Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные положения механики разрушения и возможность их применения для изучения процесса резания синтеграна 7
1.1. Разрушение как процесс зарождения и развития трещины. Параметры, характеризующие процесс разрушения 7
1.2. Механизм зарождения трещины 10
1.3. Механизм развития трещины 12
1.3.1. Напряжения, вызывающие рост трещины 12
1.3.2. Неустойчивость развития трещины. Критическая длина и критическая скорость распространения трещины 14
1.3.3. Напряженно-деформированное состояние в районе трещины 17
1.4. Процесс резания - как процесс разрушения материалов. 19
Глава 2. Основы теории обрабатываемости синтеграна резанием 25
2.1 Особенности обработки синтеграна 25
2.2 Процесс стружкообразования при резании синтеграна
2.3. Сила резания 30
2.4. Износ инструмента 36
2.5. Выбор инструмента 41
2.6. Математическая модель напряженного состояния зерна и срезаемого слоя 44
2.7. Динамика процесса резания синтеграна 56
2.8. Тепловые явления при резании синтеграна
Глава 3. Экспериментальные исследования возможности резания синтеграна 73
3.1. Описание стенда 73
3.2. Однофакторные исследования по определению влияния режимов резания на составляющие силы резания и износ инструмента 76
3.3. Полный факторный эксперимент (ПФЭ-2 )по определению зависимости износа инструмента от режимов резания 86
3.4. Шероховатость поверхностного слоя синтеграна 97
Выводы 101
Литература
- Механизм развития трещины
- Напряженно-деформированное состояние в районе трещины
- Выбор инструмента
- Полный факторный эксперимент (ПФЭ-2 )по определению зависимости износа инструмента от режимов резания
Механизм развития трещины
Под действием внешних нагрузок в теле возникает поле номинальных напряжений. На первой стадии в слабейших и наиболее напряженных группах элементов структуры возникают зародыши макроскопических трещин с характерным размером 1. Возникновение зародышей представляет собой точечный случайный процесс порождаемый с одной стороны случайным размещением в объеме V слабейших и наиболее напряженных первичных элементов, а с другой стороны - процессом нагружения o(t).
На второй стадии макроскопические трещины растут. При этом каждая трещина в процессе развития пересекает весьма большое количество элементов структуры [11].
Известно большое количество описаний процессов зарождения трещин, применимых для некоторых частных случаев нагружения материала определенной структуры. При различных условиях нагружения одного и того же материала трещины могут возникать по разным механизмам и могут контролироваться различными макроскопическими характеристиками прочности материала или отдельных составляющих его структуры.
Не вызывает сомнения, что практически во всех случаях, кроме случая наличия начальных трещиноподобных дефектов, возникновению макроскопической трещины предшествует образование зародышевой трещины - микротрещины, величина которой соизмерима с размерами элементов структуры материала.
При нагружении многофазных и структурно-неоднородных материалов на поле номинальных напряжений накладывается самоуравновешенное поле микронапряжений. При этом необходимо учитывать взаимное влияние регулярно расположенных дефектов или включений [8,13,29,53,63], влияние форм включений.
При определенных условиях зародышевая трещина увеличивается в размерах и переходит в магистральную трещину - макротрещину. Под макротрещиной подразумевается трещина, размер которой настолько превышает размер наибольшего структурного элемента, что свойства любого фрагмента материала определенных размеров не отличаются от свойств любых других фрагментов материала таких же размеров.
В частности, это приводит к тому, что микроструктурная концентрация напряжений на порядок меньше концентрации напряжений у вершины макротрещины. В этом случае возможно решение задачи о трещине в рамках механики сплошной среды. Критерием размера зародыша макротрещины, зависящего от уровня и вида нагружения, может служить уровень концентрации напряжений на границах элементов бездефектной структуры материала. У вершины микротрещины концентрация напряжений того же порядка, что и микроструктурная концентрация напряженно -деформированного состояния. Поэтому велик диапазон рассеяния скоростей развития трещин дозародышевого размера.
Кроме зарождения и развития микротрещин возможен рассеянный характер разрушения: хрупкое разрушение от имеющихся во всем объеме микродефектов или накопление их и последующее разрушение без образования макротрещины.
В работе Болотина В.В. [10] представлена структурная модель накопления повреждения и замедленного разрушения материала. В исходном состоянии материал имеет некоторые несовершенства структуры (повреждения). При нагружении происходит либо хрупкое разрушение от исходных повреждений, либо постепенное накопление повреждений. Последний вариант протекания процесса может завершиться по одному из трех механизмов. Во-первых, плотность повреждений может достичь критического значения и разрушение происходит вследствие потери целостности. Во - вторых, в окрестности слабейшего звена может зародиться макротрещина, произойдет ее постепенный рост, и когда ее размер достигнет критического, произойдет разрушение. В-третьих, возможно хрупкое завершение процесса накопления рассеянных повреждений, т.е. множество малых трещин пронизывают весь объем, а магистральная макротрещина проходит через эти микротрещины.
