автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Создание методов математического моделирования и управления процессами трибоокислительного и диффузионного износа инструмента при механической обработке металлов

На правахрукописи

Дементьева Наталья Геннадьевна

СОЗДАНИЕ МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ТРИБООКИСЛИТЕЛЬНОГО И ДИФФУЗИОННОГО ИЗНОСА ИНСТРУМЕНТА ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ

Специальность: 05.13.01 -«Системный анализ, управление и обработка информации»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград- 2005 г.

Работа выполнена на кафедре прикладной математики Волгоградского государственного технического университета

Научный руководитель:

доктор технических наук , профессор

Козлов Аркадий Аркадьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук ,

профессор

Рябчук Григорий Владимирович,

доктор технических наук, профессор

Куликов Михаил Юрьевич

Ведущая организация:

ОАО ВНИИинструмент, г. Москва

Зашита состоится « 1 » июля 2005 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 063 76 04 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400131, Волгоград, проспект Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «3/» »ЛлСЛгЛ. 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Водопьянов В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В настоящее время доминирующими технологическими процессами размерной обработки металлов в современном машиностроении являются методы лезвийной механической обработки. Более того, как показывают экспертные оценки, эта тенденция сохранится в будущем.

Во всех отраслях промышленности связанных с механической обработкой металлов, повышение производительности и снижение себестоимости в значительной мере определяется повышением эффективности самого процесса механической обработки, т.е. процесса резания металлов.

Стойкость режущего инструмента является одним из основных факторов, определяющих экономические показатели механической обработки. В связи с Этим повышение работоспособности режущего инструмента является актуальной задачей современного машиностроения.

Сейчас можно утверждать, что основными процессами, определяющими работоспособность инструмента, являются трибоокислительные и диффузионные механизмы износа. Причем диффузионные механизмы износа инструмента на сегодняшний день достаточно изучены в отличии от роли трибоокислительных процессов. Вышеуказанное обстоятельство связано с тем, что трибоокислительные процессы являются принципиально экзотермическими.

Это означает, что данные реакции происходят с выделением тепла в контактной зоне и при определенных технологических условиях могут создаваться предпосылки для развития этих реакций в неустойчивом режиме по механизму «теплового взрыва» в смысле академика Семенова Н.Н.

Поэтому, можно утверждать, что трибоокислительный механизм износа будет доминирующим по сравнению с диффузионным, если гетерогенная реакция окисления на контактных поверхностях инструмента при опреде-

ленных технологических режимах неустойчива. При этом скорость гетерогенной реакции будет практически неограниченна по сравнению с диффузионными процессами. Если гетерогенная реакция протекает в устойчивом режиме, то ее скорость ограничена, и утверждать о доминирующей роли трибо-окислительных или диффузионных процессов в износе инструмента можно только, оценив интенсивность соответствующих потоков. Естественно, что оценку соответствующих потоков для быстрорежущего инструмента необходимо проводить в диапазоне температур не превышающих температуру рекристаллизации, соответствующей быстрорежущей стали. При более высоких температурах согласно фундаментальным исследованиям Кремнева Л.С., Си-нопальникова В.А. износ и разрушение быстрорежущего инструмента происходит в результате развития процессов микроползучести и динамической рекристаллизации режущего клина.

Поэтому для оценки интенсивности диффузионных и трибоокисли-тельных износов необходимо определить критерии неустойчивости развития гетерогенной реакции окисления на контактных поверхностях инструмента. Последнее, особенно актуально при механической обработке жаропрочных сплавов.

В связи с выше изложенным, определение критериев неустойчивости гетерогенных окислительных реакций на контактных поверхностях инструмента для направленного управления процессами износа с целью установления кардинальных технологических решений по интенсификации процессов механической обработки является важной научно-технической проблемой.

Актуальность работы подтверждена ее выполнением в рамках Государственного контракта с Федеральным космическим агентством от 18.04.2003 №753-Т366/03, а также в рамках программы Министерства образования и науки РФ «Производственные технологии».

Цель работы и задачи исследования!

Целью настоящей работы является интенсификация процессов механической обработки на основе анализа интенсивности экзотермических гетерогенных реакций окисления и диффузионных процессов на контактных поверхностях инструмента, для создания методов управления процессами износа при механической обработке.

В соответствии с указанной целью работы были поставлены следующие задачи диссертационного исследования:

• Проанализировать экспериментальные и теоретические данные, которые позволили бы утверждать, что доминирующую роль в износе контактных поверхностей инструмента при механической обработке металлов определяют диффузионный и трибоокислительный процессы.

• Получить систему дифференциальных уравнений, определяющих динамику гетерогенных окислительных реакций на контактных поверхностях инструмента, выписанной в так называемой связанной постановке, т.е. с учетом экзотермичности окислительных процессов.

• Получить критерии неустойчивости развития окислительных процессов, на примере, квазистационарного решения системы дифференциальных уравнений определяющих динамику гетерогенных процессов окисления на контактных поверхностях инструмента, выписанной в связанной постановке, т.е. с учетом экзотермичности.

• Получить критерии развития неустойчивости гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента на базе полной системы дифференциальных уравнений, выписанной в связанной постановке и определяющих динамику развития окислительного процессов.

• Провести численное моделирование нелинейных дифференциальных уравнений определяющих развитие процессов гетерогенного окисления на контактных поверхностях.

• Определить интенсивности диффузионных процессов и гетерогенных окислительных процессов, что позволило бы разработать системный подход по управлению процессами износа инструмента.

Научная новизна:

• Впервые решена задача о развитии трибоокислительных процессов износа инструмента. Получены критерии развития неустойчивости гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента на базе полной системы дифференциальных уравнений, выписанной в связанной постановке и определяющих динамику развития окислительного процессов.

• Проведено численное моделирование нелинейных дифференциальных уравнений определяющих развитие процессов гетерогенного окисления на контактных поверхностях.

• Определены интенсивности диффузионных и гетерогенных окислительных процессов, что позволило разработать системный подход по управлению процесса износа инструмента.

Практическая ценность.

Развитые в настоящей работе представления, позволили предложить научно обоснованные технологические методы управления процессами износа инструмента с целью интенсификации процессов механической обработки.

Созданы математические методы, позволяющие управлять процессами износа инструмента.

Методы исследования.

Для решения поставленной задачи использовались методы математического и численного моделирования, методы уравнений математической физики, методы механики сплошных сред, математической теории устойчивости и системного анализа.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на международной научно - технической конференции, (г. Алушта, 2002), на научно-практической конференции ученых и специалистов ФГУП «НПО Измерительной техники», (г. Королев, 2003, 2004).

Публикации. По материалам исследования опубликовано 4 печатных работы, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Объем основной части, включая таблицы и рисунки, а также список литературы из 82 наименований, составляет 128 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение. Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы основные цели, задачи исследования. Дана краткая аннотация всех глав.

Глава 1. Анализ процессов износа инструмента при резании металлов. Цели и задачи исследований.

Анализ работ Н.Н. Зорева, В.Ф. Боброва, А.С. Верешака, М.И. Клу-шина, А.А. Козлова, Б.А Кравченко, Г.Л. Куфарева, B.C. Кушнера, В.А. Купи-

нова, Т.Н. Лоладзе, А.И. Маркова, В.А.Остафьева, М.В. Полетика, В.Н. Поду-раева, А.Н. Резникова, С.С. Силина, В.К. Старкова, Н.В. Талантова и др. позволяет утверждатыо существенном влиянии тепловых эффектов на процессы износа инструмента. В частности, ряд важнейших процессов, особенностей износа инструмента, просто невозможно объяснить без учета тепловых эффектов за счет диссипации энергии при контактных у пру го пластических деформациях, обрабатываемого материала. В связи с этим в данной главе подробно рассмотрены основные особенности контактных упругопластических деформаций при резании металлов. Любая попытка осмыслить процессы уп-ругопластических деформаций при резании металлов приводит к необходимости обратиться к физике пластической деформации. Поэтому в задачах по определению закономерностей упругопластических деформаций необходимо понять и развить принципы, которые бы согласовались с общепринятыми выводами физической теории пластической деформации и, в частности, с теорией дислокаций. Еще в тридцатых годах Я.И. Френкель, сформулировал вывод о корреляции энергии покоя дислокации с твердостью материала по Бринелю, который подтвердился для целого ряда материалов. Иными словами, твердость является мерой непластичности твердых тел. В работах П. О. Пашкова, В.М. Волчкова по изучению процессов пластических деформаций в металлах при прохождении ударных волн, было указано о связи твердости материалов с плотностью дислокаций, образовавшихся в процессе пластической деформации. Из этих работ следует, что чем выше твердость, тем выше плотность дислокаций в материале. Таким образом, вполне очевиден факт о корреляции твердости материала после прохождения процессов пластической деформации с касательными напряжениями т, возникающими во время этих процессов. Вопрос о твердости рассмотрен подробно для того, чтобы в дальнейшем использовать огромный экспериментальный материал, накопленный этим методом при изучении процессов пластических деформаций при резании металлов в свете вышеуказанных фактов. Впервые при изучении контактных

