Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Взаимосвязь технологических условий обработки с параметрами качества поверхностного слоя, модулем упругости и пределом выносливости детали

Взаимосвязь технологических условий обработки с параметрами качества поверхностного слоя, модулем упругости и пределом выносливости детали

Теоретическими и экспериментальными исследованиями ряда ученых доказано, что предел выносливости деталей машин в значительной степени определяется шероховатостью их поверхностей и физико-механическим состоянием поверхностного слоя - наклепом и остаточными напряжениями. Для обеспечения заданного предела выносливости необходимы определенные значения параметров качества поверхностного слоя, получить которые можно при управлении процессом резания.
Технологические условия обработки могут характеризоваться установленным проф. С.С. Силиным энергетическим критерием подобия Л процесса резания, который характеризует режим обработки, связанный в свою очередь с параметрами качества поверхностного слоя, т.е. (S, v, t и др.) = f (hс, Rz, σост). На основе этого разработана система управления процессом обработки с оптимизацией по энергетическому критерию процесса резания А. При обработке измеряется температура и сила резания. По измеренным значениям, а также по параметрам сечения среза определяется величина критерия А, который путем варьирования скоростью резания и подачей сохраняется постоянным в процессе резания, тем самым поддерживается постоянным комплекс параметров качества поверхностного слоя на обработанной поверхности.
Таким образом, целесообразно найти зависимость между пределом выносливости обрабатываемой детали и режимами обработки, а следовательно, и параметрами качества поверхностного слоя через энергетический критерий процесса резания А, характеризующий работу, затрачиваемую на снятие припуска. В качестве характеристик сопротивления усталости используется предел выносливости и критерии степени поврежденности металла. Предел выносливости определяется в процессе усталостных испытаний, проведение которых требует значительных временных и материальных затрат. В этом смысле выгодно отличается от предела выносливости определение критерия поврежденности материала по изменению модуля упругости Eобр / Eисх, где Eобр, Eисх- модули упругости материала поверхностного слоя детали соответственно после обработки и в исходном состояниях. При повреждении детали происходит изменение характеристик материала: микротвердости, модуля нормальной упругости и других величин. Процесс образования усталостной трещины связан с локальным обрывом сил межатомной связи и с изменением модуля упругости. Поэтому по характеру изменения модуля упругости можно судить о протекании процесса усталостного разрушения. Следовательно, относительное изменение модуля упругости Eобр / Eисх является достаточно надежным критерием поврежден-ности материала. Учитывая, что толщина поверхностного слоя с наклепом на 1-2 порядка меньше толщины детали, будем полагать в первом приближении, что влияние на сопротивление усталости шероховатости поверхности и масштабного фактора для детали в исходном состоянии и после обработки одинаково. Тогда для определения предела выносливости детали после обработки можно воспользоваться соотношением

где σ-1, σ-1 исх - предел выносливости детали соответственно после обработки и в исходном состоянии (до обработки).

Нахождение зависимости между изменением модуля нормальной упругости Е при обработке по отношению к его значению в исходном состоянии материала и энергетическим критерием процесса резания А позволяет определять изменение предела выносливости обрабатываемой детали в зависимости от заданных режимов обработки или параметров поверхностного слоя.
Зависимость температуры резания от критерия А представляется в виде

Зависимость модуля упругости от температуры в логарифмической системе координат можно представить выражением

После преобразований зависимость модуля упругости материала детали от критерия А запишется в виде Eобр=C1K2C2AK1K2 или:

где C = C1K2C2 и К = К1К2 - коэффициенты,зависящие от вида материала и метода обработки (см. табл. 1).

Тогда отношение модулей упругости в исходном состоянии и после обработки примет вид

Таблица 1. Коэффициенты К и С для расчета пределов выносливости в зависимости от группы материалов при обработке точением

Группа обрабатываемых материалов

C*103

К

Никелевые жаропрочные сплавы

165

-0,08

Конструкционные стали

166

-0,10

Титановые сплавы

88

-0,11

Тогда в первом приближении можно принять с учетом (1)

Значение энергетического критерия процесса резания А до выполнения обработки можно рассчитать по уравнению проф. С.С. Силина:

откуда

где - критерий процесса резания, характеризующий степень влияния режимных условий процесса резания по сравнению с влиянием теплофизических свойств обрабатываемого материала; v - скорость резания, м/с; а1 - толщина среза, м; а - коэффициент температуропроводности обрабатываемого материала, м2/с;
- критерий, отражающий влияние геометрии инструмента и отношения теплопроводнос-тей инструментального и обрабатываемого материалов; λ и λp - коэффициенты теплопроводности обрабатываемого и инструментального материалов, Дж/мс- °С; β, ε, - соответственно главный угол заострения и угол заострения при вершине резца в плане, град.;
- безразмерный комплекс, характеризующий геометрию сечения среза; b1, - ширина среза, м;
- безразмерный
комплекс, характеризующий влияние на процесс резания геометрической формы режущей кромки резца; ρ1 -радиус скругления режущей кромки резца, м; α - задний угол резца, град.;
- энергетический критерий процесса резания, характеризующий тепловую активность стружки по отношению ко всей выделяющейся в зоне резания теплоте; с ρ - удельная объемная теплоемкость обрабатываемого материала, Дж/м3*°С; θ - температура в зоне резания, °С; Рz - сила резания, Н.
Таким образом, задавая значения технологических условий обработки (v, S, t), геометрические характеристики инструмента (α, φ, φ1, γ, ρ и др.), а также используя справочные данные по обрабатываемому и инструментальному материалам (λ и λр, с ρ, а и аp, НВ и НВp, σТ, σв, Eисх, σ-1 исх и др.), можно расчетным путем определить предел выносливости детали после обработки точением.
По аналогии с установленной зависимостью (6) при обработке точением были получены зависимости для цилиндрического фрезерования (значения С и К для различных групп обрабатываемых материалов см. в табл. 2).

Таблица 2. Значения Си К для расчета пределов выносливости в зависимости от группы материалов при обработке фрезерованием

Группа обрабатываемых материалов

С*103

К

Никелевые жаропрочные сплавы

182

-0,08

Конструкционные стали

197

-0,07

Титановые сплавы

100

-0,15

Рис. 1. Блок-схема расчета технологических условий обработки

3. Значения коэффициентов М и N в зависимости от вида

Материал

Точение

Фрезерование

М

N

Титановые сплавы

1400

1066

Никелевые сплавы

1144

649

Конструкционные сплавы

965

570

4. Значения коэффициентов m, n, К, L

Метод обработки

т

n

К

L

Точение

420

-

0,73

-

Фрезерование

-

224

-

0,83

Выполненные исследования были использованы для разработки рекомендаций по назначению технологических условий обработки на стадии конструкторско-технологической подготовки производства. Предлагается последовательность расчета технологических условий обработки с целью обеспечения требуемых значений предела выносливости, приведенная на рис. 1.
С целью оценки влияния на предел выносливости комплекса параметров качества поверхностного слоя были проведены дополнительные расчеты и установлены зависимости:
для точения

для фрезерования

Значения коэффициентов M и N зависимости от вида материалов и метода обработки приведены в табл. 3.
Выражения (7) и (8) можно преобразовать к виду:
при точении

при фрезеровании

где m, n,K,L- величины, зависящие от свойств обрабатываемых материалов (см. табл. 4); σВВЭ - отношение предела прочности обрабатываемого материала к пределу прочности электротехнической стали, принятой за эталон. Таким образом, установлены количественные связи, позволяющие расчетным путем определять предел выносливости деталей из различных групп материалов: титановых и никелевых сплавов, конструкционных сталей в зависимости от технологических условий обработки либо параметров качества поверхностного слоя применительно к различным видам лезвийной обработки (точение и фрезерование).

В.Ф. БЕЗЪЯЗЫЧНЫЙ, д-р техн. наук (РГАТА)


Справочник, инженерный журнал (приложение)
№9, 2003г. с. 10-12

Статьи партнеров