость обработанной поверхности при точении: а - сталь 40Х; б - сплав Д16; в - сплав ВТ20: 1 - 1..2,5кГц, 2-3...6кГц, 3-7...9кГц, 4-выше 10кГц.

Вклад деформационно-разрушающих процессов микро- и мезомас-штабных уровней различается незначительно, но более активное участие мезомасштабных процессов проявляется достаточно четко.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе принципов физической мезомеханики выявлены и описаны структурно-деформационные стадии стружкообразования и формирования обработанной поверхности, связанные с активностью носителей пластической деформации микро- и мезомасштабных уровней. Показано, что микроструктурные изменения при пластической деформации приводят к повышению развитости границ зерен, а мезоструктурные - к образованию фраг-ментированных структур и границ раздела между ними с более низкой фрактальной размерностью. Эта закономерность проявляется как при стружкооб-разовании, так и формировании структуры обработанной поверхности.

2. Выполнен скоростной векторный анализ процесса резания, раскрывающий кинематику стружкообразования, ответственную за деформационные процессы мезомасштабного уровня, на который приходится основная диссипативная нагрузка. Характер изменения сдвиговых скоростей разных слоев срезаемого материала позволяет прогнозировать направление деформационного процесса стружкообразования.

3. Дано обоснование количественных показателей микроструктуры, в частности, параметр структурной организации и бинарное множество, включающие плотность гранип зерен и их фрактальную размерность, позволяющие описывать процессы структурных изменений обрабатываемого материала при резании.

4. Получены эмпирические зависимости распределения количественных показателей структурной организации (С)с) по глубине обработанной по-

верхности. Показано, что глубина изменённого слоя зависит от режимов резания и составляет 150...250 мкм, а структурная фрагментация проявляется в виде текстурированных мезограниц, степень упорядоченности которых подтверждается их низкой фрактальной размерностью (О) в пределах от 1 до 1,2.

5. Получены эмпирические зависимости между твердостью и параметром структурной организации ((}<;), а также глубины измененного поверхностного слоя от режимов точения при обработке конструкционных сталей.

6. Шероховатость обработанной поверхности является результатом пластической деформации и разрушения обрабатываемого материала, протекающих на разных масштабных уровнях и коррелирующих со структурной организацией материала. Установлено, что наибольшее влияние на шероховатость оказывают кинематические возмущения процесса резания, характеризующиеся низким частотным диапазоном, определяемым с режимами резания. Доля этого фактора в формировании шероховатости, оцениваемой по Яа, составляет от 35 до 45 %.

Основные положения диссертации отображены в публикациях: Список публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Отряскина, Т. А. Влияние пластической деформации при резании металлов на микроструктуру поверхностного слоя / Т. А. Отряскина, В. А. Ким // Ученые записки КнАГТУ. Наука о природе и технике. — 2010. — № 2. — С. 88-92.

2. Ким, В. А. Исследование деформационных свойств обработанной поверхности / В. А. Ким, Е. Б. Щелкунов, Т. А. Отряскина // Металлообработка. - 2010.-№ 6. - С. 35-38.

3. О возможностях управления свойствами твердосплавного инструмента / Б. Я. Мокрицкий, П. А. Саблин, Т. А. Отряскина, Е. Ю. Соболев, Д. А. Пустовалов // Металлургия машиностроения-2012. - № 5. - С. 34-37.

Список публикаций в других изданиях

4. Развитие поверхностных структур при трении / В. А. Ким, А. А. Шпилева, Т. А. Отряскина, И. В. Белова // Прикладные задачи механики деформируемого твердого тела и прогрессивные технологии в машиностроении : сб. ст. Вып. 3. Ч. 2. - Комсомольск-на-Амуре : ДВО РАН, 2009. -С. 141-149.

5. Влияние микроструктуры конструкционных и легированных сталей на износостойкость / В. А. Ким, Р. В. Кургачев, А. А. Шпилева, Т. А. Отряскина // Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов : материалы Междунар. науч.-техн. конф. В 3 ч. Ч. 3. - Комсомольск-на-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ», 2009. - С. 44-46.

6. Отряскина, Т. А. Мезомеханика процесса стружкообразования / Т. А. Отряскина, В. А. Ким // Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов : материалы Междунар. науч.-техн. конф. В 3 ч. Ч. 2. - Комсомольск-на-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ», 2009. -С. 286-291.

7. Отряскина, Т. А. Исследование шероховатости обработанной поверхности с использованием Фурье-преобразования / Т. А. Отряскина // Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы : материалы Международного симпозиума. Том 2. — Комсомольск-на-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ», 2010. - С. 63-67.