процессов, твердость в контактной зоне была определена в работах Н.В. Та-лантова. На рис. 1.1 представлены его данные по изменению твердости обрабатываемого материала по длине пластического контакта на передней поверхности инструмента. Распределение контактных касательных напряжений по длине пластического контакта будет определятся кривой, эквидистантной кривой, указанной на рис. 1.1. В работах Н.В. Талантова., исходя из данных рис. 1.1 было показано, что длина пластического контакта на передней поверхности

Н, Мпа

Рис. 1.1 Распределение микротвердости в зоне контактных упругопластиче-ских деформаций по длине контакта на передней поверхности инструмента .

(Ст.45, Т15К6, У=59,2 м/мин, 5=0,3 мм/об).

инструмента при достаточно высоких скоростях резания делится на два участка: участок упрочнения — С2 , участок разупрочнения — С3 .Очевидно, на участке С2 происходит рост касательных напряжений, т.е. упрочнение

контактных слоев обрабатываемого материала, а на участке С3 — уменьшение уровня касательных напряжений, т.е. разупрочнение. Указанные распределения касательных напряжений (рис. 1.1) не противоречит общепринятым результатам физики пластической деформации. Действительно, при любом

процессе пластической деформации в ходе деформации протекают два конкурирующих процесса: рост плотности дислокаций и аннигиляция дислокаций.

Рост плотности дислокаций приводит к упрочнению твердых тел по мере развития пластической деформации. В результате пластической деформации за счет диссипации механической энергии выделяется тепло и, следовательно, повышается температура. С увеличением температуры повышается диффузионная подвижность атомов, что приводит к аннигиляции (уничтожению) дислокаций, в результате происходит процесс разупрочнения.

Остановимся на дислокационных механизмах упрочнения и разупрочнения. Следует отметить, что эти два механизма протекают одновременно только в одних условиях, например, упрочнение опережает разупрочнение, в других — наоборот. Количество тепла, выделяемое при пластической деформации в единицу времени, определяется диссипативной функцией Ф,

которая может быть записана, как —компоненты тензо-

ра напряжений; компоненты тензора скоростей пластической деформа-

ции); тогда количество выделяемого тепла в единицу времени будет равно — механический эквивалент теплоты. Очевидно, выделенное тепло в ходе пластической деформации идет на нагрев среды до некоторой температуры Т, поэтому повышая скорость деформации, можно создать такие тепловые условия, в которых эффекты разупрочнения будут опережать упрочнение. Н.В. Талантов доказал, что при любых сочетаниях инструментального и обрабатываемого материалов можно найти такую скорость резания

(очевидно скорость резания определяет скорость пластической деформации в контактной зоне), ниже которой по длине контакта не развиваются процессы разупрочнения, а происходит только упрочнение контактных слоев

обрабатываемого материала. При скоростях резания ниже V отсутствуют участки разупрочнения и «упругого» контакта, т.е. С, = С2 = С.

Выше описанные представления о роли тепловых эффектов в процессах пластической деформации являются классическими в физической теории пластичности. Впервые эти взгляды развивались в работах акад. В.Д. Кузнецова, акад. Н.Н. Давыденкова, а за рубежом в работах А. Надаи, но, к сожалению, во многих работах по теории контактных пластических деформаций при резании металлов, факт о фундаментальной роли тепловых эффектов в этих процессах игнорируется. Значительный интерес представляет механизм контактного взаимодействия: при скоростях Ур < Уп (рис. 1.2 а, б) этот механизм взаимодействия известен в теории резания, как «пульсирующий контакт».

Изучение процессов, происходящих при резании с «пульсирующим» контактом, а также исследование влияния условий резания на величину весьма актуально, хотя бы потому, что согласно данным Н.В. Талантова, А.И. Кур-ченко при резании со скоростями, несколько меньшими - стойкость инструмента максимальна. Механизм образования пульсирующего контакта состоит из двух фаз (рис. 1.2а, б): фаза упрочнения, фаза локализованного сдвига. На рис. 1.2а дан микрошлиф в период фазы упрочнения, на рис. 1.26 — микрошлиф в момент завершения фазы сдвига. Отметим, что по мере

Рис. 1.2а рис. 1.26

дальнейшего уменьшения скорости резания процесс контактных пластиче- ! ских деформаций приводит к образованию нароста. В связи с этим процесс резания с «пульсирующей» контактной зоной происходит в определенном диапазоне скоростей, расположенном между резанием с зоной наростообразо-вания и резанием с существованием пластического и «упругого» контактов.

При скоростях резания Ур>У„ длина контакта обрабатываемого материала с

передней и задней поверхности С делится на два участка: участок пластического контакта - С], участок «упругого» контакта - С4(рис. 1.3). Причем начало «лунки» износа совпадает с границей пластического и «упругого» контактов.

Рис. 1.3. Механизм контактного взаимодействия с участками "пластического" (С^и «упругого контактов» (С4) контактов.(х70).По данным Н.В. Талантова.,

Н.П. Черемушникова (ст. 45, ВК8, Ур-69 м/мин, 5=0,467мм/об, /=2мм).

Таким образом, при скоростях Ур <Уп, ^р>Уп существуют принципиально различные механизмы контактного взаимодействия. В частности, значение скорости Уп существенно зависит от теплофизических и механических свойств обрабатываемого материала. Например, при резании ст.45 ВК8, 5= 0,3 мм/об, (=2 мм, ^=40м/мин, а при резании ст. ЭИ481-ВК8, 5" =0,3

мм/об , /=2 мм , Уп=: 15 м/мин. Этот факт объясняется значительно меньшим

коэффициентом теплопроводности и большим пределом текучести стали ЭИ 481 по сравнению со ст.45. Следовательно, температура необходимая для ин-

тенсивного развития процессов разупрочнения, появится при обработке ст. ЭИ481 при меньших скоростях резания, чем для ст. 45. Таким образом, приведенные выше факты приводят к необходимости учитывать тепловые эффекты в процессах контактных упругопластических деформаций.

В работах А.А. Козлова доказано, что переход от «пульсирующего» контакта к механизму взаимодействия с участком «упругого» контакта при

скоростях резания происходит в результате развития неизотермиче-

ской неустойчивости в зоне контактных пластических деформаций. В связи с этим естественно, что полностью процесс локализации контактных пластических деформаций будет развит в граничных слоях обрабатываемого материала на участке «упругого» контакта, причем в результате резкого роста деформации и температур следует ожидать принципиальных изменений в механизмах пластических деформаций. А.А. Козлов, В.М. Волчков доказали, что в граничных слоях обрабатываемого материала на участке «упругого» контакта реализуются вязкие механизмы деформации по Френкелю, в отличии от дислокационных на участке пластического контакта. Естественно предположить, что смена качественного состояния среды, взаимодействующей с поверхностью инструмента, позволяет ожидать принципиальных изменений в интенсивности износа.

На самом деле, широко известно, что интенсивность износа инструмента значительно выше на участке «упругого» контакта, по сравнению с пластическим, причем высокая интенсивность износа на участке «упругого» контакта приводит к образованию так называемой «лунки» износа. Необходимо подчеркнуть, что среда, в которой реализуется вязкая деформация, по своим свойствам ближе к жидкости, чем к твердому телу. Известно, что в жидкостях коэффициенты диффузии намного больше, чем в твердых телах. Последнее обстоятельство позволило А.А. Козлову доказать, что решающая

роль в износе инструмента на участке «упругого» контакта принадлежит диффузионным процессам.