Следует определить: 1) в какие моменты нагружения трещина возникает и начинает распространяться; 2) какая траектория развития трещины и с какой скоростью она растет. Наблюдаются две стадии процесса распространения трещины: 1) докритическая, если трещина растет медленно при сохранении условий равновесия во всем объема тела; 2) закритическая, когда трещина растет быстро, с нарушением условий равновесия во всем объема тела или в его части.
Согласно условию Гриффитса распространение трещины произойдет в том случае, когда уменьшение деформационной энергии в процессе роста трещины будет равно или больше увеличения потенциальной энергии, которая происходит при образовании новых поверхностей ди/дї дНо/д\. При этом критерий Гриффитса для распространения трещины в хрупком теле имеет вид \2EGS где Gs - упругая поверхностная энергия, Е - модуль упругости, 1 - длина трещины. Исследования Тетелмана [59] показали, что для продвижения трещины длиной 1, необходимо напряжение
Напряженно-деформированное состояние в районе трещины
Из-за структурных особенностей синтеграна и циклического характера стружкообразования значения сил Pz и PY будут меняться. Под структурными особенностями имеется в виду различие прочностных характеристик эпоксидного связующего и заполнителя, которыми и будут определяться колебания сил при резании синтеграна.
Формулы, полученные нами выше, справедливы только для первоначальной стадии образования элемента стружки, когда срезаемый слой упруго деформируется и образуется опережающая трещина длиной 1 1кр, при которой сила Re достигает максимальной величины.
С образованием трещины скалывания начинается процесс снижения сил, действующих на передней поверхности резца и когда длина трещины достигает критического значения, скорость ее распространения достигает 3000 м/с, т.е. происходит практически мгновенное образование элемента стружки, в результате чего сила Re падает до нуля.
Затем инструмент некоторое расстояние проходит без резания, но на данном участке силы на задней поверхности изменяются во времени, они либо увеличиваются, либо уменьшаются.
Если траектория опережающей трещины, при образовании элемента стружки, лежит выше линии среза, то плоскость скалывания расположена под некоторым положительным углом к поверхности резания и режущий инструмент вследствие округления режущей кромки некоторое время скользит по поверхности резания, не срезая стружки, и испытывает значительное давление со стороны обрабатываемого материала на заднюю поверхность.
В случае распространения трещины ниже линии среза режущее лезвие инструмента не контактирует с поверхностью обрабатываемого материала, и силы на задней поверхности инструмента падают от своего наибольшего значения до нуля.
Зависимость составляющих сил резания от подачи инструмента Материал Подача, S мм/об Силы резания, Н Удельноеусилие,рМПа Параметры резания Рх Pz Гранит од0,2 0,3 0,45 0,6 220 315 340 400 480 144 206 260 315 360 288 206 173 140 120 ВК8а=9, у=0 ф=90 v=26 м/мин t=5 мм Учитывая, что синтегран на 70% состоит из крошки твердокаменных пород, рассмотрим влияние режимов резания в области обработки камней близких по своим свойствам к габбро-диабазу. Так в работе [7] исследовано влияние скорости резания и подачи на силу резания при точении гранита. Установлено, что в диапазоне изменения скоростей от 5 до 70 м/мин влиянием ее на величину силы резания практически можно пренебречь. Зависимость силы резания от подачи носит нелинейный характер, т.е. усилие резания меняется непропорционально изменению толщины срезаемого слоя, а медленнее последней (табл.2Л) и, что удельная сила резания с увеличением толщины среза уменьшается.
Длина контакта по передней поверхности 1у невелика и может быть приближенно приравнена толщине среза. Надо отметить, что стружка оказывает на переднюю поверхность резца весьма малое давление и вследствие этого износ по передней поверхности практически отсутствует.
Поэтому резание синтеграна лезвийным инструментом сопровождается интенсивным изнашиванием режущего инструмента по задней поверхности, вследствие абразивного воздействия обрабатываемого материала и хрупким разрушением острого режущего лезвия.
При обработке хрупких пород лезвийным инструментом, представляющим собой консольно ущемленную балку, особое внимание привлекает, так называемое, усталостное изнашивание, вследствие колебательного характера движения режущего инструмента под действием переменного усилия резания. Амплитудные и частотные характеристики вибрационного состояния резца меняются в широких пределах от 1...5 кГц до 25...40 кГц. В связи с этим твердосплавный инструмент теряет свои режущие качества из-за усталости.
