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.

 

Литература

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.