С другой стороны в последние годы, прежде всего, экспериментальными исследованиями М.С. Беккер, М.Ю. Куликова, при изучении процессов механической обработки в вакууме и инертной среде доказана существенная роль трибоокислительных процессов износа инструмента в результате окисления контактных поверхностях инструмента и дальнейшим их разрушением при реализации вышеуказанных процессов.

Тем не менее, сейчас не существует оценок, которые позволяют определить интенсивность трибоокислительных процессов износа инструмента в зависимости от технологических режимов механической обработки. Последнее связано с тем, что трибоокислительные процессы являются принципиально экзотермическими, т.е. реакции окисления происходят с выделением тепла в контактной зоне и при определенных технологических условиях могут протекать в неустойчивом режиме по механизму «теплового взрыва» в смысле академика Семенова Н.Н.

Это означает, что в ходе гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента выделяется тепло, которое при определенных технологических режимах может не успевать отводится за счет теплопроводности, что создает условия для накопления тепла и повышения температуры в ограниченном объеме.

Исходя из этого, можно утверждать, что если на контактных поверхностях инструмента в зависимости от технологических режимов, гетерогенная реакция окисления неустойчива, то трибоокислительный механизм износа будет доминировать над диффузионным, так как при этом скорость гетерогенной реакции неограниченно растет, а скорость диффузионного процесса ограничена. В случае протекания гетерогенной реакции в устойчивом режиме, ее скорость ограничена, и поэтому только оценка интенсивности соответствующих потоков позволит судить о доминирующей роли того или иного

14

механизмов износа. Для этого необходимо определить критерии неустойчивости развития гетерогенной реакции окисления на контактных поверхностях инструмента. В связи с этим, в следующей главе дана постановка задачи о гетерогенном окислении контактных поверхностей инструмента с учетом эк-зотермичности реакции.

Глава 2. Уравнения определяющие динамику гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента в связанной постановке.

Рассмотрим систему дифференциальных уравнений, определяющих динамику гетерогенных процессов окисления на равнодоступных контактных поверхностях инструмента, без применения СОТС (смазочно - охлаждающих технологических средств).

(2.1)

(2.2)

Введем следующие начальные и граничные условия:

где С - концентрация реагирующего вещества (кислорода) на контактных поверхностях инструмента; - тепловой эффект реакции; - плотность инструмента; Су - удельная теплоемкость инструмента; Б - коэффициент диффузии реагирующего вещества; - коэффициент теплопроводности инстру-

ментального материала; Т - температура; Со - концентрация на бесконечном расстоянии от поверхности. То -температура в начальный момент времени;

у - поток вещества реагирующего на единице контактных поверхностей инструмента в единицу времени; к - толщина реагирующего слоя; г - время; д: -

то

пространственная координата; - коэффициент массоотдачи;

- коэффициент теплоотдачи;

к

; N11 - критерий Нуссельта, зави-

сящий от геометрической конфигурации системы и условий конвекции.

В своих работах Девис, Симнад, Бирченолл, Пайдасси, Бенар показали с помощью гравиметрического метода, что закон роста окисных слоев является параболическим и подчиняется выражению:

(Ьп)г=кр1,

(2.5)

где Дтя - изменение массы окисла на поверхности единичной площади; г ■

время; - константа:

>КГ

(2.6)

где - константа скорости химической реакции на поверхности,

зависящая от температуры, по закону Аррениуса. Е,г - постоянные величины, характерные для данной химической реакции. Е - энергия активации, представляет собой ту энергию, которой должна обладать молекула для того, чтобы прореагировать; предэкспоненциальный множитель; - атом-

ный вес кислорода, равный 16, помноженный на число его атомов в соответ-

ствующем соединении; Уо/с - молекулярный объем окисла; /? - газовая постоянная.

Д тк=а1Ат. (2.7)

„ ' М0у

от, =-— - константа, определяемая соотношением молярной массы ки-

М АхОу

слорода (М()у) к молярной массе окисла (МАх0у), например для окислов железа М,:ы)у — 55,847 • X +16 • у, х - число атомов железа, у - число атомов кислорода. Дифференцируя (2.5) с учетом (2.6,2.7) получим: с1Атк 1 к а,

-----р-, (2.8)

Ж 2 Атк

Объемная концентрация кислорода С у поверхности определяется следую-

С0И8 - Ат.Б

щим соотношением: С =-, где 5 - площадь поверхности. В

Л51

итоге Атк = (С0 — С)И. Таким образом, количество вещества прореагировавшего в единицу времени на единицу контактной поверхности инструмента, с учетом (2.8):

. (1Атк к а]

]=-- =---. (2.9)

Л 2(С0 - С)к

Используя (2.6) получим:

]=-1--Г. (2.10)

2И(С0-С)Уо]

Введем безразмерные переменные:

§ = ^Т~То = = = (2Л1)

К10 10 А П С0

Таким образом, система (2.1-2.4) в безразмерных переменных примет вид:.

Очевидно, что С являются средними значениями температуры и концентрации реагирующего вещества на поверхности инструмента.

Значение А, отвечающие реальным технологическим режимам лежат в границах от нуля до единицы, поэтому можно предположить, что критерии неустойчивости системы (2.16 - 2.17) могут соответствовать критериям неустойчивости квазистационарного процесса системы, соответствующего Л=0. Рассмотрим квазистационарный процесс. Приравняем к нулю правую часть уравнения (2.16) и выразим С. Используя (2.17) получим:

ав Е()а^Мке {) (20гу2е

в

гЧТа /Л 1Л-\Уга2

Введем обозначения:

2 ЯТ02ЛУок

-Е ЯТ0

>М

ге

-Е ЛГ0

к =

ахМке

-в

-Е 2 ЯГп

(2.18)

аЯТ£ Р

где 8,/Л - параметры Франк - Каменецкого. Уравнение (2.18) примет вид:

в

кёе2

Уокс0

■в.

(2.19)

Л //

Для нахождения критериев неустойчивости проведем линеаризацию уравнения (2.19), введя новую переменную: 9 = в0 + в1. В итоге получим:

9ц

Ав' к8е2

с// 2 ¡л

-в'-в'.

(2.20)

где О0 - стационарная точка, определяемая из соотношения кёе 2 /л =0О. Исходя из условия Гурвица, найдем критерий неустойчивости развития окислительных процессов для квазистационарного решения системы дифференциальных уравнений, определяющих кинетику гетерогенных процессов окисления на контактных поверхностях инструмента.

ц ке

На рисунках (2.1-2.3) для окисла ¥гО, при температуре 700 К показана пря-

(2.21)

мая 8 — —¡л , т.е. зависимость 8 от ц , а также области устойчивости и ке

неустойчивости.

Т-700 К, Ijek = <5//^ =781.283

0.05

210

8-10

410 6-10 рис.2.1

область устойчивости область неустойчивости

<5 = 0.02 м = 3.55-10"5 3/¡.I — 563.38 ¿ = 0.09 // = 4-10~5 8/ц = 2250 Т

Т

1 1 1--

О

5 10 15 t рис.2.2

0

2

рис.2.3

Глава 3. Критерии неустойчивости гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях быстрорежущего инструмента.

В главе 2 была получена система дифференциальных уравнений (2.16 - 2.17), выписанных в связанной постановке и определяющих динамику развития гетерогенных окислительных процессов на контактных поверхностях инструмента.

Пусть у = ^^^ , ¡л = цу , 5* =3у, где (Л,3 параметры Франк - Ка-

2С0УокИ

менецкого, в итоге система (2.16 -2.17) примет вид: с1С = 1-С Л ~

* в

/л е

А Д1-С) dB = S'e" dt ~ \-С

Обозначим правые части уравнений (3.3 -3.4), как Q(0,C) и P(ß,C) .

