student from 01.01.2019 until now
Stary Oskol, Belgorod, Russian Federation
employee
Stariy Oskol, Belgorod, Russian Federation
employee
Stariy Oskol, Belgorod, Russian Federation
employee
Stariy Oskol, Belgorod, Russian Federation
VAC 05.02.07 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки
UDK 621.9.048.6 Ультразвуковая обработка. Вибрационная обработка
GRNTI 55.19 Резание материалов
BBK 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
The work objective is to consider the possibility of creating conditions for appearing a leading crack by adjusting the modes of vibratory turning, regardless of the properties of the machined materials. The problem to which the paper is devoted. The paper is devoted to modeling vibration turning for developing stresses in the machined material to create conditions for appearing and maintaining a leading crack and in the cutting area during vibratory turning, the search for optimal modes to create conditions for its existence. Research methods. Modeling was carried out by the finite element method in Deform software application. The starting point for modeling was the results of field experiments on vibratory turning of corrosion-resistant austenitic steel 12X18H10T. The novelty of the work lies in the application of the finite element method to define the modes of vibratory turning in order to create a certain area of internal stresses in the processed material in a given direction for forming a leading crack. Study results. As a result of modeling, optimal turning modes are defined during vibration cutting, which will create conditions for appearing a leading crack and exhausting the plasticity margin of the machined material. Conclusions: The creation of a leading crack and the exhaustion of the plasticity margin of the machined material contributes to the chip control, the formation of microgeometry of the machined surface during vibratory turning, the reduction of cutting forces when turning hard-to-machine materials and built-up surfaces.
vibratory turning, amplitude, oscillations, frequency, oscillations, method, finite elements, crack, interaction, margin, plasticity
Введение
Механическая обработка заготовок из различных труднообрабатываемых материалов и из конструкционных сталей с восстановленными рабочими поверхностями, методом электродуговой наплавки, при резании на станках токарной группы, происходит с зарождением ряда физических процессов в зоне контакта инструмента с заготовкой. Процессы, происходящие в зоне контакта инструмента и заготовки, значительно влияют на условия протекания процесса механической обработки, в частности, на такие параметры, как величина микронеровностей поверхности и шероховатость поверхности после механической обработки, период стойкости режущего инструмента. Основными такими являются процесс образования стружки и наростообразование. Необходимо выделить, что процесс образования стружки во время протекания процессов механической обработки резанием отличается в зависимости от физико-механический свойств, обрабатываемого материала. Для нахождения наиболее эффективных условий протекания процесса обработки определённого материала необходимо изменить ряд параметров, таких как режимы резания и геометрия режущего инструмента. При нахождении необходимых значений этих параметров возможно кардинально изменить протекание процесса резания для выбранного материала.
В работе [1] было установлено явление, которое связано с возникновением опережающей трещины в срезаемой части материала, которая была направлена от вершины резца в заготовку. Было отмечено, что возникновение опережающей трещины наблюдалось в сталях средней твердости при значительной толщине стружки. Возникновение опережающих трещин также было отмечено в сталях, которые были подвержены термической обработке в виде нормализации или улучшения. Структура таких сталей способствовала разрушаться ее, при механической обработке резанием, легче по самим зернам, чем по прослойкам. При этом было отмечено, что в мягких по твердости и вязких по механическим свойствам металлах, возникновение опережающей трещины не наблюдалось. Механическая обработка таких материалов, резанием с высокими скоростями, образованию опережающей трещины не способствовала [8].
Существовало и противоположное мнение о данном явлении, так коллективом авторов в работе [2] опровергалось существование такого явления, как опережающая трещина.
Таким образом, следует вывод, что при выявлении, в результате экспериментальных исследований явления опережающей трещины, наблюдались значительные различия в методологии эксперимента. Также, на данное явление оказывает влияние большое количество факторов, которые, по всей видимости не учитывались в экспериментах вовсе или учитывались, но не в полном объеме.
