close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Принцип наименьшей энергии пластической деформации при разрушении как основа понимания и оптимизации обработки металлов резанием..pdf

код для вставкиСкачать
ВОПРОСЫ РЕЗАНИЯ МАТЕРИАЛОВ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ
СПЕЦИАЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА
УДК 621.9
ПРИНЦИП НАИМЕНЬШЕЙ ЭНЕРГИИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ
ДЕФОРМАЦИИ ПРИ РАЗРУШЕНИИ КАК ОСНОВА ПОНИМАНИЯ
И ОПТИМИЗАЦИИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ
В.П. Астахов
Объясняется важнейший закон резания металлов — принцип наименьшей
энергии пластической деформации при разрушении (ПНЭР). Согласно ПНЭР эта энергия должна быть минимизирована, так как является прямой потерей энергии не служащей никакой практической цели. Рассмотрены практические меры реализации
ПНЭР, главной из которых является управление трехосностью (triaxiality) напряженного состояния в зоне обработки. Практическая реализация ПНЭР ведет к увеличению
стойкости инструмента, уменьшению силы резания и улучшению качества обработки.
Ключевые слова: резание металлов, пластическая деформация снимаемого
слоя, напряженное состояние.
Обработка металлов резанием или просто резание металлов резанием является одним из старейших производственных процессов, широко
используемых в промышленности. По экспертным оценкам, 15 % стоимости деталей, узлов и машин, производимых в мире, приходится на операцию обработки резанием [1]. Несмотря на экономическую важность операции резания металлов, процесс обработки резанием остается одним из
наименее изученных, что подтверждается крайне низкой предсказательной
способность известных моделей резания [2]. В подтверждение сказанному,
можно привести результаты анализа операций механической обработки в
автомобильной промышленности, включая производство штампов и прессформ [3]:
1) правильная геометрия выбирается только для менее 30% режущего инструмента;
2) рациональный режим обработки используется только для 48%
операций;
141
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч. 1
3) только 57 % инструментов используются до достижения суммарной расчетной стойкости;
4) правильный инструментальный материал выбирается только для
менее 30 % используемых инструментов;
5) рациональные марки СОЖ и условия ее подвода в зону обработки применяются только для 42 % операций.
Вышеперечисленное, по мнению автора, является следствием того,
что существующие теории и основанные на них модели резания металлов
[4] не отвечают реальности даже в первом приближении [5]. Поэтому проектирование операций механической обработки по-прежнему основывается на чисто эмпирических данных и опыте.
Целью настоящей работы является рассмотрение разработки совершенно нового подхода к моделированию процесса обработки металлов
резанием и формулирование на этой основе основополагающего принципа
резания металлов – наименьшей энергии пластической деформации при
разрушении (ПНЭР).
Рассмотрение вопроса в данной статье основано на том, что основное отличие процесса резания металлов от процессов обработки металлов
давлением является наличие стружки, то есть части обрабатываемого материала, которая должна быть физически отделена от заготовки. Такое отделение называется разрушением [6] и, следовательно, должно рассматриваться в этом контексте в резании металлов [7-9].
Распределение энергии, подводимой в систему резания. Формулировка ПНЭР. Распределение энергии, подводимой в систему резания,
представлено в этом разделе в виде энергетического баланса системы резания. При этом все виды энергии, затрачиваемые на остаточные деформации, сохраненные в стружке, и в обработанном слое, не рассматриваются в
силу их малости [1]. Таким образом, вся энергия, подводимая в систему резания, в конечном итоге превращается в тепловую энергию, что позволяет
записать энергетический баланс в следующем виде [11]:
PC = Ppd + PfR + PfF + Pns ,
(1)
где Pc – мощность, затрачиваемая на процесс резания; Ppd – мощность, затрачиваемая на деформирование срезаемого слоя; PfR – мощность, затрачиваемая на контактные процессы на передней поверхности в системе
«стружка - инструмент»; PfF – мощность, затрачиваемая на контактные
процессы на задней поверхности в системе «обработанная поверхностьинструмент»; Pns– мощность затрачиваемая на образование новых поверхностей (детальное описание этой составляющей энергетического баланса
дано в работе [8]).