8. Отряскина, Т. А. Влияние угла действия на процесс стружкообразо-вания / Т. А. Отряскина // Вестник ГОУВПО «КнАГТУ» : сб. науч. тр. - Комсомольск-на-Амуре, 2009. - С. 145-149

9. Отряскина, Т. А. Физические основы мезомеханики пластической деформации и разрушения твердых тел / Т. А. Отряскина // Вестник ГОУВПО «КнАГТУ» : сб. науч. тр. - Комсомольск-на-Амуре, 2009. - С. 150155.

Отряскина Татьяна Александровна

ПРОГНОЗИРОВ АНИЕ ТВЕРДОСТИ И ШЕРОХОВАТОСТИ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ОСНОВЕ ДЕФОРМАЦИОННО-СТРУКТУРНЫХ ПРОЦЕССОВ РЕЗАНИЯ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 21.02.2013. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Ризограф RIZO EZ 570Е. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,10. Тираж 100 экз. Заказ 25399.

Полиграфическая лаборатория Федерального государственного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Комсомольский на Амуре государственный технический университет» 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27.

Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет

На правам рукописи

/

Отряскина Татьяна Александровна

УДК 621.9.026

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТВЕРДОСТИ И ШЕРОХОВАТОСТИ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ОСНОВЕ ДЕФОРМАЦИОННО-СТРУКТУРНЫХ ПРОЦЕССОВ РЕЗАНИЯ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование

механической и физико-технической обработки

ю

ю „

10 £

со 8

ип

О о

СМ £

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

В. А. Ким

Комсомольск-на-Амуре, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ 2

ВЕДЕНИЕ................................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ МЕХАНИКИ ПРОЦЕССА

РЕЗАНИЯ....................................................................................................................................................................9

1.1 Механика процесса резания как теоретическая основа оптимизации геометрии режущего инструмента и качества механической обработки..................................................................................................................................................9

1.2 Деформационные процессы стружкообразования.......,....................14

1.3 Деформационные процессы резания на основе дислокационного подхода..........................................................................................................................................20

1.4 Кинематика процесса стружкообразования..................................................24

1.5 Термодинамика процесса резания..........................................................................28

1.6 Мезомеханика пластической деформации как основа нового подхода к деформационным процессам..........................................................................34

1.7 Обоснование цели и задачи исследования......................................................37

ГЛАВА 2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ........................39

2.1 Обоснования объекта исследования и обрабатываемых материалов ....................................................................................................................................39

2.2 Методика исследования микроструктуры срезаемого слоя и обработанной поверхности............................................................................................42

2.3 Методика определения параметров шероховатости..............................46

2.4 Методика определения параметров стружкообразования................48

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ МЕЗОМЕХАНИКИ 50

ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ.......................

3.1 Векторный анализ процесса стружкообразования......................................50

3.2 Мезомеханика процесса стружкообразования..............................................60

3.3 Прогнозирование процесса резания на основе мезомеханики стружкообразования................................................................................................................71

3.4 Выводы........................................................................ 84

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ СТРУЖКООБРАЗОВАНИЯ........................................................... 86

4.1 Подготовка образов для количественного структурного анализа............................................................................ 86

4.2 Анализ структурных изменений при стружкообразовании....... 90

4.3 Анализ структурных изменений при формировании обработанной поверхности........................................................ 99

4.4 Исследование связи между структурной организации обработанной поверхности и ее микротвердость............................. 104

4.5 Выводы........................................................................ 112

ГЛАВА 5. ШЕРОХОВАТОСТЬ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ,

КАК РЕЗУЛЬТАТ РАЗНОМАСШТАБНЫХ СТРУКТУРНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ....................................................... 113

5.1 Термодинамика шероховатости обработанной поверхности при резании металлов........................................................... 113

5.2 Фурье анализ шероховатости обработанной поверхности......... 120

5.3 Анализ разномасштабных механизмов образования шероховатости при резании.......................................................... 122

5.4 Выводы...................................................................... 130

5.5 Описание вариантов практического внедрения заключение .... 131

ЗАКЛЮЧЕНИЯ.......................................................................... 132

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................. 134

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................ 147

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. В основе лезвийной механической обработки лежат процессы пластической деформации и разрушения обрабатываемого материала, протекающие с высокими и сверхвысокими скоростями. Механика процесса резания служит теоретической и методологической базой для оптимизации геометрии режущего инструмента, режимов резания и прогнозирования качества механической обработки. Все известные на сегодняшний день закономерности процесса резания металлов получены на основе силовых и кинематический соотношений механики стружкообразова-ния, разрушения и контактного взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов.

С внедрением в машиностроение труднообрабатываемых и жаропрочных материалов, высокоскоростных и комбинированных методов механической обработки традиционные подходы к оптимизации процесса резания оказываются малоэффективными, что связано с особенностью высокоскоростной пластической деформации и структурными превращениями, деформационным упрочнением и структурной приспосабливаемостью режущего инструмента.