Выбор инструмента
Тогда поля нормальных и касательных напряжений в срезаемом слое определяют по формулам 2Nt (zt-h yj 2Tt (zt-h,)3 Yii n ((z, -htf + y)f ж ((z, -h,)2 + y)f ; 2N, y) 2Tt {Zt-hjy2 " n ({Zi-hiy+y2r n dz.-htf+y )2 - (2ЛЗ) 2N( {zt-ht)y) 2Tt (zt-h,)2yj где h( - расстояние точек приложения сил А и7]по оси Z до начала координат. Окончательное распределение напряжений в плоскости срезаемого слоя получаем с помощью суперпозиции напряжений, вызываемых каждой из сил N;, Т{ и PY, Pz На рис.2.14 - 2.15 представлены результаты расчетов по распределению напряжений в срезаемом слое. Реализация математической модели путем решения системы этих уравнений осуществлялось на ЭВМ с помощью языка программирования MATLAB. Данная программа представлена в качестве приложения к диссертации.
При помощи данной модели можно проводить вычислительные эксперименты по выявлению влияния параметров процесса обработки на выходные процессы резания, такие как износ инструмента и шероховатость полученной поверхности.
Например, обратив напряжения в срезаемом слое по оси Оу, а в теле зерна по линии Oz, и заменив их системой сосредоточенных сил, действующих на передней и задней поверхностях режущего клина, можно найти напряжения в любой точке режущей кромки инструмента.
Распределение касательных напряжений в области срезаемого слоя Имитируя условия стружкообразования синтеграна, когда контактные давления на передней и задней поверхности инструмента изменяются по какому-то периодическому закону и, наблюдая за динамикой поведения поля напряжений на режущем лезвии можно оценивать усталостную прочность инструмента.
Неустойчивость процесса резания синтеграна связана с образованием стружек скалывания. При этом процесс образования элемента стружки скола можно разделить на три стадии: а) упругая деформация срезаемого слоя и образование трещины скалывания; б) мгновенное образование стружки скалывания путем распространения опережающей трещины со скоростью 1500-3000 м/с; в) холостой ход инструмента, при котором резец проходит некоторое расстояние без резания. Если представить, что процесс стружкообразования осуществляется как внецентренное сжатие и изгиб образующейся стружки, тогда момент разрушения или образование элемента стружки определяется образованием и распространением трещины скалывания.
Тогда для определения продолжительности каждой стадии (рис.2.16) получим следующие выражения: Р у \affJ " вРемя перемещения инструмента без резания; где V - коэффициент Пуассона; Е - модуль упругости заполнителя, МПа; Р - радиус округления режущей кромки, м; Р - угол наклона плоскости скалывания, град.; тр - скорость распространения трещины, м/с; - скорость резания, м/с; а - толщина среза, м; Pz - составляющая силы резания, Н. Для определения числа циклов стружкообразования при резании отдельного заполнителя синтеграна необходимо знать ее размеры. В данном случае в качестве заполнителей применяется зерна габбро-диабаза следующих фракций 0,63-1,25 мм и 3-5 мм. Длительность резания соответствующей фракции определяется по формуле гр _ ЗЄр1 зері-- , (2.15) гр _ зер2 зеР2 _ у , где "зері - средний диаметр зерен фракций 3-5 мм, зер2 - средний диаметр зерен фракций 0,63-1,25 мм. Для определения числа циклов образования стружек скалывания, получим следующее соотношение т N = зер! СТруЖІ гр струж J" т- зер2 струж2 Гструж струж — упр р, (2.16) после подстановки формул (2.15) окончательно получим стружі зері , N yxl=d 2K, (2.17) к _ яЕ tgP Pz(3,6 + v) р Для вычисления частоты стружкообразования при точении синтеграна во внимание принимается объемная доля соответствующих фракций. Зная объемную долю, можно определить количество зерен находящихся на пути резания инструмента JJ = Є заг зеР Н , (2.18) зері дг _ С2 заг ЗЄР2 d изер2 где Сі и С2 - объемные доли фракций. При этом ширина прослойки эпоксидного связующего между зернами определяется по формуле / =(d +d І 1"(Cl+C2) і св V"3epl "зер2Д , J. (2.19) Тогда выражение для определения количества циклов стружкообразования за один оборот детали будет иметь вид N =N N +N N Плт струж зері стружі зер2 струж2 \Z..Z\)) после подстановки формул (2.18)-(2.19) получим Рис. 2.16 Стадии образования элемента стружки струж = Я заг (С1 +Сі). (2.21) Для определения частоты стружкообразования применим соотношение вида струж = КСл заг эд ,[Гц] (2.22) ГДЄ С = (Cj + С2 ) , где n - частота вращения детали, [об/мин]. При этом общая частота представляется в виде суммы частот стружкообразования и врезания в зерна. Под частотой врезания в зерна синтеграна имеется в виду частота перехода от резания связующего к резанию заполнителя.