(3-3) (3.4)

Положение равновесия с координатами 90,С0 являются особыми стационарной системы (3.3 - 3.4) Для исследования свойств особых точек, линеаризуем систему вблизи этих точек, т.е. разложим функции Q{9, С) и Р{9, С) по степеням малых отклонений от положения равновесия и сохраним только члены первого порядка. Для линеаризации системы уравнений (3.3 - 3.4) введем новые переменные:

в = в'+ей

С = С' + С0'

где 0', С' бесконечно малые возмущения. Подставим эти выражения в систему (3.3 - 3.4) и разложим функции Q(9,C) и Р(9,С) в ряды до первого порядка.

Пусть а.

дР{9,С) 89

дР{0,С)

дс

\ ( ; a2i =

\

f

; ап -

dQ(9,C) дв

дв(0,су

дС ,

\

/с,

I

Все производные берутся в точке 9 = 90, С = С0.

Уравнения первого приближения в перемененных 9' и С' примут вид:

dt dC_ dt

>аи9' + апС'-, агх9' + а„С'.

22

(3.5)

(3.6)

Вычислим коэффициенты ], а^, «21» а22 и подставим в систему уравнений (3.5 - 3.6). Тогда система уравнений (3.5 - 3.6) будет представлена

d9' (ö'e0"

dt

dC' dt

U-Q

A(l-Coy

1

9' + -

S'ee°

-С'

(1 -C0)2

1 | N A + A{\-Cü)\

С'

(3.7)

(3.8) 21

Поведение решений системы (3.7 - 3.8) вблизи стационарной точки определяется свойствами линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Решение ищем по общему правилу в виде:

0, = £,ехр(Л1г) + 6ехр(Л2г); (3.9)

С = £ ехр(Л]Г)+£ ехр (Л, г), (3.10)

где Я] и Я2 - корни характеристического уравнения

Л2 +аЛ + с/ = 0; (3.11)

а =-0*11 = Щ]а22 _а12а21> (3.12)

Я] 2 = ~^-а±л/а2 -4с/^ (3.13)

Устойчивость состояния равновесия определяется двумя критериями Гурвица дг > 0, с! > 0, т.е.

, 1 м'ево б*ев° Л

1 + — + —--7-->0, (3.14)

А А(1-С0) 1 -С0

1+—-^-->0. (3.15)

(1-С0)2 1-С0

Исходя из условий Гурвица (3.14 - 3.15), были построены нейтральные кривые и показано распределение концентрации и температуры в области устойчивости и неустойчивости при различных А в случае образования на контактных поверхностях быстрорежущего инструмента окислов РеО, Ре2Оъ,

Ре}04 в температурном режиме 600 -1000 К. На рис.3.1 - 3.5 для окисла

РеО показана нейтральная кривая, область устойчивости и неустойчивости. Область неустойчивости находится выше нейтральных кривых, а область устойчивости ниже. Нейтральные кривые проверялись дополнительно на основе численного решения системы дифференциальных уравнений (3.3 - 3.4) оп-

ределяющих динамику развития гетерогенных процессов окисления на контактных поверхностях при начальных условиях (2.3) на базе пакета Mathcad 8 Professional.

Значение А, отвечающие реальным технологическим режимам лежат в границах от нуля до единицы, следовательно может существовать предельный переход от полной системы дифференциальных уравнений (3.3 - 3.4) к квазистационарному случаю, соответствующему А-0.

Для проверки этого предположения проведены расчеты нейтральных кривых при малых А, исходя из условий Гурвица (3.14 - 3.15), которые показали наличие предельного перехода при А=0, и позволили утверждать, что соотношение (2.21) определяет границы устойчивости экзотермических гетерогенных процессов окисления на контактных поверхностях инструмента при механической обработки. В результате проведенных расчетов оказалось, что при реальных технологических режимах резания применяемых на практике реакции окисления на контактных поверхностях быстрорежущего и твердосплавного инструмента протекают в устойчивом режиме. Исходя из этого вывода, в главе 4 проведена оценка интенсивности трибоокислительных и диффузионных процессов при резании металлов.

FeO

А = 0.95 Т = 600А:

Нейтральная кривая

5

5-10

0

-15

о

4 1017 6-10П 8 • IÖ17 И рис 3.1

Глава 4. Оценка интенсивности трибоокислительного и диффузионного износов на контактных поверхностях инструмента при механической обработке металлов.

Интенсивность гетерогенной реакции окисления и, следовательно, трибоокислительного процесса износа инструмента определяется соотношением (2.10):

В предыдущих главах показано, что гетерогенные процессы окисления на контактных поверхностях инструмента при всех реальных технологических режимах механической обработки развиваются устойчиво и стационарно. Исходя из этого, проведена оценка интенсивности потоков трибоокислительных

процессов при резании металлов, так как в нашем случае значения С, Г в (4.1) необходимо брать из стационарных решений уравнений (2.20 - 2.21):

(4.2)

(4.3)

Уравнения (4.2 - 4.3) записаны в безразмерных переменных, поэтому их решения также безразмерны. Для вычисления потоков трибоокислительных процессов (4.1) решения уравнений (4.2 - 4.3) в соответствии с (2.11) переводились в размерные переменные.

Используя (4.1 - 4.3, 2.11) получены оценки интенсивности гетерогенных реакций окисления железа, иначе говоря, интенсивности трибоокис-лительных процессов износа на контактных поверхностях быстрорежущего инструмента, а также оценки интенсивности гетерогенных реакций окисления кобальта, соответственно трибоокислительных процессов износа на контактных поверхностях твердосплавного инструмента.

С другой стороны в фундаментальных исследованиях Т.Н. Лоладзе, подтвержденных Н.В. Талантовым, показано, что при определенных условиях механической обработки, соответствующих скоростям резания

переходная скорость) диффузионные процессы являются решающим фактором в износе контактных поверхностей инструмента.

В связи с этим, значительный интерес представляет проведение сравнительных оценок диффузионных потоков инструментального материала в обрабатываемый, а также интенсивности гетерогенных реакций окисления, чтобы в конечном итоге оценить доминирующую роль того или иного вида износа при механической обработке в зависимости от технологических режимов и прежде всего скорости резания.

/ ■ Диффузионные потоки («/| 0) на границе раздела определялись из соотношений полученных А.А.Козловым:

дс

у=0

ду

V 2У 1 2у-1

= -усУ п

С С~у

0 4

А „ = -я

\у=0

дС

(4.4)

(4-5)

>=о

ду

где С- концентрация диффундирующих компонент инструментального материала; Л - толщина контактной зоны; ус - скорость стружки; Г (у +1) - гамма

функция; С0 - концентрация диффундирующего элемента на границе раздела. Коэффициент диффузии компонент инструментального материала по передней и задней поверхности соответственно:

КМ'СЦ-\1-\>)Г(у + 1)

СсЪту^'И

2.'/2^-1

1-г

¿а/у (1-ЮГ(у+1)

с0ьгу2;ьъ-1

1

1-1'

где г- время резания; И - толщина контактной зоны; /г<, - величина фаски износа по главной задней грани; vp - скорость резания; К - доля содержания

вещества в инструментальном материале; М - масса изношенного вещества «лунки» износа на передней поверхности инструмента; М* - масса изношенного вещества на задней поверхности инструмента. Величины М , М\ определяются, исходя из соотношений, полученных Т.НЛоладзе:

М =

рЪ

1Л 2 8/

сс.

8/ 2

С.

(4.6)

где р — плотность инструментального материала; / — глубина лунки;

а, =2агсзт-

4 С4/

'412 +С:

-, С4 — длина участка «упругого» контакта на перед-

ней поверхности инструмента; 26

tga-hl

tga-\

bp,

(4.7)

2(1-tgy-tga)

Где (X - задний угол инструмента; у - передний угол инструмента; Для расчетов диффузионных потоков железа при резании титанового сплава ВТ20 с использованием быстрорежущего инструмента (по передней грани) Р6М5 были использованы экспериментальные данные, полученные Ю.В. Во-логиным и З.Ю.Робакидзе (vp=5 м/мин, т=8 мин, s=0.34 мм/об, t=1.5 мм, С4=0.45 мм, е=2 мкм; vp=10 м/мин, т=6 мин, s=0.34 мм/об, t=1.5 мм, С4=0.44 мм, е=10 мкм;) и по задней грани быстрорежущего инструмента (vp=5 м/мин, т=8 мин, s=0.34 мм/об, <р=90°, фг 10°, у=0, а=7°, Ав=0.18 мм, vp=10 м/мин, т=б мин, s=0.34 мм/об, <р=90°, ф1=10°, у=0, а=7°, А0=0.52 мм). Величина переходной скорости для данной пары при выбранных технологических режимах К„~2 м/мин.