В настоящее время структурные превращения при пластической деформации материала рассматриваются с новых позиций - физической мезо-механики, ставшей неотъемлемой частью физики твердого тела и теории разрушения. Физическая мезомеханика предполагает наличие множества разномасштабных носителей пластической деформации, базируется на термодинамике неравновесных процессов. В физической мезомеханике мезомас-штабному уровню отводится особая роль, в котором протекают наиболее активные диссипативные процессы, обеспечивающие синергетический алгоритм развития структур.

Для описания синергетических процессов, происходящих на мезомас-штабном уровне, разработан математический аппарат, позволяющий прогно-

\

зировать физико-механические свойства материала, подверженного пластической деформации. Приложение физической мезомеханики к резанию материалов позволяет глубже понять физику этого процесса и раскрывает новые пути для прогнозирования и модернизации механической обработки. Процесс резания металлов является объектом изучения физической мезомеханики и одновременно удобной моделью высокоскоростного деформационного процесса.

Достигнутые успехи в исследовании процесса резания требуют постоянного уточнения в связи с совершенствованием знаний в ряде смежных областей и наук. Так, для количественного описания структурных изменений обрабатываемого материала на микро и мезомасштабном уровне необходима разработка количественных показателей интерфейса структурного состояния срезаемого слоя и обработанной поверхности. В этом направлении выполнена данная работа.

Актуальность темы исследования определяется возможностью более глубокого подхода к изучению процесса резания с позиций неравновесной термодинамики и физической мезомеханики, к разработке новых методов оптимизации, а также к прогнозированию и оценке качества механической обработки.

Цель диссертации. Исследование деформационных процессов обрабатываемого материала при резании на основе принципов физической мезомеханики для прогнозирования твердости и шероховатости обработанной поверхности и количественного описания структурных изменений при стружкообразовании.

Основные задачи диссертации

1. Разработать количественные характеристики микро- и мезоструктур на основе термодинамики фазово-структурных превращений и теории резания материалов для оценки деформационных процессов при механической обработке.

2. Разработать методику определения с использованием компьютерной металлографии микро- и мезоструктурных характеристик процесса стружко-образования и формирования обработанной поверхности.

3. Выявить комплекс зависимостей влияния режимов резания на микро- и мезоструктурные характеристики деформации срезаемого слоя и обработанной поверхности.

4. Исследовать шероховатость обработанной поверхности как результат разномасштабного процесса деформации обрабатываемого материала и его разрушения.

5. Разработать практические рекомендации для прогнозирования микротвердости и оценки шероховатости обработанной поверхности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен количественный показатель интерфейса структурного состояния срезаемого слоя при стружкообразовании, представляющий бинарное множество {ч, Б} (плотность границ микроструктурных объектов и их фрактальную размерность), позволяющий описывать структуру материала после интенсивной пластической деформации, в котором не выявляется зёренная организация.

2. Установлено, что по мере прохождения срезаемого слоя зоны сдвига и превращения его в стружку меняются носители пластической деформации и переход активности деформационного процесса с микромасштабного уровня на мезомасштабный. Этот переход отражается на бинарном множестве

Б} и заключается в резком снижении (почти на порядок) плотности и инверсии направления фрактальной размерности границ раздела.

3. Выявлено, что развитие текстуры деформации обработанной поверхности является результатом мезоструктурной фрагментации, а их упорядоченная организация представляет активные диссипативные структуры, которые можно количественно оценить с помощью параметра структурной организации (2с и фрактальной размерностью границ раздела Б фрагментирован-

ных элементов. С повышением упорядоченности мезоструктуры фрактальная размерность границ и параметр их структурной организации снижаются.

4. Дана количественная оценка влияния различных масштабных уровней процессов пластической деформации и разрушения обрабатываемого материала на шероховатость обработанной поверхности и показана доминирующая роль кинематики и динамики процесса резания.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Получен комплекс эмпирических зависимостей между параметрами интерфейса структурного состояния, режимами резания и свойствами обрабатываемого материала, позволяющий прогнозировать структуру, микротвердость и шероховатость обработанной поверхности, а также оптимизировать режимы резания для обеспечения необходимого структурного состояния обработанной поверхности.

Результаты работы внедрены на ЗАО «Завод твёрдых сплавов», ООО НПП «Унитех» (г. Комсомольск-на-Амуре) и использованы в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Комсомольский - на - Амуре государственный технический университет».

На защиту выносятся:

- методология исследования процесса лезвийной механической обработки с привлечением принципов физической мезомеханики;

- количественный показатель интерфейса структурного состояния срезаемого слоя - бинарное множество Б} и методика его определения;

- результаты исследований структурных изменений при стружкообра-зовании, раскрывающие механизм формирования фрагментированных элементов стружки при прохождении зоны сдвига и перехода деформационного процесса с микро на мезомасштабный уровень; \

- установленные закономерности образования фрагментированных элементов при формировании обработанной поверхности;

- новая методика, разработанная на основе принципов физической ме-зомеханики, прогнозирования структурного состояния и микротвердости обработанной поверхности при точении конструкционных сталей

Апробация работы.

Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на: региональной научно-технической конференции «Вестник» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2009г); международной научно-технической конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2009г.); международном симпозиуме «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2010г.); ежегодной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Комсомольск-на-Амуре).

Основные положения и результаты работы докладывались также на научных семинарах кафедр «Технология машиностроение» и «Материаловедение и технология новых материалов» ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (2005 -2012 г.). v

Публикации. Основные положения диссертации отражены в девяти печатных работах, три из которых - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

Автор выражает свою признательность и благодарность:

- доктору технических наук Б.Я. Мокрицкому и за оказанную помощь в работе, при обсуждении результатов исследований, написании и представлении данной работы к защите.

- коллективу кафедры «Технологии машиностроения» КнАГТУ, кандидату технических наук Е.Б. Щелкунову, кандидату технических наук A.C. Хвостикову за помощь в организации и проведении экспериментальных исследований, обсуждении полученных результатов и замечаний, способствовавшие улучшению содержания диссертации.

S

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ МЕХАНИКИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

Обработка материалов резанием, не смотря на активное развитие других методов формообразования, остается востребованной, и в общем объеме

трудоемкости механической обработки в машиностроении стабильно удер-

\

живает 30...45%. Обработка резанием позволяет достигать самую высокую точность и низкую шероховатость поверхности, и практически не имеет ограничений в создании поверхностей сложной формы.

Теоретические исследования в области лезвийной обработки, к сожалению, не привели к прорыву в области прогнозирования качества механической обработки, поэтому эта область знаний во многом остается эмпирической. Тем не менее, интерес к теоретическим методам исследования процесса резания остается достаточно высоким, так как в этой области знаний заложены большие скрытие резервы управления и прогнозирования механической обработки и стойкости режущего инструмента.

1.1 Механика процесса резания как теоретическая основа оптимизации геометрии режущего инструмента и качества механической обработки

Основой процесса резания металлов является пластическая деформация срезаемого слоя, в результате чего он превращается в стружку, и обработанной поверхности. Под действием режущего инструмента срезаемый слой подвергается сжатию в свободных условиях, которое сопровождаются упругими и пластическими деформациями. Пластическое деформирование заключается в сдвиге одних слоев относительно других по плоскостям сколь-

жения, направление которых определяется фактором Шмида. Сдвиги могут происходить между отдельными частицами кристаллического зерна и между самими зернами в поликристалле; в результате чего изменяется форма зерен, их размер и взаимное расположение. Процесс пластического деформирования сопровождается большим тепловыделением и изменением свойств металла; одним из таких изменений является повышением твердости или деформационное упрочнение [21,16]

Стружкообразование в значительной степени определяет процесс резания в целом и его результаты. Сам же процесс стружкообразования зависит от различных факторов и имеет свою специфику при свободном и несвободном резании, при прямоугольном и косоугольном резании. Однако основные закономерности процесса стружкообразования являются общими для всех случаев резания. Поэтому их можно рассматривать применительно к самому простому случаю стружкообразования - прямоугольному свободному резанию [17].

Всякий процесс пластической деформации имеет сдвиговую природу и поэтому он характеризуется линиями действия максимальных касательных напряжений, т.е. характеристиками.

Если исходить из общих свойств характеристик, то при отсутствии сил трения на контактных поверхностях можно охарактеризовать напряженное состояние в зонах, непосредственно примыкающих к переходной кривой (зона А) и к режущей кромке (зона В), линиями сдвигов, изображенными на рисунке 1.1.

Линии сдвигов в зоне А представляют собой два семейства взаимно ортогональных кривых, причем угол между касательными к паре соседних кривых одного семейства остается постоянным при движении вдоль этих линий. В точках пересечения с переходной кривой касательные к линиям скольжения и нормали к переходной кривой образуют угол я/4. Это связано с тем, что нормали к переходной кривой совпадают по направлению с одной из главных напряжений. В зоне В можно рассматривать три области. Область

\

М1 ОМ2 характеризуется двумя семействами прямых взаимно ортогональных линий сдвигов, пересекающих переднюю поверхность под углами, равными я/4. Область М2ОМ3 имеет особую точку О, через которою проходит одно семейство линий скольжения в виде пучка прямых. Второе семейство представляет концентричные дуги окружностей. В области М3ОМ4 линии скольжения прямые и пересекают заднюю поверхность под углом я/4, если предполагать, что место контакта задней поверхности с обработанной поверхностью [32].

Рисунок 1.1 С