В 1912-1914 гг. одним из ученых был использован металлографический метод для нахождения и определения линий скольжения в удаляемом с поверхности заготовки слоя материала. Эти линии и есть следы плоскостей скольжения, и по которым происходило скольжение частиц металла внутри элементов (рис. 1).
Рис. 1. Схема образования стружки:
t – глубина резания, υ – скорость
резания, β1 – угол сдвига,
β2 – угол плоскости скольжения,
АВ – плоскость сдвига,
CD – плоскость скольжения
Fig. 1. Chip formation scheme:
t – is the depth of cut, υ is the cutting
speed, β1 – is the shear angle,
β2 – is the angle of the sliding plane,
AB – plane of shear, CD – slip plane
Исследования, проводимые после, под руководством профессора А. М. Розенберга [2], также подтвердили наличие линий скольжения, обнаруженные ранее Я. Г. Усачевым. По результатам исследований, было отмечено увеличение углов β1 и β2 при увеличении глубины, скорости резания и переднего угла режущего инструмента, также оказывало значительное влияние на протекание процесса стружкообразования.
|
6 |
Результаты дальнейших исследований, о протекании процесса возникновения опережающей трещины представлены в статье [2, 3]. Авторами было установлено, что разрушение обрабатываемого материала, вследствие создания зоны повышенных значений напряжений расположенной рядом с режущей кромкой инструмента и в зависимости от механических свойств обрабатываемого материала, при резании может происходить по двум схемам: формированию пластической зоны по направлению 1 и опережающей трещины по направлению 2 (рис. 2).
В результате проведения экспериментальных исследований, авторами было установлено, что возникновение зон концентраций напряжений, в зоне контакта режущего инструмента и поверхности заготовки, происходит вне зависимости от свойств обрабатываемого материала [3]. Результаты, полученные с помощью конечно-элементного моделирования, воспроизведенного по результатам практических экспериментов, показали, что продолжение роста величины сжимающих усилий не оказывает влияния на качественные изменения зоны деформаций. Следует отметить, что также происходит увеличение зоны и степени пластических деформаций, при этом процесс стружкообразования от процесса сжатия не происходит. Предположительно для зоны 1 преобладает такой вид деформаций как изгиб, способствующий отделению припуска обрабатываемого металла в месте ослабления концентраций напряжений. Для зоны 2 стружка при изгибе начинает разрушаться у основания «консоли», в этом случае происходит сдвиг стружки по поверхности сдвига.
Рис. 2. Зоны возможных разрушений:
1 – зона разрушения упругопластичных
материалов, 2 – зона разрушения хрупких
материалов
Fig. 2. Zones of possible destruction:
1 – zone of destruction of elastoplastic materials,
2 – zone of destruction of brittle materials
Была выявлена прямая зависимость между размером зоны пластических деформаций и значением изгибающего момента отделяемой стружки. При этом образующийся рычаг снижал значение силы, необходимое для разрушения обрабатываемого материала. Если в зоне резания преобладает работа изгиба, то стружкообразование происходит при разрушении припуска вдоль поверхности резания в зоне 1, последующий сдвиг вдоль области разрушения и циклическое повторение этих действий воздействует на образование элементной стружки. Для хрупких материалов после образования опережающей трещины рядом с местом врезания вершины лезвия инструмента, незначительный изгиб возникающей консоли завершается изломом и образуется стружка надлома. Авторы в своей работе не исключают, что при хрупком разрушении наблюдаются предварительные пластические деформации, что сходится с теорией разрушения Степанова, и наоборот, при разрушении пластичных материалов зарождаются явления, происходящие при точении хрупких материалов, связанные с упрочнением, деформированием кристаллических решёток и концентрацией дислокаций [3, 4].
Материалы, модели, эксперименты и методы
Для точения заготовок из труднообрабатываемых материалов используют различные точения с введением в зону резания дополнительной энергии. Одним из таких методов является точение с наложением маятниковых колебаний на вершину режущего инструменат. Оптимально выбранные вибрационные характеристики способствуют получению максимальной производительности процесса вкупе с повышением периода стойкости режущего инструмента и созданием процесса стружкодробления. При вибрационном точении на процесс резания влияют ряд факторов, отличных от обычного точения. Достижение наибольшей эффективности применения вибрационного точения для обработки различных материалов является важной задачей. Эту задачу позволяет решить моделирование этого процесса в программном комплексе DEFORM, используя метод конечных элементов [5-7].