Результаты экспериментального анализа составляющих уравнения
(1) показал [11], что энергия, затрачиваемая на пластическую деформацию
срезаемого слоя (Ppd + Pns) при обработке пластичных материалов достигает 75 % обшей энергии, затрачиваемой на процесс обработки, что под142
Вопросы резания материалов и проектирования специального инструмента
тверждается двумя примерами, показанными на рис. 1. Условия обработки
на рис 1: скорость резания – 100 м/мин, подача – 0.2 мм/об, глубина резания – 3 мм, нормальный передний угол – -7о, нормальный задний угол – 7о,
радиус режущей кромки – 0.05 мм.
а
б
Рис. 1. Примеры распределения энергии в системе резания:
а - сталь 52100 (аналог ШХ15); б - аустенитная нержавеющая сталь 316
Иными словами, до 75 % энергии, подводимой в систему резания,
расходуется практически впустую, так как пластическая деформация
стружки не служит никакой полезной цели в процессе и после обработки.
Это основное отличие процесса резания металлов от процессов обработки
металлов давлением, где пластическая деформация служит основной цели
процесса – достижению заданной формы и размеров. Таким образом, чем
более пластичный обрабатываемый материал, чем выше его обрабатываемость в процессах обработки давлением (называемая formability) и тем ниже его обрабатываемость резанием (называемая machinability).
Так как энергия в зону обработки подводится через режущий клин,
то есть через контактные зоны по передней и задней поверхностям, то эта
энергия определяет силы и температуры резания, качество обработки,
включая остаточные напряжения, износ и стойкость инструмента. Это позволяет сформулировать важнейший закон резания металлов — принцип
наименьшей энергии пластической деформации при разрушении (ПНЭР) в
следующем виде: определяющей целью проектирования операции обработки металлов резанием должна быть минимизация энергии пластической
деформации снимаемого слоя при практических ограничениях, например
качество обработки.
Интуитивно уменьшение пластической деформации снимаемого
слоя уже давно используется в практике резания металлов для улучшения
обрабатываемости. Например, снижение пластической деформации при
разрушении является основой резания с опережающим пластическим деформированием срезаемого слоя и резания с нагревом этого слоя. Первое
упомянутое является очевидным, в то время как второе нуждается в пояснении. Объяснение достаточно простое: многие исследователи находятся
143
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч. 1
под недостаточно правильным впечатлением, что пластичность металлов
увеличивается с повышением температуры, что, в соответствии с превалирующей теорией резания как вида пластической деформации материала
улучшает обрабатываемость. На самом деле в диапазоне температур
150...300 оС происходит противоположное, т.е. пластичность многих, и
особенно труднообрабатываемых, материалов снижается благодаря известному эффекту, как провал пластичности [1, 6, 11]. По мнению автора,
именно этот эффект является основой существования оптимальной температуры резания [12].
В данной работе рассматривается реализация ПНЭР путем варьирования трехосности напряженного состояния в зоне обработки, что может
быть достигнуто выбором правильной геометрии режущего инструмента,
минимизирующей пластическую деформацию снимаемого слоя.
Показатели трехосности напряженного состояния в зоне деформации. Еще из классической работы F. Taylor [13] известно, что напряженное состояние в зоне обработки трехмерное даже в случае простейшего
ортогонального резания. Известна также прямая связь так называемой
трёхосности напряженного состояния в зоне деформации с накопленной
пластической деформацией при разрушении различных материалов [14].
При этом трёхосность характеризуется параметром трехосного напряженного состояния η [15, 16] (2), который определяется отношением
гидростатического напряжения (давления) σm и эффективного
напряжения
σ
η= m .
σ
(2)
Анализ напряженного состояния при плоской деформации, как при
ортогональном резания, показал [17], что такое нагруженное состояние
трёхосности не может быть достигнуто при использовании в опытах образцов известных конфигураций, например с боковым надрезом. Учитывая
этот факт, был разработан испытательный образец совершенно новой конфигурации с использованием программы МКЭ.