Для расчетов диффузионных потоков кобальта при резании титанового сплава ВТЗ-1 твердосплавным инструментом ВК8 по задней грани были использованы экспериментальные данные, полученные A.A. Козловым, З.Ю. Робакидзе, Ю.В. Вологиным (vp=5 м/ мин, s=0.52 мм/об, ф=90°, ф1=10°, 7=0, а=7°, t=1.5 мм, //<f=0.4 мм). Для расчета диффузионного потока кобальта по передней грани при резании ст.45 твердосплавным инструментом ВК8 использовались экспериментальные данные A.A. Козлова (vp=80 м/ мин, s=0.6 мм/об, т=4 мин, С4=5.5 мм; e=4-10"jcm; vp=75 м/мин, s=0.3 мм/об, т=8.5 мин, С4=2.25 мм; е=6-10"3см; vp=65 м/мин, s=0.4 мм/об, т=7 мин, С4=3 мм; е=610"3см).

Результаты расчетов диффузионных потоков для выше указанных процессов даны в таблицах 4.1- 4.6. Расчеты проводились для двух случаев, в первом случае граничные слои обрабатываемого материала на участке «упругого» контакта движутся со скоростью vc без торможения (п-О), во втором с торможением (п=1).

Анализ результатов расчетов представленных в таблицах 4.1-4.6 позволяет считать, что при скоростях Vр > Уп интенсивность диффузионных

потоков существенно превышает интенсивность трибоокислительных процессов, а это позволяет утверждать о доминирующей роли диффузионного износа в вышеуказанном диапазоне режимов резания.

В работах Лоладзе Т.Н., Козлова А.А доказано, что при скоростях резания интенсивность диффузионного износа принципиально (как минимум на три порядка) отличается от интенсивности этих процессов при что позволяет предполагать о доминирующей роли трибоокисли-тельных процессов в этом диапазоне скоростей. В связи с этим были проведены расчеты для трибоокислительных процессов при скоростях резания V <Уп, которые показали, что интенсивность этих процессов выше диффузионных. Кроме этого на основании полученных результатов в данной главе предложены научно обоснованные технологические методы управления процессами износа инструмента с целью интенсификации процессов механической обработки: конструирование смазочно - охлаждающих средств, обеспечивающих создание в зоне контакта защитных противоизносных пленок с высокими термомеханическими свойствами, рекомендации по предварительному упрочнению инструмента, рекомендации по применению покрытий на контактных поверхностях инструмента с целью уменьшения интенсивности диффузионного износа.

Диффузионные и трибоокислительные потоки на быстрорежущем инструменте (по передней грани).

ВТ20, Р6М5 Диффузионные по- Трибоокислительные потоки, кг

токи, м 1 • сек

кг Энергия активации Е=40 500

м г ■ сек кал/моль.

п=1,п=0 Для Для Для

окисла окисла окисла

РеО Ре203 Ре304

ур=5 м/ мин, 8=0.34 мм/об,

Т=600 К, 1.733-10"5 4.874-10'6 2.355-10"7 3.056-10'7

ф=90°, ф|=10°, у=0, а=7°, 1=1.5 мм, уп~2м/мин

ур=10 м/мин, 5=0.34 м/об,

Т=700 К, ф=90°, ф,=Ю°, 1.156-Ю"4 6.329-Ю-5 3.058-10"6 3.968-10'6

у=0, а=7°, 1=1.5мм,

уп~2м/мин

Диффузионные и трибоокислительные

потоки на быстрорежущем инструменте (по передней грани).

Таблица 4.2

ВТ20, Р6М5 Диффузионные потоки, кг м 2 ■ сек Трибоокислительные потоки, кг м 2 ■ сек Энергия активации Е=45 000 кал/моль.

п=1, п=0 Для окисла РеО Для окисла Ре203 Для окисла Ре304

ур=5 м/ мин, 5=0.34 мм/об, Т=600 К, ф=90°, ф1=10°,у=0,а=7°, 1=1.5 мм, уп~2м/мин 1.733-10'5 7.406-10"7 3.578-10"8 4.684-10"8

ур=10 м/мин, э=0.34 мм/об, Т=700 К, ф=90°, ф1=10°,у=0,а=7°, 1=1.5 мм, уп~2м/мин 1.156-Ю"4 1.259-10"5 6.081-10"7 7.96-10"7

Диффузионные и трибоокислительные потоки на быстрорежущем инструменте (по задней грани).

ВТ20, Р6М5 Диффузионные потоки, кг м~ ■сек Трибоокислительные потоки, кг м1 ■сек Энергия активации Е=40 500 кал /моль.

п=1, п=0 Для окисла ГеО Для окисла Ре203 Для окисла

ур=5 м/ мин, 5=0.34 мм/об, Т=600 К, ф =90°, ф1=Ю°, у=0, а=7°, 1=1.5 мм, уп~2м/мин 1.437-Ю-4 4.874-10"6 2.355-10"7 3.056-10"7

ур=10 м/мин, 5=0.34 мм/об, Т=700 К, ф=90°, ф,=10°, у=0, а=7°, 1=1.5 мм,уп~2м/мин 5.533-10'4 6.329-10'5 3.058-10"6 3.968-10"6

Диффузионные и трибоокислительные

потоки на быстрорежущем инструменте (по задней грани).

Таблица 4.4

ВТ20, Р6М5 Диффузионные потоки, кг м 2 • сек Трибоокислительные потоки, кг м2 ■сек Энергия активации Е=45 000 кал/моль.

П=1, П=0 Для окисла РеО Для окисла Ре2Оэ Для окисла Ре304

ур=5 м/мин, Т=600К, 5=0.34 мм/об, ф=90°, Фг10°,у=0,а=7°, 1=1.5 мм, уп~2м/мин. 1.437-10' 4 7.406-10'7 3.578-10"8 4.684-10'8

ур=1 Ом/мин, Т=700К, 5=0.34 мм/об, ф=90°, ф1=10°,у=0,а=70, 1=1.5 мм, уп~2м/мин. 5.533-10' 4 1.259-10'5 6.081-Ю"7 7.96-10'7

Диффузионные и трибоокислительные потоки на твердосплавном инструменте(по передней грани)

Ст.45, ВК8 Диффузионные потоки, кг м ' • сек Трибоокислительные потоки, кг м г ■ сек

п=0 п=1 Для окисла СоО Для окисла Со304

vp=80 м/ мин, s=0.6 мм/об, Т=873 К, v„~35m/mhh 1.072-10° 2.915-10'4 1.683-Ю"4 5.238-10"5

vp=75 м/мин, s=0.3 мм/об, Т=773 К, v„~40m/mhh 8.516- Ю-4 4.067-10'J 1.436-10"4 2.235-10"5

vp=65 м/мин, s=0.4 мм/об, 1=111 К, уп~40м/мин 8.611-10"4 2.518-10'4 1.077-10"4 3.352-Ю"4

Диффузионные и трибоокислительные потоки на твердосплавном инструменте( по задней грани) Таблица 4.6

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

По результатам исследований можно сделать следующие выводы:

1. Анализ экспериментальных и теоретических данных позволяет утверждать, что доминирующую роль в износе контактных поверхностей инструмента при механической обработке металлов определяют диффузионные и трибоокислительные процессы.

2. Получена система дифференциальных уравнений, определяющих динамику гетерогенных окислительных реакций на контактных поверхностях инструмента. Данная система дифференциальных уравнений выписана в так называемой связанной постановке, т.е. с учетом экзо-термичности окислительных процессов.

3. На примере квазистационарного решения системы дифференциальных уравнений определяющих динамику гетерогенных процессов окисления на контактных поверхностях инструмента, выписанной в связанной постановке, т.е. с учетом экзотермичности, методами теории устойчивости получены критерии неустойчивости развития окислительных процессов.

