Прогнозирование параметров качества поверхностного слоя деталей сельскохозяйственных машин в процессе механической обработки

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Эксплуатационные свойства (износостойкость, усталостная прочность, коррозионная стойкость, контактная прочность и др.), характеризующие долговечность и надежность работы различных машин, в значительной степени зависят от параметров качества (состояния) поверхностного слоя деталей (твёрдости HVо, шероховатости Rz, остаточных напряжений первого рода уост), которые задаются при проектировании и формируются различными технологическими процессами обработки.

В настоящее время при конструкторско-технологической подготовке производства выбор, назначение и технологическое обеспечение системы параметров качества деталей, обеспечивающих повышение долговечности и надёжности эксплуатации изделия, ввиду сложности проблемы осуществляются в основном эмпирическим или полуэмпирическим путем с использованием различных методик статистической обработки экспериментальных данных.

В последние годы были сделаны попытки комплексного рассмотрения технологии механической обработки металлов и ее влияния на долговечность деталей машин с позиций механики деформирования твердых тел, теплофизики, теории дислокаций и теории подобия, которые позволили получить определённые положительные результаты. Однако предложенные методы не могут претендовать на полное решение проблемы, так как не учитывают структурно-энергетическое состояние материала обработанной детали (величины накопленной внутренней и упругой энергий Uo, Ueo, коэффициент перенапряжения межатомных связей kу, величину истинного предела текучести уи.т), которое в значительной степени влияет на формирование параметров качества поверхностного слоя при резании.

В связи с изложенным разработка научных основ формирования структурно-энергетических параметров состояния материала обрабатываемой детали (Uo, Ueo, kу, уи.т)и установление их взаимосвязи с параметрами HV0, Rz, уост зависимости от технологических условий обработки (режимы резания, геометрия режущего инструмента, тип СОТС), а так же обоснование и реализация путей управления качеством изделия являются важной научно-технической проблемой.

Для решения данной проблемы необходимо использование структурно-энергетического подхода на основе положений механики деформирования, теории резания, теории дислокаций, термодинамики, термокинетики, теплофизики и др.

Согласно первому закону термодинамики, баланс энергии в процессе пластической деформации материла при резании записывается в виде [1;2]:

поверхностный пластический деформация резание

. (1)

Согласно уравнению (1), скорость изменения внутренней энергии будет равна:

При этом следует учитывать начальный уровень внутренней энергии Uо, накопленной материалом до деформирования, которая состоит из упругой энергии дефектов Ueо и тепловой составляющей Uто, определяемой температурой нагрева детали Ti в процессе резания:

Большая часть мощности деформирования превращается в тепловую энергию и рассеивается в окружающей среде за счет теплообмена, незначительная ее часть остается в материале, повышая тепловую составляющую UTi внутренней энергии. Меньшая часть накапливается в виде упругой энергии деформации Uei, а также расходуется на поворот субблоков и зёрен на определённый угол в процессе резания (Uп), т. е. учитываются как трансляционная, так и ротационная моды деформации твёрдых тел.

В термодинамической теории прочности и разрушения материалов за интегральную меру повреждаемости и критерий разрушения приняты плотность внутренней энергии и её критическое значение U*, накапливаемое в деформируемых микрообъёмах и, согласно структурно-энергетической теории прочности твёрдых тел, предложенной В.С.Ивановой, равное энтальпии плавления в жидком состоянии HS, т.е. U* = HS. Термодинамический критерий разрушения экспериментально доказан автором статьи В.Я. Коршуновым при шлифовании, С.В. Хачатурьяном и Р.В. Ромашовым - при абразивном трении и циклическом нагружении [1].

Для прогнозирования упрочнения (твёрдости HVi) и разрушения материалов в процессе механической обработки необходимо рассчитывать величину накапливаемой в микрообъёме упругой (скрытой) энергии деформации Uei с учётом её высвобождения и диссипации. Использование начального (Ueо) и критического (Ue*) уровней упругой энергии дефектов, а также получение формул для их расчёта позволяет предложить дислокационно-термодинамическую схему для расчёта величины Uei в микрообъёме заготовки при резании с учётом силового и температурного факторов:

ti, (2)

где G - модуль сдвига; г - поверхностная энергия; уи.т - истинный предел текучести, характеризующий переход от упругой деформации к пластической; фi - напряжение сдвига в зоне резания; b-вектор Бюргерса; nd.n.c- количество дислокаций в плоскости скольжения; k-постоянная Больцмана; h-постоянная Планка; - средняя температура остывания обработанной заготовки; - средняя величина энергии активации аннигиляции дефектов при охлаждении; ?t - время деформирования; ti - время остывания заготовки после резания.

Согласно принятой в настоящее время инженерной методике расчета, радиальное сжимающее напряжение уr в любой точке первой зоны резания (рисунок) с радиусом-вектором Rr будет равно

(3)

где Rp- равнодействующая сила резания, зависящая от режимов резания, геометрии инструмента и типа СОТС; в1 - угол сдвига.

Радиальное сжимающее напряжение уrз в определённой точке контакта вновь образованной поверхности детали с задней поверхностью инструмента (зона 2 на рисунке), согласно формуле Буссинеска, определяется соотношением:

(4)

где Rз- равнодействующая сила трения на задней поверхности инструмента.

На основе структурно-энергетического подхода к описанию процесса пластической деформации металлов установлена взаимная связь между накопленной микрообъёмом при резании упругой энергией дефектов Uei и его твёрдостью HVi в виде:

(5)

Для обеспечения заданной глубины упрочнения, которая определяется по формулам (3-5), необходимо обеспечить рациональные режимы точения и угол сдвига при обработке конкретного материала.

Для определения радиуса-вектора действия оптимальной (HVоп) и критической (HV*) твёрдости обрабатываемого материала в формулы (2-4) необходимо подставлять величину оптимального напряжения уоп (фI ) или максимального предела прочности увm.

Рис. 1. Схема обработки детали резцом: 1-зона деформирования металла перед режущей кромкой; 2 - зона контакта поверхностного слоя детали с задней поверхностью инструмента

Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что для расчёта остаточных технологических напряжений первого рода уост, которые во многом определяют усталостную прочность деталей машин, необходимо использовать (для учёта упругой разгрузки) величину истинного предела текучести уи.т, определяемую по коэффициенту перенапряжения межатомных связей kу, а не физического ут. В основу методики положена формула Пайерса-Набарро, которая позволяет рассчитывать касательное напряжение, возникающее при деформации материалов между двумя атомными слоями, прилегающими к плоскости скольжения [3;4]. Такая замена значительно повышает точность расчёта остаточных технологических напряжений уост в поверхностном слое детали после резания и не требует применения дополнительных уточняющих коэффициентов или функций [5]. Таким образом:

уост = (утi ±уri) ± уи.т ,

где утi - тепловые напряжения; уri - силовые напряжения в детали.

На основе коэффициента перенапряжения межатомных связей kу получена зависимость для расчёта истинного предела текучести уи.т:

уи.т = (А/В)1/n .

Здесь ; В = 2рс. Параметры с, n определяют, используя значение вектора Бюргерса, а также величину взаимного смещения двух атомов, расположенных один против другого.

На основе изложенного были получены зависимости для расчёта остаточных технологических напряжений 1-го рода в процессе механической обработки. В качестве примера запишем полученное уравнение для расчёта остаточных напряжений уост после обтачивания сплошного однородного цилиндра:

где r - радиус цилиндра; ДTi - разница температур; n,c - константы.

Следует отметить, что предложенная методика позволяет учитывать при определении остаточных напряжений не только силовой и температурный факторы, но и форму и размеры обрабатываемой детали.

Предложенный расчётно-аналитический метод прогнозирования закономерностей формирования параметров качества поверхностного слоя детали на основе структурно-энергетического подхода к процессу деформирования и разрушения твердых тел позволяет обосновать и реализовать пути управления качеством изделия в процессе резания. В качестве целевой функции используется минимальная себестоимость обрабатываемой детали, которая позволяет разработать технологию изготовления детали с максимальной производительностью и минимальной себестоимостью. Для решения данной задачи разработана специальная программа для ПК.

Список литературы

1. Фёдоров В.В. Кинетика повреждаемости и разрушения твёрдых тел / В.В. Фёдоров. - Ташкент: Фан, 1985. - 167с.

2. Коршунов В.Я. Определение параметров упрочнения поверхностного слоя детали в процессе резания на основе принципов синергетики / В.Я. Коршунов // Изв. вузов Сев. - Кав. региона. Техн. науки.- 1999. - №1. - С. 32 - 35.

3. Штремель М.А. Прочность сплавов. Дефекты решетки / М.А. Штремель. - М.: Металлургия, 1982. - 183 с.

4. Коттрел А. Теория дислокаций / А. Коттрел. - М.: Мир, 1969. - 437 с.

5. Коршунов В.Я. Расчет предела усталости металлов по величине коэффициента перенапряжений межатомных связей / В.Я. Коршунов // Вестник машиностроения. - 1997. - №9. - С.32 - 34.

Размещено на Allbest.ru