исследование влияния технологических условий механической обработки на уровень накопленной энергии деформации
Виноградова Н.В. (РГАТА им. П.А.Соловьева, г.Рыбинск, РФ)
The questions of the influence machining conditions are considered on the latent energy level of deformation in surface layer of the details after mechanical operation.
Повышения качества выпускаемых изделий можно достичь путем обеспечения определенных эксплуатационных свойств, которые зависят как от состояния структуры материала, так и от параметров состояния поверхностного слоя детали. Природа пластической деформации поверхностного слоя детали при механической обработке может быть рассмотрена с точки зрения теории дислокаций, согласно которой деформация приводит к увеличению дефектов в кристаллической решетке металла, одновременно вызывая его упрочнение и подготавливая условия для разрушения. По мере накопления дислокаций в процессе деформации происходит эволюция дислокационной структуры, что обуславливает повышение энергетического уровня металла, изменение его физико-механических, теплофизических и ряда других характеристик.
Скрытая энергия деформации является параметром, определяющим свойства поверхностных слоев обработанной детали, так как трансформация свойств этих слоев относительно исходных является результатом изменения энергии межатомных или межмолекулярных связей в пределах данного объема, то есть результатом поглощения или выделения энергии. Технологические и механические показатели, такие как остаточные напряжения, твердость, износостойкость и т.п., характеризующие данное состояние, являются параметрами, отражающими уровень этих связей [4].
Удельную скрытую энергию образовавшихся при пластической деформации дислокаций можно определить по математической модели, полученной в ходе теоретических исследований:
.
(1)
где W – удельная накопленная энергия, Дж/мм3; Q
– коэффициент пропорциональности, Q = 0,5-1; G
– модуль сдвига материала обрабатываемой детали, МПа; α’ – параметр
междислокационного взаимодействия; σ0,2 – напряжение,
имеющее смысл предела текучести материала; 
-
предел прочности электротехнической стали, принятой за эталон, МПа; 
- предел прочности обрабатываемого материала, МПа; hс – глубина наклепа,
мкм.
Исследования [1,2,3,4 и др.] показывают, что решающее влияние на формирование у детали шероховатости, наклепа, остаточных напряжений оказывают параметры (режимы) обработки. Поэтому, установление функциональной зависимости, наиболее полно отражающей влияние технологических условий обработки на уровень запасенной энергии в поверхностном слое материала является актуальной технологической задачей. Решение данной задачи сводится к расчетному определению глубины наклепа в зависимости от технологических условий обработки. Для токарной обработки и обработки шлифованием за основу для расчета глубины наклепа была взята методика, разработанная в результате теоретических исследований проф. В. Ф. Безъязычным. В ней наиболее полно отражено влияние температурно-силового фактора процесса резания на формирование характеристик наклепа.
Для расчета накопленной энергии деформации в поверхностном слое после токарной обработки и шлифования были выбраны следующие материалы: сталь 20, ХН77ТЮР, 40Х, ВТ3-1.
При токарной обработке рассматривалась обработка на токарном станке нормальной точности в центрах. Размеры детали принимались следующими: наружный диаметр 80 мм, длина 200 мм. Для обработки стали 20 и 40Х в качестве инструментального материала был выбран Т15К6, для сплава ХН77ТЮР – ВК6М, для ВТ3-1 – ВК8. Геометрия инструмента принималась следующей: главный угол в плане φ = 45º, вспомогательный угол в плане φ1 = 15º, задний угол α = 10º, передний угол γ = 10º, радиус скругления режущей кромки r = 0,5 мм, фаска износа 80 мкм. Глубина наклепа при токарной обработке рассчитывалась по программе расчета параметров качества токарной обработки по заданным режимам обработки, разработанной в РГАТА имени П. А. Соловьева.
По результатам выполненных расчетов можно проследить, как изменяется накопленная (скрытая) энергия деформации при изменении технологических условий обработки для различных материалов. Изменение накопленной энергии деформации в поверхностном слое для рассмотренных материалов представлено на рисунках 1, 2 и 3.
Рисунок 1 - Изменение накопленной энергии деформации в зависимости от скорости резания (S = 0,23 мм/об, t = 0,8 мм)
Рисунок 2 - Изменение накопленной энергии деформации в зависимости от подачи (v = 58 м/мин, t = 0,8 мм)
Рисунок 3 - Изменение накопленной энергии деформации в зависимости от глубины резания (v = 58 м/мин, S=0,23 мм/об)
При шлифовании рассматривалась обработка – наружное круглое шлифование периферией круга, при режимах: n = 2700 об/мин; Vd = 15; 20; 25; 30 м/мин; t = 10; 20; 35; 50 мкм, диаметр круга Dкр = 200 мм; ширина круга 20, 25, 32, 40 мм; марка шлифовального круга: 25А25СМ1-КВ3 35 м/с max; длина образца 200 мм, диаметр образца 40 мм. Глубина наклепа рассчитывалась по формулам проф. В. Ф. Безъязычного [3].