Эксперимент – построение модели обрабатываемого материала.
Разработанный образец, показанный на рис. 2, позволяет достичь в испытаниях трехмерные напряженные состояния, характерные для резания [17].
Симметричность конструкции образца позволяет достичь симметричности распределения напряжений и деформаций, что позволило проводить исследования на обычной испытательной машине растяжения/сжатия.
Различные напряженные состояния достигались применением образцов с
различными углами давления. Рабочая длина образов была 2 мм и располагалась на линии, проходящей через центры цилиндрических выкружек.
Развитие поля деформаций, момент образования и развитие трещины
вдоль рабочей дины образцов при нагружении оценивались с помощью
144
Вопросы резания материалов и проектирования специального инструмента
цифровой системы измерения поля деформаций (известной как the digital
image correlation (DIC) technique [17]). Расчет напряжений с помощью МКЭ
проводился в режиме реального времени [18].
а
б
Рис. 2. Образец для испытаний: а - рабочая длина и угол давления;
б - образец с различными углами давления после разрушения
Огибающая кривая экспериментальных точек (locus), полученных в
опытах для стали 45, показана на рис. 3.
Рис. 3. Огибающая экспериментальных точек разрушения для стали 45
с результатами анализа поля деформация и расчета напряжений
в режиме реального времени
Экспериментальная программа включала 146 опытов с трёхкратным
повторением в каждой точке. Как видно, эквивалентная пластическая деформация при разрушении пропорциональна параметру трехосности на145
Вопросы резания материалов и проектирования специального инструмента
Пример использования разработанного пакета программ. Разработанные ПНЭР, модель обрабатываемого материала и соответствующий пакет прикладных программ используются для лучшего понимания
фундаментальных аспектов резания металлов в совершенно новом разработанном направлении. Рассмотрим один из примеров.
Стужкодробление всегда рассматривалось как важный практический фактор в операциях механообработки [21]. Суммируя более 50 опыт
исследований в этом направлении, Jawahir and Van Luttervelt [22] пришли к
заключению, что надежное стружкодробление достигается двух- и трехмерной модификацией передней поверхности инструмента. При этом отмечается, что различные формы стружколомов в сочетании со свойствами
обрабатываемого материала и режимами обработки иногда повышают, а
иногда понижают стойкость инструментов по сравнению с плоской передней поверхностью. Этот факт, однако, никогда не рассматривался в полной
мере, так как главная цель всегда была достижение приемлемой формы
стружки.
С развитием технологии производства режущих неперетачиваемых
пластин (РНП) стало возможным производить такие пластины с различной
формой передней поверхности. В современном машиностроении подавляющее большинство используемых РНП имеют достаточно сложные
формы передних поверхностей (рис. 5). Каталоги ведущих инструментальных компаний содержат тысячи (включая покрытия) различных форм
РНП. Их разнообразие давно превысило количество обрабатываемых сталей и сплавов. Возникает логический вопрос: «Зачем так много?» Ни одна
известная автору публикация по резанию металлов и проектированию инструментов не дает даже общего ответа на этот простой вопрос.
Рис. 5. Примеры сложных форм передних поверхностей
современных РНП
Рассматриваемый в данной работе подход позволяет дать точный
ответ. В процессе резания образующаяся стружка контактирует с выступами и впадинами на передней поверхности, что изменяет трехосное напря147
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч. 1
женное состояние в зоне стружкообразования. При «удачном» сочетании
режима обработки (прежде всего – подачи и скорости резания) и свойств
обрабатываемого материала, трехосное состояния в зоне обработки приводи к значительному уменьшению деформации при разрушении и, как следствие, к снижению сил резания, температур, повышению стойкости и качества обработки. Проблема состоит в том, что изменение одного из вышеперечисленных параметров, например твердости обрабатываемого материала или подачи, может резко поменять состояние напряжений в зоне обработки, что приводит к «исчезновению» достигнутых ранее высоких результатов. Для повторения этих результатов, разрабатывается новая форма
передней поверхности, которая может быть пригодна только для специфических условий обработки. Отсутствие моделирования (адекватных моделей), а значит и понимания, приводит к значительным затратам на проектирование, изготовление и тестирование новых и новых форм передней
поверхности. На это тратятся многие миллионы долларов, а также отмечены значительные расходы на изготовление и хранение на складах по всему
миру широкого разнообразия РНП.