4. На примере квазистационарного решения системы дифференциальных уравнений определяющих динамику гетерогенных процессов окисления на контактных поверхностях инструмента, выписанной в связанной постановке, т.е. с учетом экзотермичности, методами теории устойчивости получены критерии неустойчивости развития окислительных процессов.

5. Получены критерии развития неустойчивости гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента на базе полной системы дифференциальных уравнений, выписанной в связанной постановке и определяющих динамику развития окислительного процессов.

6. Доказано существование предельного перехода критериев неустойчивости полной системы дифференциальных уравнений, определяющих динамику развития гетерогенных окислительных процессов к критериям неустойчивости квазистационарного процесса.

7. Проведено численное моделирование нелинейных дифференциальных уравнений определяющих развитие процессов гетерогенного окисления на контактных поверхностях инструмента.

8. Доказано, что при реальных технологических режимах механической обработки гетерогенные реакции окисления на контактных поверхностях быстрорежущего и твердосплавного инструмента протекают в устойчивом режиме.

9. Определены интенсивности диффузионных и гетерогенных окислительных потоков на контактных поверхностях быстрорежущего и твердосплавного инструментов.

10. Доказано, что при скоростях резания Ур > Уп интенсивность диффузионных потоков существенно превышает интенсивность трибоокис-лительных процессов, а это позволяет утверждать о доминирующей роли диффузионного износа контактных поверхностей быстрорежущего и твердосплавного инструментального материала в вышеуказанном диапазоне режимов резания.

11. При скоростях резания Ур < Уп интенсивность диффузионного износа существенно ниже интенсивности этих процессов при

что позволяет говорить о доминирующей роли трибоокислительных процессов в этом диапазоне скоростей.

12. Развитые в настоящей работе представления, позволили предложить научно обоснованные технологические методы управления процессами износа инструмента с целью интенсификации процессов механической обработки.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Козлов А А., Дементьева Н.Г Робакидзе З.Ю., Вологин Ю.В., Принципы создания устойчивых технологических процессов механической обработки труднообрабатываемых материалов.// Резание и инструмент в технологических системах. Международный научно - технический сборник. Вып.63, Т.1.//- Харьков, 2002.С.214-217.

2. Козлов А.А., Дементьева Н.Г Проблема устойчивости механической обработки жаропрочных сплавов. //Юбилейная научно - практическая конференция ученых и специалистов ФГУП «НПО Измерительной техники»//. - Королев, 2003. С. 106 - 108.

3. Козлов А А., Дементьева Н.Г, Предельный переход в критериях устойчивости гетерогенных реакций окисления быстрорежущего инструмента при механической обработке металлов. //Научно - практическая конференция ученых и специалистов ФГУП «НПО Измерительной техники».// - Королев, 2004.С. 103 - 106.

4. , Козлов А.А , Дементьева Н.Г, Об устойчивости гетерогенных реак-

ций окисления на контактных поверхностях быстрорежущего инструмента при механической обработке металлов. Вестник машиностроения № 4. М, 2005. С.57-61.

Подписано в печать оО.ОЬ . 2005 г. Заказ № ^ОЬ ■ Тираж 100 экз. Печ.л.1,0. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография «Политехник» Волгоградского государственного технического университета. 400131, Волгоград, ул. Советская, 35

1636

Введение.

Глава 1. Анализ процессов износа инструмента при резании металлов. Цели и задачи исследований.

1.1. Основные особенности контактных упругопластических деформаций при резании металлов.

1.2. Неустойчивость, термодинамические свойства и принципы неоднородности пластической деформации при резании металлов.

Глава 2. Уравнения определяющие динамику гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента в связанной постановке.

2.1. Вывод определяющих уравнений.

2.2. Вывод кинетического уравнения гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента.

2.3. Осредненные дифференциальные уравнения гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента.

2.4. Критерий неустойчивости гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента для квазистационарных процессов.

Глава 3. Критерии неустойчивости гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента.

3.1. Линеаризация системы дифференциальных уравнений определяющих динамику гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента.

3.2. Определение критериев неустойчивости гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента.

Глава 4. Оценка интенсивности трибоокислительного и диффузионного износов на контактных поверхностях инструмента при механической обработке металлов.

4.1 Оценка интенсивности гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента.

4.2 Оценка интенсивности диффузионных потоков компонент инструментального материала на контактных поверхностях инструмента.

В настоящее время доминирующими технологическими процессами размерной обработки металлов в современном машиностроении являются методы лезвийной механической обработки. Более того, как показывают экспертные оценки, эта тенденция сохранится в будущем.

Во всех отраслях промышленности связанных с механической обработкой металлов, повышение производительности и снижение себестоимости в значительной мере определяется повышением эффективности самого процесса механической обработки, т.е. процесса резания металлов.

Стойкость режущего инструмента является одним из основных факторов, определяющих экономические показатели механической обработки. В связи с этим повышение работоспособности инструмента является актуальной задачей современного машиностроения.

Сейчас можно утверждать, что износ инструмента в значительной степени определяется трибоокислительными и диффузионными механизмами, причем на сегодняшний день диффузионные механизмы износа в теории механической обработки изучены детально. Многие результаты, полученные при этом, являются классическими, и не нуждаются в дальнейшей детализации, как в теоретическом так и в экспериментальном аспектах. Наиболее выдающиеся результаты в этом направлении получили Т.Н. Лоладзе [48,49], Н.В.Талантов [63], А.А. Козлов [30].

Однако совершенно недостаточно изучена роль трибокислительных процессов в износе инструмента. Вышеуказанное обстоятельство связано с тем, что трибо-окислительные процессы являются принципиально экзотермическими.

Это означает, что данные реакции происходят с выделением тепла в контактной зоне и при определенных технологических условиях могут создаваться предпосылки для развития этих реакций в неустойчивом режиме по механизму «теплового взрыва» в смысле академика Н.Н. Семенова [59].

Последнее означает, что в ходе гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента выделяется тепло, которое при определенных технологических режимах может не успевать отводиться за счет теплопроводности, что создает условия для накопления тепла и повышения температуры в ограниченном объеме.

Процесс развития реакции, в этом случае, будет принципиально адиабатическим, а так как скорость гетерогенных реакций окисления контролируется соотношением Аррениуса [38,73], процесс станет принципиально неустойчивым.

Иначе говоря, решение системы дифференциальных уравнений, определяющих динамику развития неустойчивой реакции окисления, и выписанной в связанной постановке, т.е. с учетом экзотермичности процесса, принципиально не допускает стационарных решений в отличие от устойчивого развития гетерогенных процессов окисления. Таким образом, можно вполне осознано (используя конкретные оценки и расчеты) добиться создания системных методов управления процессами износа инструмента. Именно этой цели посвящена представленная диссертационная работа.

В данной работе определение критериев неустойчивости развития гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента рассматриваются с точки зрения теории устойчивости Ляпунова [7,81].

Последнее означает, что анализируется возможность роста (затухания) случайных возмущений с определенной частотой. Основанием для такого подхода к решению задачи являются следующие физические обстоятельства.

Пусть на контактной поверхности инструмента, где реализуются гетерогенные реакции окисления, случайно повышается температура за счет экзотермичности процесса. Это приведет к увеличению скорости реакции и, следовательно, опять к повышению температуры, т.е. процесс, может стать принципиально неустойчивым. Естественно существует и процесс, который стремится «подавить возмущение». В самом деле, увеличение температуры приведет к увеличению градиента температур и, как следствие, к увеличению теплоотвода на контактной поверхности за счет теплопроводности.

Окончательный ответ на вопрос, будет ли гетерогенный процесс окисления на контактных поверхностях инструмента устойчивым или неустойчивым, зависит от совместного влияния всех перечисленных факторов, т.е. в целом зависит от тепло-физических и физико-механических характеристик инструментального и обрабатываемого материалов и окружающей среды, а так же от механизмов контактного деформирования при механической обработке.

Совместное действие перечисленных выше механизмов должно приводить к тому, что возмущения с некоторой длиной волны будут возрастать, а с другой длиной затухать. Это приводит к так называемому спектру неустойчивых возмущений, выявить которые можно обычными методами, применяемые в теории устойчивости Ляпунова [7,81], поставив вопрос об определении собственных значений задачи гетерогенного окисления на контактных поверхностях инструмента.

