ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССОВ РЕЗАНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ: СПОСОБЫ ОЦЕНКИ И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ
Карпов А.В. (МИ (филиал) ВлГУ, г. Муром, РФ)
We propose a new dimensionless criterion of energy efficiency of the process of materials cutting - cutting energy efficiency.
Снижение энергетических затрат при обработке заготовок
резанием является актуальной проблемой современного
машиностроения. Создание нового и повышение энергоэффективности действующего
металлорежущего оборудования должно основываться на методах сокращения потерь
энергии по цепи: электрическая сеть преобразователь электрической
энергии в механическую
трансмиссия
зона резания. Учитывая
различную природу явлений, протекающих в звеньях приведённой цепи,
целесообразно решать задачу повышения энергоэффективности в три
последовательные стадии:
- внедрение экономичных методов преобразования электрической энергии в механическую;
- внедрение экономичных методов транспортирования механической энергии в зону резания;
- внедрение экономичных условий и параметров реализации процесса резания.
Для теории резания представляет интерес третья часть. Именно работа резания определяет, в конечном счёте, количество энергии, потребляемой двигателями станка из электрической сети, а также нагрузочные потери в трансмиссии. Поэтому решение поставленной задачи следует начинать с конечного звена – с установления оптимальных условий реализации процесса резания [2].
Величина энергозатрат при резании определяется, прежде всего, видом и физико-механическими свойствами обрабатываемого материала. В большинстве случаев обрабатываемый материал задан чертежом детали, вследствие чего является для системы резания неуправляемым фактором.
Кроме свойств материала на величину работы резания влияют: состояние поверхностного слоя заготовки, площадь срезаемого слоя, вид и свойства инструментального материала, геометрические параметры режущей части инструмента, элементы режима резания, наличие и характеристики СОТС, другие условия реализации процесса резания, которые все вместе образуют совокупность управляемых параметров. Как известно, значения управляемых параметров любой системы, в том числе – системы резания, следует определять на основе методик оптимизации.
Общепризнанна перспективность использования энергетических критериев оптимизации условий обработки, поскольку они характеризуют физическую природу явлений, происходящих в зоне контактирования инструментального и обрабатываемого материалов, имеют устойчивые функциональные связи с управляемыми параметрами системы резания. В качестве энергетического показателя встречается удельная энергоёмкость (удельные энергозатраты, удельная работа) процесса резания, определяемая отношением величины работы, совершаемой режущим инструментом за время рабочего хода, к объёму срезаемого слоя. Исследовано влияние входных (неуправляемых и управляемых) параметров системы резания на удельную энергоёмкость, построены алгоритмы оптимизации распространённых методов механической обработки. Удельная энергоёмкость служит, по сути, физическим показателем эффективности процесса резания, если в результате этого процесса стружкообразование осуществляется с приемлемой производительностью при обеспечении заданного периода стойкости инструмента, а обработанные поверхности получаются с требуемой формой, размерами и качеством. К несомненным достоинствам удельной энергоёмкости следует отнести простоту её определения теоретическими и экспериментальными методами.
Наряду с достоинствами критерия минимальной удельной энергоёмкости процесса резания следует привести ряд недостатков, обнаруженных при применении вышеупомянутых методик оптимизации. Во-первых, удельная энергоёмкость является размерным показателем и не позволяет определить, какая часть энергии расходуется непосредственно на деформацию и (или) разрушение единицы объёма срезаемого слоя, либо образование единицы площади новых поверхностей детали (полезная составляющая), а какая часть энергии затрачивается на механические и физико-химические явления, неизбежно сопровождающие стружкообразование. Во-вторых, используя показатель удельной энергоёмкости, затруднительно сопоставлять уровень энергии, развиваемой в технологической системе, с предельным энергетическим состоянием обрабатываемого материала, определяемым его свойствами. В-третьих, удельная энергоёмкость процесса резания пропорциональна мощности резания, при этом сила и мощность резания полагаются постоянными в течение времени рабочего хода, что справедливо только для стационарного резания и встречается редко.
В качестве интегральной характеристики эффективности процесса резания предлагается безразмерный энергетический показатель К – «энергетический КПД»:
, (1)
где – удельная энергоёмкость обрабатываемого
материала; V – объём срезаемого слоя;
– число циклов изменения
мощности резания
в единицу времени;
– работа резания
за время
одного
цикла изменения мощности резания.