Рассмотренные в данной работе верифицированный пакет программы МКЭ был применен по определению влияния формы передней поверхности РНП на трёхосность напряженного состояния в зоне обработки. Результаты показаны на рис. 6 для следующих условий обработки: обрабатываемый материал – сталь 45, толщина среза – hD = 0,150 mm.
Результаты для РНП с плоской передней поверхностью и нулевым
передним углом показаны на рис. 6, а для дальнейшего сравнения. Как
видно, стружка образуется в результате значительной пластической деформации срезаемого слоя, так как показатель трехосного напряженного
состояния незначителен. При этом стружкодробление не происходит в силу отсутствия преграды на пути движения стружки.
Результаты для передней поверхности со стружкодробящим порожком показаны на рис. 6, б. Как видно, показатель трехосного напряженного
состояния значительно увеличивается благодаря изгибающему моменту,
действующему на стружке при ее взаимодействии с порожком. Раннее разрушение (отделение) стружки и уменьшатся «залечивания» образовавшихся трещин приводят к уменьшению пластической деформации снимаемого
слоя. При этом стужкодробление улучшается по очевидным причинам
[22].
Дальнейшее улучшение условий стружкодробления путем уменьшения радиуса кривизны стружки достигается путем применения стружкодробящей лунки на передней поверхности, как показано на рис. 6, в. Хотя показатель трехосного напряженного состояния изменяется незначительно, существенно изменяется структура стружки, которая включает
значительно более «слабые» плоскости пластического сдвига, уменьшается
частота образования этих плоскостей [1].
148
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч. 1
Заключение. По мнению автора, проблемы моделирования в резании металлов является следствием отсутствия правильного определения,
как процесса резания металлов, точно отражающего его физические основы. Согласно превалирующему мнению, четко выраженному одним из ведущих исследователей резания металлов M. Shaw [4], новые поверхности
при резании металлов образуются за счет «пластического течения металла
вокруг режущего лезвия». Эта концепция поддерживалась, хотя и косвенно, в советских и российских книгах и статьях. В этом направлении следует отметить статьи Воронцова и др. [24], где утверждается что «за рубежом
давно поняли неразрывную связь и единство процессов резания с процессами обработки металлов давлением… схема деформации при механическом процессе резания определяется так же, как и при выдавливании или
прокатке». Иными словами, резание металлов является одним из деформирующих процессов и, следовательно, процесс резания должен быть рассмотрен в этом контексте. Удивительно, но никто не обратил внимания на
результат исследования Hill (основателя Engineering Plasticity), который
попытался применить результаты разработанной им теории пластичности к
анализу процесса резания [25], написав в заключении, что «это просто поразительно, что результаты экспериментов совершенно расходятся с теми,
полученными теоретически». Другие видные исследователи резания металлов пришли к заключению, что результаты экспериментов совершенно
расходятся с результатами, полученными с использованием теории пластичности [5]. Эти важные заключения, однако, не произвели должного
впечатления на последующих исследователей, которые продолжили безуспешные попытки применить теорию пластичности в исследовании теории
резания металлов. Более того, многие теории резания металлов и МКЭ модели были разработаны, используя этот подход [19].
Проблема с такими моделями и теориями состоит в том, что они не
используются в практике проектирования металлорежущего инструмента и
в разработке практических операций резания. И это несмотря на широкую
доступность коммерческих пакетов прикладных программ моделирования
процессов резания, таких как MSC.Marc, Deform2D, Thirdwave AdvantEdge
и других, которые широко рекламируются в профессиональной литературе. Красивые картинки в 4К разрешении с полями распределения температур, скоростей деформаций и напряжений, которые являются результатами
использования этих программных продуктов, вызывают только один вопрос: «А что собственно со всем этим делать, т.е. как использовать эти результаты в практике проектировании/оптимизации процессов обработки и
режущих инструментов?». По мнению автора, это происходит потому, что
теории и модели, основанные на определении резания металлов, как одного из процессов обработки металлов давлением, не отвечают реальности
даже в первом приближении.