Исходя из этого можно утверждать, что если на контактных поверхностях инструмента, в зависимости от технологических режимов, гетерогенная реакция окисления неустойчива, то трибоокислительный механизм износа будет доминирующим по сравнению с диффузионным. При этом скорость гетерогенной реакции будет практически неограниченна по сравнению с диффузионными процессами. В случае протекания гетерогенной реакции в устойчивом режиме ее скорость ограничена и судить о доминирующей роли трибоокислительных или диффузионных процессов в износе инструмента можно только, оценив интенсивность соответствующих потоков.

Естественно, что оценку соответствующих потоков для быстрорежущего инструмента необходимо проводить в диапазоне температур, не превышающих температуру рекристаллизации, соответствующей быстрорежущей стали. При более высоких температурах согласно фундаментальным исследованиям J1.C. Кремнева, В.А. Синопальникова [60] износ и разрушение быстрорежущего инструмента происходит в результате развития процессов микроползучести и динамической рекристаллизации режущего клина.

Для этого необходимо определить критерии неустойчивости развития гетерогенной реакции окисления на контактных поверхностях инструмента. Последнее, особенно актуально при механической обработке жаропрочных сплавов.

В связи с выше изложенным, определение критериев неустойчивости гетерогенных окислительных реакций на контактных поверхностях инструмента для направленного управления процессами износа, с целью установления кардинальных технологических решений по интенсификации процессов механической обработки является важной научно — технической проблемой.

Актуальность работы подтверждена ее выполнением в рамках Государственного контракта с Федеральным космическим агентством от 18.04.2003 №753-Т366/03, а также в рамках программы Министерства образования и науки РФ «Производственные технологии».

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Для удобства изложения постановка задачи исследований и литературный обзор дается в каждой главе.

Выводы

1. Определены интенсивности диффузионных и гетерогенных окислительных потоков на контактных поверхностях быстрорежущего и твердосплавного инструментов.

2. Доказано, что при скоростях резания V > Vn интенсивность диффузионных потоков существенно превышает интенсивность трибоокислительных процессов, а это позволяет утверждать о доминирующей роли диффузионного износа контактных поверхностей быстрорежущего и твердосплавного инструментального материала в вышеуказанном диапазоне режимов резания.

3. При скоростях резания V < Vn интенсивность диффузионного износа существенно ниже интенсивности этих процессов при Vp >V„, что позволяет говорить о доминирующей роли трибоокислительных процессов в этом диапазоне скоростей.

4. Развитые в настоящей работе представления, позволили предложить научно обоснованные технологические методы управления процессами износа инструмента с целью интенсификации процессов механической обработки.

аключение з результатам исследований можно сделать следующие выводы:

1. Анализ экспериментальных и теоретических данных позволяет утверждать, что доминирующую роль в износе контактных поверхностей инструмента при механической обработке металлов определяют диффузионные и трибоокислительные процессы.

2. Получена система дифференциальных уравнений, определяющих динамику гетерогенных окислительных реакций на контактных поверхностях инструмента. Данная система дифференциальных уравнений выписана в так называемой связанной постановке, т.е. с учетом экзотермичности окислительных процессов.

3. На примере квазистационарного решения системы дифференциальных уравнений определяющих динамику гетерогенных процессов окисления на контактных поверхностях инструмента, выписанной в связанной постановке, т.е. с учетом экзотермичности, методами теории устойчивости получены критерии неустойчивости развития окислительных процессов. ;

4. Получены критерии развития неустойчивости гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента на базе полной системы дифференциальных уравнений, выписанной в связанной постановке и определяющих динамику развития окислительного процессов.

5. Доказано существование предельного перехода критериев неустойчивости полной системы дифференциальных уравнений, определяющих динамику развития гетерогенных окислительных процессов к критериям неустойчивости квазистационарного процесса.

6. Проведено численное моделирование нелинейных дифференциальных уравнений определяющих развитие процессов гетерогенного окисления на контактных поверхностях инструмента.

7. Доказано, что при реальных технологических режимах механической обработки гетерогенные реакции окисления на контактных поверхностях быстрорежущего и твердосплавного инструмента протекают в устойчивом режиме.

8. Определены интенсивности диффузионных и гетерогенных окислительных потоков на контактных поверхностях быстрорежущего и твердосплавного инструментов.

9. Доказано, что при скоростях резания Vp > Vn интенсивность диффузионных потоков существенно превышает интенсивность трибоокислительных процессов, а это позволяет утверждать о доминирующей роли диффузионного износа контактных поверхностей быстрорежущего и твердосплавного инструментального материала в вышеуказанном диапазоне режимов резания.

10. При скоростях резания V < Vn интенсивность диффузионного износа существенно ниже интенсивности этих процессов при Vp > Vn, что позволяет говорить о доминирующей роли трибоокислительных процессов в этом диапазоне скоростей.

11. Развитые в настоящей работе представления, позволили предложить научно обоснованные технологические методы управления процессами износа инструмента с целью интенсификации процессов механической обработки.

1. Davies М.Н., Simnad М.Т., Birchenall С.Е. Trans. AIME, 1951, v. 191, p. 889, 1953, v. 197, p. 1250.

2. Paidassi J., Acta Metallurgy 1955, v. 3, p. 447; 1956, v. 4, p.227;

3. Paidassi JActa Metallurgy 6, 184 (1958).

4. Paidassi J., BenardJ. Bull. Soc. Chim. Fr., 1958, p. 1364.

5. Paidassi J., Fuller D. Bol. Soc. Quim. (Chili), 1955, v. 7, p. 26.

6. Phalnikar C. A., Evans E.B., Baldwin W.M., J. electrochem. Soc., 103, 429 (1956).

7. Альшиц В.И., Инденбом B.JI. Динамика дислокаций.//"Проблемы современной кристаллографии,— М.:Наука,1976. — С. 218-238.

8. Альшиц В.И., Инденбом B.JI. Динамическое торможение дислокаций.// Усп.физ.наук, т. 115, № 1,1975.—С.3-39.

9. Атрощеико Э.С., Волчков В.М., Нагорное Г.М. Пашков П.О. Остаточная деформация и упрочнение при обработке металлов взрывом//Физ. мет. и металловедение, т.24, № 2, 1967.—С.376-378.

10. Беккер М.С. Исследование роли диффузионных процессов в разрушении твердосплавного режущего инструмента // Состояние и перспективы развития электротехнологии: Тез. докл. Всесоюз. конф. Иваново, 1985. С.140 — 141.

11. Беккер М.С. Механизм образования лунки износа на твердосплавном режущем инструменте // Трение и износ. -1989. Т.10. №2. С.308 - 312.

12. Беккер М.С. Повышение работоспособности режущего инструмента на основеанализа механизма диффузионно — усталостного разрушения инструментального материала: Докторская, диссертация/, Тбилиси, 1989. 323 с.

13. Беккер М.С. Роль углерода и кислорода в износе режущего инструмента // Физические процессы при резании металлов: Сб. тр. Волгоград, 1984. С.89 -95.

14. А. Беккер М.С., Куликов М.Ю. Механизм образования лунки износа // Физические процессы при резании металлов: Сб. тр. Волгоград, 1987. С.87 - 89.

15. Беспахотный П. Д. Некоторые вопросы механики резания труднообрабатываемых материалов// Изв. ВУЗов, "Машиностроение", № 2, 1967.

16. Бобров В.Ф. О распределении удельных нормальных сил и сил трения на передней поверхности инструмента/ Обработка металлов резанием и давлением—М.: Машиностроение, 1965.

17. Бокофен В. Процессы деформации/пер. с англ. — М.: Металлургия, 1977. — 287 с.

18. Васильев Д. Т. Силы на режущих поверхностях инструмента// "Станки и инструмент", № 12,1968.

19. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993. 336 с.

20. Волчков В.М., Гелунова З.М., Пашков П.О. О механизме пластический деформации при высокоскростном ударном нагружении.// Физ. и хим. обраб. матс- " риалов, № 4, 1967 — С. 101.