Полный факторный эксперимент (ПФЭ-2 )по определению зависимости износа инструмента от режимов резания
Это можно объяснить возрастанием роли охлаждающего свойства СОТС с повышением режимов обработки. Данные исследования еще раз подтвердили те выводы, которые мы сделали на основании однофакторного и полного факторного эксперимента, а именно о незначительном влиянии скорости резания на износ инструмента по задней поверхности.
Влияние СОТС на Из в зависимости от режимов резания: а) скорость резания; б) подача; в) глубина резания: 1 - резание без СОТС; 2 - резание с использованием СОТС Например, при изменении v от 28,3 м/мин до 113,1 м/мин, т.е. на 400%, величина износа меняется только на 22,7%, а в случае применения СОТС наблюдается, что износ инструмента h3 при v= 113,1 м/мин меньше, чем при v=28,3 м/мин на 8,9%.
Однако, не следует экстраполировать эти данные на высокоскоростные области обработки. Так как при этом особую значимость приобретают температуры резания, и в данных условиях может оказаться, что уже синтегран будет выступать в роли инструмента (шлифовального круга) по отношению к твердосплавному резцу.
Известно, что скорость резания на износ инструмента влияет косвенно, через температуру резания. При лезвийной обработке металлов количество тепла, образующегося при резании, можно определить с помощью выражения Q = QM+QTII+QT3 , где Од - количество тепла от деформаций в условной плоскости сдвига; Qm - количество тепла от трения стружки по передней поверхности; QT3 - количество тепла от трения обрабатываемой детали о заднюю поверхность инструмента. При этом самыми мощными тепловыми источниками являются процессы пластической деформации на условной плоскости сдвига и трение стружки о переднюю поверхность. Вклад же Qn в общий приход тепла в зону резания невелик. Из-за специфики физико-механических явлений, сопровождающих процесс обработки синтеграна, влияние составляющих Qn , Qm и QT3 на температуру резания прямо противоположно, чем в случае резания металлов, т.е. основными источниками тепла будут являться контактные явления и трение на задней поверхности инструмента. P4
Поэтому, при данных обстоятельствах важен характер зависимости температуры от скорости скольжения трущихся пар инструмент -обрабатываемый материал, так как в основном этой характеристикой будет определяться верхний предел рациональных скоростей резания при различных условиях обработки.
На рис.3.11 показан характер изменения температур от скорости трения при различных нагрузках Р [27].
Видно, что силы Р во многом определяют интенсивность возрастания температур. Для наших условий это означает, что величина сил, действующих на задней поверхности, приобретают особую важность для эффективной обработки синтеграна.
В настоящее время, подавляющее большинство приборов и измерительных систем, используемых при контроле качества поверхности, основано на щуповом контактном методе с последовательным преобразованием координат или отклонений координат измеряемой поверхности. Данная работа связана с одним из параметров качества поверхности шероховатости поверхности.
Шероховатость поверхности возникает в процессе ее формирования и является следом резца или копирует неровности режущей кромки инструмента, возникает из-за распространения трещин в глубь материала при образовании стружки или вибраций, появляющихся при резании, а также в результате действия других причин.
Шероховатость поверхности оценивается по неровностям профиля, получаемого путем сечения реальной поверхности плоскостью. Для отделения шероховатости поверхности от других неровностей с относительно большими шагами ее рассматривают в пределах базовой длины 1. Шероховатость синтеграна определяли через среднее арифметическое отклонение профиля по десяти точкам Rz. Высота неровностей профиля по десяти точкам Rz - это сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин в пределах базовой длины:
Измерение шероховатости поверхности синтеграна показало, что при одинаковых условиях обработки величин Rz заполнителя значительно превышает (2-5 раза) Rz связующего (Рис.3.12. а, б).
Такое соотношение шероховатости можно объяснить тем, что микронеровности связующего определяется, как и при резании металлов, следом режущего инструмента или отображает его неровности.
Шероховатость заполнителя формируется исключительно в соответствии с его структурно-неоднородной организацией, т.е. следует учитывать, что заполнитель, в качестве которого используется габбро-диабаз, представляет собой зернисто-кристаллическую структуру, и его шероховатость будет определяться в основном траекторией распространения микротрещин в глубь материала при образовании стружки. RZ,MKM 100 60 40 0,5
Доказательством этого может служить профилограмма (рис.3.12. в), где показано изменение шероховатости при переходе от связующего к заполнителю. Если принять, что уровню шероховатости связующего соответствует линия среза, то из рисунка видно, что наивысшая точка поверхности заполнителя расположена ниже линии среза на 20 мкм, что говорит о распространении микротрещин в глубь материала по наименее прочным структурным составляющим - по межзеренным и межфазным границам.