150
Вопросы резания материалов и проектирования специального инструмента
Очевидность этого утверждения показывает состояние моделирования в области проектирования операций обработки давлением и соответствующих инструментов. Еще десять-пятнадцать лет назад разработка инструментов для операций пластической деформации (штампов и пресс-форм)
основывалась на знаниях, полученных в результате опытов, которые проводились, используя метод проб и ошибок. Сегодня, даже на ранних стадиях проектирования, используются коммерческие прикладные пакеты МКЭ
(на основе МКЭ кода LS Dyna), применение которых позволяет оптимизировать конструкции таких инструментов без проведения опытов. В результате время, необходимое на разработку и производство таких инструментов уменьшилось на 50 % и дальнейшее снижение на 30 % ожидается в
ближайшем будущем. Моделирование в этой области уже достигло уровня,
на котором результаты моделирования напрямую используются в программах планирования производства на ранних стадиях получения заказа
[26]. Казалось бы, если резание металлов является одним из процессов обработки металлов давлением, то моделирование резания металлов должно
бы достигнуть такого же уровня и широко применяться в промышленности. Совершенно очевидно, что этого не произошло и не происходит.
Результаты исследований, представленные в настоящей статье, являются лишь первым шагом по созданию готового к промышленному использованию программного продукта проектирования операций обработки
резанием и режущих инструментов. Для его создания необходимо решить
целый ряд важный вопросов, главными из которых являются: 1 - разработка специальных образов для исследования трехмерного резания (развитие
конструкции, показанной на рис. 2) и их испытания с использование новейших высокоскоростных трехмерных цифровых систем измерения поля
деформаций (известной как the digital image correlation (DIC) technique);
2 - дальнейшая разработка программных продуктов МКЭ, способных моделировать возникновение и развитие пространственных трещин, что на
сегодняшний день практически невозможно (проблемы сходимости и устойчивости); 3 - разработка теории контактных абразивно-адгезионных
процессов для условий сверхвысоких давлений и температур; 4 - дальнейшая разработка и обоснование концепции технического ресурса режущего
инструмента, как основы расчета износа и стойкости. Во всех этих исследованиях ПНЭР всегда будет оставаться основополагающим.
Список литературы
1. Astakhov V.P. Tribology of metal cutting. London: Elsevier, 2006.
2. Usui E. Progress of «predictive» theories in metal cutting // JSME International Journal. V.31. 1988. P. 363-369.
3. Astakhov V.P. Geometry of single-point turning tools and drills.
Fundamentals and practical applications. London: Springer, 2010.
151
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч. 1
4. Shaw M.C. Metal cutting principles. 2nd Ed. Oxford: Oxford
University Press, 2004.
5. Astakhov V.P. On the inadequacy of the single-shear plane model of
chip formation // International Journal of Mechanical Science. 2005. Vol.47.
P. 1649-1672.
6. Atkins A.G., Mai Y.W. Elastic and plastic fracture: metals, polymers,
ceramics, composites, biological materials. New York: John Wiley & Sons,
1985.
7. Astakhov V.P. Metal cutting mechanics. Boca Raton: CRC Press,
1999.
8. Atkins A.G. Modelling metal cutting using modern ductile fracture
mechanics: quantitative explanations for some longstanding problems. International Journal of Mechanical Science. 2003. Vol. 43. P. 373-396.
9. Atkins, A.G. The science and engineering of cutting: the mechanics
and puncturing biomaterials, metals and non-metals. London: ButterworthHeinemann, 2009.
10. Astakhov V.P., Xiao X.R. A methodology for practical cutting force
evaluation based on the energy spent in the cutting system // Machining Science
and Technology, An International Journal. 2008. Vol.12. P. 325-347.
11. Astakhov V.P. Machinability: existing and advanced concepts,
chapter 1 in book: Machinability of advanced materials. J.P. Davim, Ed.