Технологические процессы обработки резанием можно
условно классифицировать в зависимости от присущей им (вследствие
геометрических и кинематических особенностей) закономерности изменения мощности
резания в течение времени рабочего хода инструмента. Таких закономерностей
можно выделить, по крайней мере, четыре [1]. Под временем будем понимать промежуток времени,
в течение которого наблюдается полное однократное изменение мощности резания.
Удельную энергоёмкость обрабатываемого материала будем понимать
как критическое изменение внутренней энергии единицы объёма материала, т.е. как
разность между предельным
и начальным
уровнями объёмной плотности
внутренней энергии:
. (2)
При определении величины для широкого спектра
конструкционных материалов можно руководствоваться энергетическими концепциями
разрушения твёрдых тел: объём материала разрушается, если накопленная в нём энергия
достигла предельной величины. Учитывая, что внешнее воздействие может быть
механическим или тепловым, критическое изменение плотности внутренней энергии выразим
c использованием показателей теплофизических свойств
материала:
, (3)
где – удельная теплота плавления
материала;
–
средняя удельная теплоёмкость;
– плотность;
– температура плавления;
–
начальная температура;
– скрытая теплота плавления.
Сумма определяет общую удельную энергию
нестабильного роста трещины в твёрдом теле. Накопление материалом энергии
критической величины осуществляется либо бездислокационным путём (например, за
счёт нагрева до температуры
), либо за счёт накопления критической
плотности дефектов кристаллической решётки (в первую очередь – дислокаций).
Энергия, равная
, затрачивается на разрыв перемычек
между предельно искажёнными областями и приводит к аморфизации материала. В
качестве лимитирующей составляющей удельной энергоёмкости материала
можно принять энергию
, а фактор
исключить
из рассмотрения, полагая
.
Расчёт удельной энергоёмкости материала через
теплофизические свойства рекомендуется применять для определении показателя
при шлифовании,
либо при методах окончательной (чистовой) лезвийной обработки, сопровождающихся
образованием сливного типа стружки (толщина срезаемого слоя – до 0,1-0,5 мм,
скорость резания – от
300 м/мин).
Трактовку и определение величины при методах предварительной
(черновой) лезвийной обработки, характеризующихся значительными затратами
энергии, предлагается проводить в зависимости от типа образующейся стружки. За
образование стружки надлома при резании твёрдых материалов ответственны
нормальные напряжения растяжения, поэтому удельную энергоёмкость
обрабатываемого материала
примем равной максимальной
плотности работы этих напряжений:
, (4)
где ,
,
– соответственно временное
сопротивление, критическое значение относительной деформации, относительное
удлинение обрабатываемого материала при растяжении.
При резании пластичных материалов с образованием стружки
скалывания величину примем равной максимальной плотности
работы касательных напряжений в условной плоскости сдвига:
, (5)
где – сопротивление обрабатываемого
материала пластическому сдвигу;
– равномерное относительное
поперечное сужение.
Уравнения показателя энергетической эффективности были получены
для различных методов лезвийной обработки сталей, чугунов, цветных конструкционных
сплавов и приведены в [1]. Результаты исследований свидетельствуют о том, что предложенный
показатель
отвечает
всем требованиям, предъявляемым к критериям оптимизации технологических
процессов: во-первых, он выражает КПД процесса резания и, следовательно,
обладает физическим смыслом; во-вторых, он просто и однозначно описывается в
математическом виде; в-третьих, он может быть сведён к виду целевой функции
, аргументами
которой являются входные параметры системы резания. Таким образом, при
оптимизации процессов обработки резанием по энергетическому критерию К в
рассмотрение включается большое число факторов.
Выполнение условия на предварительных этапах
технологического процесса механической обработки способствует установлению таких
условий реализации и параметров процесса резания, которые за счёт обоснованного
количества энергетических затрат обеспечат достижение наибольшей производительности
стружкообразования и требуемой стойкости инструмента.
Выполнение условия на окончательных этапах
технологического процесса механической обработки способствует установлению
таких условий реализации и параметров процесса резания, которые за счёт
обоснованного количества энергетических затрат обеспечат достижение требуемых
показателей качества обработанной поверхности детали.
1. Карпов А.В. К вопросу управления процессом резания на основе энергетических закономерностей деформации и разрушения твёрдых тел // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности.- 2011. -№ 1 (8).
2. Карпов А.В., Соколик Н.Л., Соколик А.И. К вопросу снижения энергозатрат при обработке заготовок лезвийными инструментами // Новые материалы и технологии в машиностроении. Сборник научных трудов. Выпуск 2. – Брянск: БГИТА, 2003.