Таблица 1
Режимы вибрационного резания для конечно-элементного моделирования
|
Скорость резания V, м/мин |
Частота колебаний f, Гц |
Амплитуда колебаний A, мкм |
Глубина резания t, мм |
Подача на оборот Sо, мм/об |
|
100 |
25 |
50 |
0,5 |
0,15 |
|
100 |
50 |
100 |
||
|
100 |
75 |
150 |
||
|
200 |
25 |
50 |
||
|
200 |
50 |
100 |
||
|
200 |
75 |
150 |
Были смоделированы процессы точения и вибрационного точения на различных режимах резания колебания для различных марок труднообрабатываемых сталей, например, 08X17H13M2, 65Г, ШХ15.
|
7 |
Более яркие различия в смоделированных процесса наблюдались при обработке стали марки 12Х18Н10Т. Аналогом данного материала в среде моделирования являлся AISI-321 (стандарт США). При моделировании процессов температура заготовки принималась 20 ℃, с заявленной твёрдостью по шкале Бринелля равной 170 НВ, фазовое состояние заготовки – пластичное. В качестве материала режущей кромки инструмента был выбран твёрдый сплав марки WC (карбид вольфрама) [9].
Наиболее эффективным показал себя процесс со следующими параметрами: Скорость резания V = 200 м/мин, частота колебаний f = 75 Гц, амплитуда колебаний A = 150 мкм, глубина резания t = 0,5 мм, подача на оборот So = 0,15 мм/об. Далее приведём результаты сравнения этого процесса с обычным точением для выявления различий, возникающих в зоне резания при обработке.
Результаты
Первым параметром для сравнения процессов резания была температура. На рис. 3 отчётливо видно зону распределения максимальных температур при обычном точении, максимальные значения которой находились в диапазоне 360-410 °С.
Рис. 3. Температура в зоне резания
при обычном точении
Fig. 3. Temperature in the cutting
zone during normal turning
Следующими параметрами для анализа были тангенциальная и нормальная составляющие силы резания. При смоделированном процессе точения были получены следующие значения тангенциальной силы Pz, представленные на рис. 6. График отображает скачок силы резания, что связано с наклёпом или налипанием срезаемой стружки на кромке режущего инструмента, вследствие чего происходит перепад напряжений и усилий на передней кромке резца. Это также отображает обширная зона напряжений в зоне резания преходящая в тело стружки. Кроме того, значения этой составляющее постепенно повышалась в ходе процесса резания, что отрицательно сказывалось на износе режущего инструмента.
|
8 |
Периодические спады напряжений в зоне резания и на режущей кромке инструмента также положительно влияют на протекание процесса резания, снижая его износ.
Рис. 4. Температура в зоне резания
при вибрационном точении
(в нижнем положении инструмента)
Fig. 4. Temperature in the cutting
zone during vibration turning
(in the lower position of the tool)
Рис. 5. Температура в зоне резания
при вибрационном точении
(в верхнем положении инструмента)
Fig. 5. Temperature in the cutting
zone during vibration turning
(in the upper position of the tool)
Рис. 6. График значений тангенциальной составляющей силы резания
и распределение напряжений в зоне резания при обычном точении
Fig. 6. Graph of the values of the tangential component of the cutting force
and the distribution of stresses in the cutting zone during conventional turning
При обычном точении (рис. 9) прослеживалась такая же тенденция повышения напряжений, как и у тангенциальной составляющей. В целом нормальная составляющая находилась в более стабильном диапазоне в процессе резания, но наблюдалась тенденция, схожая с тангенциальной составляющей силы резания.
Далее анализировались нормальные составляющие силы резания, они также представлены в виде графиков значений.