21. Волчков В.М., Пашков П. О. Реализация теоретической прочности в металлах при прохождении плоских ударных волн.// Физ. и хим. обраб. материалов, № 1, 1968.—С.135.

22. Гаврилин КВ., Ершов Г.С. О механизме самодиффузии в жидких металлах. //Изв АН СССР, Металлы, № 5,1976.

23. Диффузия в металлах и сплавах. Структура и свойства металлов и сплавов, /ред. JI.H. Ларикова/, Киев "Наукова Думка", 1987, 510 с.

24. Жуков A.M. Анализ факторов, влияющих на площадь соприкосновения стружки с передней гранью инструмента и на среднее удельное нормальное давление.// Вестник машиностроения, № 9,1953.

25. Зорев Н.Н., Фетисова З.М. Обработка резанием тугоплавких сплавов. —М.: Машиностроение, 1966.— С. 224.

26. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов. — М.: Маш-гиз, 1956,-367 с.

27. Зорев Н.Н. О взаимозависимости процессов контакта передней поверхности инструмента.//Вестник машиностроения, № 12, 1963. — С. 42-50.

28. Исаев А.И. Процесс образования поверхностного слоя при обработке металлов резанием. —М.:Машгиз, 1960. — 358 с.

29. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. Изд-во «Наука», М.,1976, 576 с.

30. Козлов А.А., Дементьева Н.Г. Проблема устойчивости механической обработки жаропрочных сплавов. //Научно практическая конференция ученых и специалистов.// - Королев, 2003, С. 106 - 108.

31. Козлов А.А., Дементьева Н.Г., Об устойчивости гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях быстрорежущего инструмента при механической обработке металлов. Вестник машиностроения № 4. М., 2005. -С.57-61.

32. Комник С.Н. Бенгус В.З. О природе релаксации напряжений в деформированных кристаллах//ДАН СССР, т. 166, № 4,1966,—с. 829-832.

33. Краткий справочник физико-химических величин. Под ред. К.П. Мищенко, А.А. Равдель. Ленинград, «Химия», 1974.

34. Кубашевский О., Гопкинс Б. Окисление металлов и сплавов. М., «Металлургия», 1965, с. 428.

35. Кубашевский О., Олкокк С.Б. Металлургическая термохимия. М.: Металлургия, 1982, 391 с.

36. Кузнецов В.Д. Физика твердого тела.—Томск: Из-во "Красное знамя", 1944.

37. Куликов М.Ю. О реализации механизма диффузионной ползучести в процессе работы режущего инструмента // Состояние и перспективы развития электротехнологии: Тез.докл. Международная научно техническая конференция. -Иваново, 1992.-С.151.

38. Куликов М.Ю. Разработка способов повышения работоспособности режущего инструмента на основе анализа механизмов его микро и субмикроразруше-ния: Доктр. диссертация, - М., 1998. 261 с.

39. Куликов М.Ю., Беккер М.С., Егорычева Е.В. Физическая модель изнашивания инструмента из быстрорежущей стали И Вестник машиностроения. 1997. №8. С.41-44.

40. Кушнер B.C. Термомеханическая теория процесса непрерывного резания пластических материалов— Из-во Иркутсуого университета, 1982. —179 с.

41. Лоладзе Т.Н. Износ режущего инструмента.—М.: Машгиз, 1958 .—355 с.

42. Лоладзе Т.Н. Прочность и изностойкость режущего инструмента.—М.: Машиностроение,! 982.— 319 с.

43. Лоладзе Т.Н., Миканадзе А.И., Козлов А.А. Экспериментальные исследования процесса стружкообразования при вибрационном резании // Труды Международного семинара «Высокие технологии в машиностроении». Алушта, Украина, 1994.

44. Миркин Л.И. Физические основы прочности и пластичности—М.:Из-во МГУ, 1968.—539 с.

45. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел.—М.:ИЛ, 1954, 864 с.

46. Окисление металлов. Т. 2. Под ред. Бенара Ж. Перев. с франц. — Изд. «Металлургия», 1969, — 444 с.

47. Полухин Л.И., Гун Г.Л., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов.—М.:Металлургия, 1976.— 487 с.

48. Рехт Р.Ф. Разрушающий термопластический сдвиг //Труды американского общества инженеров-механиков,"Прикладная механика"/ пер. с англ, т. 31, сер. Е, № 2.—М.: Мир, 1964.— С. 3^39.

49. Справочник по специальным функциям. Под ред. М. Абрамовица и И.Стиган. М.: «Наука», 1979. - 830 с.

50. Свойства элементов. Справочник под ред. М.Е. Дрица. Москва «Металлургия», 1985, с.462.

51. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М., ИЛ., 1951,193 с.

52. Семенов Н.Н., Цепные реакции. 2 изд., — М.: Наука, 1986, с. 535.

53. Синопалышков В.А. Надежность режущего инструмента: Учеб. пособие. —М: Мосстанкин, 1990, 92 с.

54. Стопин A.M., Худяев С.И. Неизотермическая неустойчивость течения вязко-упругих сред// ДАН СССР, т. 207, №1, 1972.

55. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. Кикоина И.К., М., Атомиздат, 1976, 1006 с.

56. Талантов Н.В. Исследование контактных процессов, тепловых явлений и износ инструмента//Докт. диссерт.—Казань, 1970.— 455 с.

57. Талантов Н.В., Быков Ю.М. Исследование влияния тугоплавких покрытий на износостойкость твердосплавного инструмента // Теплофизика технологических процессов. Волгоград: 1980. с.59.

58. Талантов Н.В., Дудкин М.Е. Исследование диффузионных процессов при обработке сталей твердосплавными инструментами // Технология и автоматизация производственных процессов. Волгоград: 1978., с.79 - 81.

59. Талантов Н.В., Дудкин М.Е., Быков Ю.М. О механизме диффузионного износа твердосплавного инструмента // Физические процессы при резании металлов: Сб. тр. Волгоград, 1980, с.23 - 29.

60. Талантов Н.В. Физические основы процесса резания изнашивания и разрушения инструмента. М.: Машиностроение, 1992. — 240 с.

61. Талантов Н.В., Тананин А.И. Исследование кинематики и процесса пластического деформирования контактных слоев стружки. //Совершенствование процессов резания и повышение точности металлорежущих станков.// Ижевск, 1969.

62. Талантов Н.В., Тананин А.К, Хохряков JI.A. Особенности процессов контактных пластических деформаций при различных скоростях резания// Сб.«Совершенствование процессов резания и повышение точности металлорежущих станков».— Ижевск, 1969.

63. Талантов Н.В., Черемушников Н.В. Влияние скорости на контактные процессы и основные характеристики процесса резания// Известия вузов, «Машиностроение», № 3, 1981.— С. 11-115.

64. Талантов Н.В., Черемушников Н.В., Курченко А.И. Влияние скорости на закономерности процесса резания и износа инструмента.// Сб. «Технология машиностроения и автоматизации производственных процессов».— Волгоград, 1978.—С. 29-49.

65. Физико — химические свойства окислов: Справочник. Под ред. Г.В.Самсо-нова, М.: Металлургия, 1978, с. 471.

66. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. -М.: Наука, 1987.-502 с.

67. Франк-Каменецкий Д.А. Журнал технической физики. 9, 1457, 1939.

68. Франк-Каменецкий Д.А. Журнал физической химии.- Т 13, 738, 1939.

69. Франк-Каменецкий Д.А. Журнал физической химии.- Т 13, 738, 1939.

70. Френкель Я.И., Конторова Т.А. К теории пластической деформации и двой-никования// ч.1, ЖЭТФ, 8, 1938.— С.89-95// ч.2, ЖЭТФ, 8, 1938.— С.1340-1349// ч.З, ЖЭТФ, 8, 1938.— С.1349-1359.

71. Френкель Я.И. Введение в теорию металлов.— Л.: Наука, 1972.— 423 с.

72. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей.—Л.: Наука, 1975.—527 с.

73. Эванс Ю.Р. Коррозия и окисление металлов. М., Машгиз., 1962, с. 856.

74. Элъсгольц Н.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. — М.: Наука, 1969. С.227-229.

75. Эллиот Р.П. Структуры двойных сплавов. М.: Металлургия, Т 1, 1970, 455 с.