По результатам выполненных расчетов можно проследить, как изменяется накопленная (скрытая) энергия деформации при изменении технологических условий обработки. В расчетах коэффициент пропорциональности Q принят равным 1.
Изменение накопленной энергии деформации от режимных факторов шлифования для рассмотренных материалов представлено на рисунках 4, 5 и 6.
Рисунок 4 - Изменение накопленной энергии деформации от глубины шлифования (Vд = 20 м/мин, Vкр = 30 м/с, Sпр = 2 м/мин)
 |
Рисунок 5 - Изменение накопленной энергии деформации от скорости детали (Sпр = 2 м/мин, Vкр = 30 м/с, t = 0,02 мм)
Рисунок 6 - Изменение накопленной энергии деформации в зависимости от ширины шлифовального круга (Sпр = 2 м/мин, Vкр = 30 м/с, t = 0,02 мм, Vд = 20 м/мин.)
На основании анализа результатов расчета, построенных графических зависимостей и материалов исследования можно сделать следующие выводы:
1. уровень запасенной (скрытой) энергии деформации в деформированном слое можно определить, зная глубину наклепа;
2. решающее влияние на формирование у детали шероховатости, наклепа, остаточных напряжений оказывают технологические параметры обработки;
3. в зависимости от скрытой энергии деформации материалы выстраиваются в определенной последовательности, которая определяется сочетанием спектра физико-механических свойств рассматриваемых материалов и характера обработки;
4. для более пластичных материалов (стали 20, 40Х) уровень запасенной энергии превышает уровень запасенной энергии для жаропрочных и титановых сплавов, а сами зависимости наиболее выражены у стали 20 и 40Х. В материалах источника [5] это объясняется тем, что чем выше рабочая температура металла, тем меньшим запасом скрытой энергии он должен обладать.
5. с ростом глубины резания уровень запасенной (скрытой) энергии увеличивается. Это обуславливается тем, что увеличение глубины резания приводит к увеличению числа дефектов кристаллической структуры, сопровождаясь увеличением поверхностной твердости, наклепа и, следовательно, возрастанием накопленной энергии;
6. с возрастанием скорости резания при точении скрытая энергия деформации уменьшается. Это обусловлено снижением интенсивности деформационного упрочнения поверхностного слоя по причине активизации процессов разупрочнения. С увеличением скорости резания возрастает температура нагрева приводя к повышению диффузионной подвижности атомов кристаллической решетки, уменьшению искажений кристаллической решетки, а следовательно, к снижению упрочнения и уровня запасенной энергии;
7. при увеличении подачи при токарной обработке накопленная энергия деформации возрастает в связи с увеличением глубины наклепа. В материалах источника [2] объясняется, что подача в основном оказывает силовое воздействие на поверхностный слой и при ее возрастании повышается упрочнение поверхностного слоя детали;
8. с возрастанием скорости вращения обрабатываемой детали при шлифовании скрытая энергия деформации также возрастает. При повышении частоты вращения детали увеличиваются силы шлифования, возрастают шероховатость и поверхностный наклеп, главным образом, его глубина, что приводит и к возрастанию уровня накопленной энергии.
Литература
1 Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин [Текст] / А. М. Сулима, В. А. Шулов, Ю. Д. Ягодкин. – М.: Машиностроение, 1988. – 240 с.
2 Суслов, А. Г., Федоров, В. П., Горленко, О. А. и др. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств деталей и их соединений [Текст] / Под общей ред. А. Г. Суслова. – М.: Машиностроение, 2006. – 448 с.: ил. (Библиотека технолога). – С. 9-10, 22-23, 30-31, 38-41.
3 Безъязычный, В. Ф., Кожина Т. Д., Константинов А. В. и др. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей [Текст]. – М.: Изд-во МАИ, 1993. – 183 с.
4 Якубов, Ф. Я. Энергетические соотношения процесса механической обработки материалов [Текст] / Ф. Я. Якубов. – Ташкент, 1985. – 104 с. – С. 13-33.
5 Старков, В. К. Технологические методы повышения надежности обработки на станках с ЧПУ [Текст] / В. К. Старков. – М.: Машиностроение, 1984. – 120 с. ил. – С. 67-84.