Рис. 7. График значений тангенциальной составляющей силы резания
и распределение напряжений в зоне резания при вибрационном точении
(в верхнем положении инструмента)
Fig. 7. The graph of the values of the tangential component of the cutting force
and the distribution of stresses in the cutting zone during vibration
|
9 |
После моделирования вибрационного процесса, можно отметить, что нормальная составляющая силы резания изменяется по тому же периодическому закону, что и тангенциальная. Это подтверждается графиком и распределением значений этой составляющей на протяжении всего процесса точения, представленным на рисунке 10. Стоит отметить, что изменение значений этой составляющей несущественно и можно сделать вывод, что она оказывает меньшее влияние на протекание процесса точения, нежели тангенциальная составляющая.
Важным параметром для сравнения является напряжение в зоне резания и области его распределения.
Рис. 8. График значений тангенциальной составляющей силы резания и распределение напряжений
в зоне резания при вибрационном точении (в нижнем положении инструмента)
Fig. 8. The graph of the values of the tangential component of the cutting force and the distribution of stresses
in the cutting zone during vibration turning (in the lower position of the tool)
При моделировании процесса точения наблюдались стабильные значения этого показателя с достаточно большой зоной распределения, показанные на рис. 11. Таким образом, наличие такой зоны распределения напряжений ухудшает протекание процесса резания. Пиковые значения напряжений достигали порядка 770-775 МПа, а средний диапазон был 740-750 МПа. В течении процесса наблюдались резкие возрастаний напряжений, связанные с наклёпом или налипанием стружки на передней поверхности резца.
Рис. 9. График значений нормальной составляющей силы резания и распределение напряжений
в зоне резания при обычном точении
Fig. 9. Graph of the values of the normal component of the cutting force and the distribution of stresses
in the cutting zone during conventional turning
|
10 |
Во время моделирования процесса вибрационного точения диапазон средних значений был 740-770 МПа, но максимальные значения не выходили за пределы этого диапазона. Кроме того, наблюдались периодические перераспределения зон и снижения величин напряжений, связанные с приложенными к резцу периодическими колебаниями, это можно увидеть на рис. 11 и 12. При уходе резца из зоны резания происходило снижение напряжений на его передней поверхности, в пользу деформаций снимаемого слоя в виде стружки, что не только способствовало снижений износа инструмента, но и несколько улучшало предварительное деформирование материала перед воздействием на него режущей кромкой для последующего срезания в виде стружки при рабочем ходе резца.
Рис. 10. График значений нормальной составляющей силы резания и распределение напряжений
в зоне резания при вибрационном точении (в нижнем положении инструмента)
Fig. 10. The graph of the values of the normal component of the cutting force and the distribution
of stresses in the cutting zone during vibration turning (in the lower position of the tool)
Рис. 11. Зона распределения напряжений в зоне резания
при обычном точении
Fig. 11. The zone of stress distribution in the cutting
zone during conventional turning
|
11 |
Рис. 12. Зона распределения напряжений в зоне резания
при вибрационном точении (в верхнем положении инструмента)
Fig. 12. Zone of stress distribution in the cutting zone during
vibration turning (in the upper position of the tool)
Рис. 13. Зона распределения напряжений в зоне резания
при вибрационном точении (в нижнем положении инструмента)
Fig. 13. Zone of stress distribution in the cutting zone during
vibration turning (in the lower position of the tool)
Заключительным параметром для сравнения процессов резания была скорость интенсивности деформаций. Эта величина показывает на сколько быстро протекают процессы деформаций в заготовке при механической обработке, а именно сколько миллиметров деформируются внутри поверхности за определённый период времени.
После моделирования было определено, что при обычном резании создаётся стабильная зона этого параметра. Значения уменьшались пропорционально удалению от точки контакта с режущей кромкой инструмента. Результаты моделирования представлены на рис. 14.
|
12 |
Рис. 14. Скорость интенсивности деформаций
при обычном точении
Fig. 14. Strain intensity rate for conventional turning
Рис. 15. Скорость интенсивности деформаций
при вибрационном точении (в верхнем
положении инструмента)
Fig. 15. The rate of the intensity of deformations
during vibration turning (in the upper
position of the tool)
Рис. 16. Скорость интенсивности деформаций
при вибрационном точении (в нейтральном
положении инструмента)
Fig. 16. The rate of the intensity of deformations
during vibration turning (in the neutral
position of the tool)
При переходе в нейтральное положение амплитуды происходит перераспределение напряжений и деформаций в зоне резания, тем самым начиная предварительное деформирование второго направления на обрабатываемой поверхности (рис. 16). В момент полного перехода в нижнее положение инструмента зона деформаций полностью переходит в нижнюю, ещё не подвергшуюся обработке область. Это показано на рис. 17. Такое распределение деформаций происходит периодически, в момент каждого перехода в нижнее положение амплитуды, тем самым создавая дополнительные предварительные напряжения в теле заготовки, что обеспечивает снижение прочности материала при резании и позволяет достигать перепадов напряжений, которые в свою очередь создают начальную опережающую трещину.
Рис. 17. Скорость интенсивности деформаций
при вибрационном точении (в нижнем
положении инструмента)
Fig. 17. The rate of the intensity of deformations
during vibration turning (in the lower
position of the tool)
Это создаёт оптимальные условия для протекания процесса стружкодробления, что увеличивает эффективность процесса вибрационного резания.
Обсуждение/Заключение
Проанализировав результаты моделирования можно сделать вывод, что вибрационное точение создаёт ряд факторов, оказывающих положительное влияние на процесс резания. Наиболее эффективно показывает себя процесс вибрационного точения с амплитудой A = 150 мкм, частотой f = 75 Гц на скорости резания 200 м/мин. В сравнении с другими смоделированными процессами он создаёт наиболее значительные перепады в напряжениях и деформациях в зоне резания при достаточно стабильном диапазоне температур, что обеспечивает повышение производительности процесса резания и протекания процесса стружкодробления без интенсивного влияния на увеличение износа инструмента.
1. Pankin A.V. Obrabotka metallov rezaniem. Moskva: Mashgiz, 1961. 520 s.
2. Rubinshteyn S.A., Levant G.V., Ornis N.M., Tarasevich Yu.S. Osnovy ucheniya o rezanii metallov i rezhuschiy instrument. Moskva: Mashinostroenie, 1968. 392 s.
3. Yacun E.I., Emel'yanov S.G., Remnev A.I., Shvec S.V. Mehanizm struzhkozavivaniya pri rezanii metallov. Tehnologiya mashinostroeniya. 2012;5:9-14.
4. Sergiev A.P., Vladimirov A.A., Makarov A.V., Shvachkin E.G. Fizicheskie osnovy processa vibracionnogo rezaniya pri tochenii. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2017;3:94-102.
5. Sergiev A.P., Vladimirov A.A., Shvachkin E.G. Optimization of Vibrational Cutting. Russian Engineering Research. 2017;37(6):505-508.
6. Vladimirov A.A., Afonin A.N., Makarov A.V. Capabilities of vibration cutting at turning of hard-to-cut materials and built-up surfaces. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2020;747;012063:1-7. doi:https://doi.org/10.1088/1757-899X/747/1/012063.
7. Vladimirov A.A., Makarov A.V., Martynov E.M. Using vibration cutting for finish turning hard materials. Journal of Physics: Conference Series. 2019;1399;044013:1-7. doi:https://doi.org/10.1088/1742-6596/1399/4/044013.
8. Sergiev A.P., Vladimirov A.A., Shvachkin E.G. K voprosu o fizicheskih yavleniyah v zone treniya. RUSSIAN SCIENTIST. 2017;1(1):20-30.
9. Vladimirov A.A., Sergiev A.P., Makarov A.V. Modelirovanie processa vibracionnogo tocheniya v programmnom komplekse DEFORM. Nauchno-tehnicheskiy vestnik Povolzh'ya. 2018;5:82 - 85.