London: Waley, 2014. P. 1-56.
12. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. М.: Машиностроение, 1976.
13. Taylor F. On the art of cutting metals // Transactions of ASME.
1907. Vol. 28. P. 70–350.
14. Скуднов В.А. Предельные пластические деформации металлов.
М.: Металлургия, 1989.
15. Bai Y., Wierzbicki T. A new model of metal plasticity and fracture
with pressure and Lode dependence // International Journal of Plasticity. 2008.
Vol. 24(6). P. 1071-1096.
16. Bai Y., Teng X., Wierzbicki T. On the application of stress triaxiality
formula for plane strain fracture testing // Journal of Engineering Materials and
Technology. 2009. Vol. 131. P. 021002.
17. Abushawashi Y., Xiao X., Astakhov V.P. A novel approach for determining material constitutive parameters for a wide range of triaxiality under
plane strain loading conditions, International Journal of Mechanical Science.
2013. Vol. 74. P. 133–142.
18. Abushawashi Y., Xiao X., AstakhovV.P. FEM simulation of metal
cutting using a new approach to model chip formation // International Journal of
Advances in Machining and Forming Operations. 2011. Vol.3. P. 71-92.
152
Вопросы резания материалов и проектирования специального инструмента
19. Astakhov V.P. Authentication of FEM in metal cutting. Chapter 1 in
book Finite Element Method in Manufacturing Processes. J.P. Davim, Ed., New
York: Wiley, 2011. P. 1-43.
20. Astakhov V.P., Shvets S.V. The assessment of plastic deformation in
metal cutting // Journal of Materials Processing Technology. 2004. Vol. 146(2).
P. 193-202.
21. Jawahir I.S., Zhang J.P. An analysis of chip curl development, chip
deformation and chip breaking in orthogonal machining // Transactions of
NAMRI/SME. 1995. Vol. XXIII. P. 109-114.
22. Jawahir I.S., Van Luttervelt C.A. Recent developments in chip control research and applications // Annals of the CIRP. 1993. Vol. 42(2). P. 659693.
23. Reuleaux F. Über den taylor whiteschen werkzeugstahl verein sur
berforderung des gewerbefleissen in Preussen // Sitzungsberichete. 1900. Vol.
79(1). P.179-220.
24. Воронцов, Н. М. Султан-заде, Албагачиев А.Ю. Разработка новой теории резания. 1. Введение // Вестник машиностроения. 2008. № 1
C. 57-67.
25. Hill R. The mechanics of machining: a new approach // Journal of
the Mechanics and Physics of Solids. 1954. Vol. 3. P. 47-53.
26. Roll K. Simulation of sheet metal forming – necessary developments
in the future. Bamberg: LS-DYNA Anwenderforum. P. A-1-59-A-1-68.
Астахов
Виктор
Павлович,
д-р
техн.
наук,
проф.,
FSME,
astakhov@physicist.net, astvik@gmail.com, tool research and application manager of General Motors BU PSMi, США, Okemos, MI, Мичиганский Государственный Университет
THE PRINCIPLE OF MINIMUM ENERGY TO FRACTURE OF THE WORK MATERIAL
AS THE BASIS FOR UNDERSTANDING AND OPTIMIZATION OF THE METAL CUTTING
V.P. Astakhov
The paper aims to introduce and explain a fundamental metal cutting law – the
principle of the energy of plastic deformation to fracture of the work material (PMEF).
According to PMEF, the energy of plastic deformation of the layer being removed should be
minimized as serving no useful purpose after the process. Triaxiality of the state of stress in
the deformation zone is considered as a mean to minimize this plastic deformation. Practical
implementation of PMEF leads to improved tool life, reduced cutting force, and increased
machining quality.
Key words: cutting of metals, plastic deformation of the removed layer, a tension.
Astakhov Viktor Pavlovich, PhD, Dr. Sci., professor, FSME, astakhov@physicist.net,
astvik@gmail.com, professor MSU and tool research and application manager of General
Motors BU PSMi, USA, Okemos, MI, MSU
153
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа