Термомеханические процессы при ультразвуковом резании металлов

Современные методы резания позволяют обрабатывать материалы, традиционно плохо поддающиеся обработке и при этом получать заметно лучшее качество обработанной поверхности [2,17,19,51,53,67]. Однако сильный разогрев резца при быстром резании высокопрочных сплавов, сильный износ оборудования и необходимость в охлаждении с помощью специальных охлаждающих эмульсий до сих пор являются проблемами, заметно затрудняющими данный процесс, приводя к удорожанию и усложнению процесса обработки.

Необходимы новые технологии, одной из которых является I ультразвуковое резание [26,33]. Под ультразвуковым резанием понимается процесс, при котором резцу с помощью специального устройства сообщают высокочастотные (ультразвуковые) колебания, как правило, в направлении скорости резания [26,31,33]. Схема процесса ультразвукового резания показана на рисунке 1.1.а, где 1 — обрабатываемое изделие, получающее вращение с угловой скоростью Q от привода станка- 2 — резец, которому сообщаются колебания u (t) с частотой соV — Qrскорость резанияг — радиус заготовкиР- постоянная составляющая силы резания. I а) б).

Рис. 1.1. а — схема резания на токарном станке, б — упрощенная схема резания, удобная для моделирования.

Многочисленными экспериментами установлено, что наложение ультразвуковой вибрации на равномерное движение резца, приводит к существенному снижению статической силы резания [26,31−33]. В [3,5] этот эффект получил объяснение на основе реологической модели процесса резания, учитывающей упругопластические свойства обрабатываемого материала и силы трения. Здесь же показано, что наиболее эффективными режимами при ультразвуковом точении являются периодические виброударные процессы в зоне резания. Динамические характеристики устройства для ультразвукового резания как виброударной системы с распределенными параметрами построены в [56].

Отметим некоторые характерные особенности процесса ультразвукового резания, которые наблюдались в экспериментах при обработке различных материалов [56,57].

Упомянутое выше снижение сил резания наблюдается при скоростях резания V (а, «у—амплитуда и круговая частота колебаний резца) и происходит при точении всех металлов: алюминия, меди, бронзы, латуни, углеродистых, нержавеющих и жаропрочных сталей, титана и др.

Ультразвуковое резание радикально изменяет структуру и микрогеометрию обработанной поверхности.

При ультразвуковом резании существенно меняется характер процесса [59,60,66,68]. Так наложение ультразвуковых колебаний полностью исключает характерное для традиционного точения образование на поверхностях резца наростов при точении алюминия и меди. Ультразвуковая вибрация существенно изменяет характер снимаемой стружки (рис 1.2.а, 1.2.6). Даже при обработке материалов, обычное точение которых сопровождается образованием ломкой стружки, при ультразвуковом резании образуется сливная пластичная стружка без заусенцев и неровностей. Как результат, наложение ультразвука позволяет существенно уменьшить величину минимально возможного срезаемого слоя.

Рис. 1.2.а. Резание без ультразвука, Рис. 1.2.6. Резание с ультразвуком, ломкая стружка сливная стружка.

При ультразвуковом резании устраняется склонность системы «Станок — Инструмент — Деталь» к возбуждению автоколебаний, ухудшающих качество обрабатываемой поверхности. Включение ультразвука полностью устраняет автоколебания и позволяет получать однородную поверхность по всей длине, например, технологически нежестких изделий без применения промежуточных опор и люнетов.

Некоторые из указанных явлений удается объяснить с помощью относительно простых моделей [3,56,57]. Однако эти модели не объясняют ряд эффектов, наблюдаемых при ультразвуковом резании. К таким эффектам относятся, например, увеличение стойкости резца и изменение характера стружки. Если при традиционном резании стружка, как правило, имеет цвета побежалости и явные следы фазовых переходов в структуре материала, то при ультразвуковом резании такие явления не происходят. Из этого с очевидностью следует, что протекание тепловых процессов при ультразвуковом и традиционном резании существенно различается. Вместе с тем разогрев материала в зоне резания изменяет характеристики обрабатываемого материала, снижая модуль упругости и предел текучести.

Именно исследование взаимного влияния механических и тепловых процессов при ультразвуковом резании и является основной целью настоящей работы.

Следует отметить, что задачи, связанные с учетом влияния температуры в зоне резания или влияния ультразвуковых колебаний на условия возбуждения автоколебаний, оказываются настолько сложными, что не могут быть решены аналитическими методами и требуют применения иных подходов.

В данной работе приводятся результаты моделирования процесса ультразвукового резания металлов с помощью метода конечных элементов. В построенной конечно элементной модели учитываются как упругопластические свойства обрабатываемого материала, так и термодинамические характеристики изделия, инструмента и окружающей среды, позволяющие описать происходящие в зоне резания термомеханические процессы. Полученные результаты сравниваются с результатами аналитических решений и экспериментальными данными.

Основное содержание диссертационной работы изложено в 4-х главах.

В Главе 1 приведен обзор исследований в области ультразвуковой обработки металла, начиная от изобретения способа размерной обработки хрупких материалов в среде абразивной суспензии [58]. Этот способ, однако, оказался неприменимым к обработке металлов. Наиболее перспективным оказался технологический процесс токарной обработки с наложением на резец ультразвуковых колебаний [26,27,32,33]. В главе приводится описание обнаруженных при этом эффектов. Показано, что, несмотря на различия описанных процессов, они имеют ряд общих черт. Это, прежде всего, то, что при малых скоростях процессы происходят при очень малых статических усилиях подачи. Установлено, что наиболее эффективными являются виброударные процессы, в результате которых в рабочей области происходят микропластические деформации или микро разрушения, а процесс обработки это, по существу, накопление микро изменений в зоне обработки. В заключение этой части главы анализируются принципиальные трудности практической реализации рассматриваемых процессов и описываются пути их преодоления.

Второй раздел первой главы дает общие сведения о теоретических основах метода конечных элементов. Рассматривается метод конечных элементов для решения упругих задач, а также расширение этого метода на задачи с большими пластическими деформациями, которые и рассматриваются в данной работе.

Вторая глава посвящена постановке задачи моделирования процесса ультразвукового резания. В главе разработана схема моделируемого процесса, рассматриваются начальные условия, дается описание всех свойств материала и основных характеристик процесса резания. Считается, что движущийся с постоянной скоростью и колеблющийся с ультразвуковой частотой в направлении движения резец действует на неподвижную деталь. Деталь считается идеальным упругопластическим телом.

Модель была построена и рассчитана с помощью приложения MSC. MARC 2005. В программе были заданы сама модель, свойства материала образца, жесткая заделка образца с двух сторон, закон движения резца и параметры сетки разбиения. В процессе резания сетка периодически перестраивается, чтобы избежать чрезмерной деформации ее отдельных конечных элементов. Образец подвергается пластической деформации, а резец считается недеформируемым телом и для него решается только задача теплопроводности.

Третья глава содержит результаты расчета без учета влияния тепловых процессов.

Содержание данной главы заключается в том, чтобы решить задачу, получив качественное соответствие результатам экспериментов и полученным ранее аналитическим решениям. На данном этапе в модели учитывались процессы пластического деформирования и трения. Проводится сравнение результатов моделирования традиционного и ультразвукового резания. В результате был смоделирован эффект уменьшения силы резания при ультразвуковом резании, наблюдаемый в экспериментах и получивший объяснение с помощью аналитических расчетов. Получены новые результаты, связанные с влиянием силы трения на радиус закручивания стружки, которые сопоставляются с экспериментальными данными. Все это свидетельствует об адекватности принятой модели.

Четвертая глава посвящена результатам моделирования с учетом теплообразования в зоне резания и обобщению полученных ранее результатов.

В начале главы приводится общее описание процесса теплообразования в зоне резания. Основным источником теплообразования в зоне резания является работа сил пластической деформации, на нее приходится более 80% всей выделяющейся теплоты. Вторым источником является сила трения.

Далее в главе приводятся различные результаты в виде графических изображений с компьютера и графиков.

Самая высокая температура достигается в зоне стружкообразования, выделяющаяся там теплота распространяется по всему объему детали, а также отводится в стружку и в режущий инструмент. Учитывается, что с ростом температуры материал детали размягчается и предел текучести уменьшается. Из этого следует очень интересная особенность процесса тепловыделения — при увеличении температуры уменьшается предел текучести и, следовательно, уменьшается тепловыделение, что в дальнейшем приводит к более медленному увеличению температуры. В главе проводится сравнение тепловых процессов при традиционном и ультразвуковом резании. Показано, что при ультразвуковом резании температура повышается медленнее, а ее установившееся значение оказывается значительно ниже.

Далее даются результаты расчетов для различных материалов при различных соотношениях скорости резания и амплитуды вибрационной скорости резца.

Следующий результат — это сравнение силы резания и температуры для различных материалов, один из которых — жаропрочный сплав инконель. Сила резания расположилась в той же последовательности, что и предел текучести соответствующих материалов, зато температура меди получилась выше температуры стали за счет более низкой теплоемкости меди.

Также приводятся результаты моделирования резания стали с различной начальной температурой с целью моделирования установившегося процесса. Независимо от начальной температуры детали в течение 1.5−2 миллисекунд температура устанавливается в районе 150−200 градусов (рис. 4.14).

Наконец, было проведено исследование влияния на процесс резания изменения постоянной поступательной скорости резания при постоянной частоте и амплитуде ультразвуковых колебаний и была построена диаграмма зависимости силы резания от соотношения линейной к вибрационной скорости v/aco. Данная диаграмма на качественном уровне соответствует экспериментам и подтверждает правильность построенной модели.

Заключение

выводы.

Построены модели процесса ультразвукового резания с учетом механических и тепловых процессов, в которых кроме задачи пластического деформирования учитывалось трение и решалась задача теплопроводности для моделирования температуры в зоне резания.

Дана оценка влияния механических и тепловых процессов на характеристики процесса резания.

Выявлены практически важные эффекты влияния ультразвука не только на механические, но и температурные характеристики процесса резания.

Показано, что температура резца в процессе резания может быть значительно ниже, чем при традиционном резании. Этим в значительной степени объясняется повышение стойкости резца и отсутствие наростов на его рабочих поверхностях.

Предложенные модели и решения могут быть использованы для оценки целесообразности и эффективности применения ультразвукового резания для обработки того или иного материала.