
- •Научные основы обработки материалов резание и их связи с естественными, математическими и общетехническими науками.
- •1. Стружкообразование
- •2.Образование нароста
- •3.Усадка стружки.
- •4. Тепловые явления при резании металлов
- •5. Износ инструмента
- •Основные аспекты математического моделирования процесса резания
- •Теоретические основы разработки модели с одной плоскостью сдвига.
- •Теоретические основы разработки модели процесса резания с развитой зоной пластической деформации веерообразной формы.
Теоретические основы разработки модели с одной плоскостью сдвига.
Разработка модели с одной плоскостью сдвига основана на использовании условия равновесия материала стружки, то есть результирующая сила, приложенная к стружке в плоскости сдвига равна по величине и противоположна, направлена силе, приложенной в месте контакта стружки с передней поверхностью резца.
При анализе модели с одной плоскостью сдвига сделаны следующие допущения:
Вершины резца абсолютно острые;
Трение между заготовкой и инструментом отсутствует, то есть пренебрегаем силами, действующими по задней поверхности инструмента;
Деформация металла двухмерна (плоская);
Напряжение в плоскости сдвига распределены равномерно.
Согласно сделанным допущениям схема сил, действующая в зоне резания, будет следующая:
(1.1)где
- предел прочности обрабатываемого
материала на сдвиг; a - толщина среза;b -
ширина среза;
- угол сдвига.
(1.2)
(1.3)
Допускаем,
что к модели процесса резания с одной
плоскостью сдвига применим принцип
минимума затрат энергии.
(1.4)
(1.5)
Данному
условию соответствует только одно
единственное значение угла
Анализ
полученного соотношения показывает,
что угол сдвига будет уменьшаться
А с увеличением переднего угла угол сдвига будет увеличиваться.
Теоретические основы разработки модели процесса резания с развитой зоной пластической деформации веерообразной формы.
М
одель
процесса резания с развитой зоной
пластической деформации может описывать
пластическую зону с веерообразной
(треугольной) формой и с параллельными
границами.
Рассмотрим модель с веерообразной формой пластической зоны предложенной, исследователями Окушимой и Хитоми. Форма зоны деформации иллюстрируется рис. 2.1.
Аналитическое исследование выполнено на основе изменения геометрии, граничных линий зоны пластической деформации.
Предполагалось, что материал идеально пластичен и касательные напряжения по линиям ОА, ОВ, ОD равны напряжениям течения материала при сдвиге.
Таким образом:
(2.1)
Исходя из условий равновесия,
(2.2)
(2.3)
(2.4)
где b – ширина среза; h – длина площадки контакта стружки с инструментом.
Из уравнений (2.1) и (2.4) были выражены были выражены углы Ф1, Ф2:
(2.5)
(2.6)
где
(2.7)
и
(2.8)
при
и
Размеры зоны деформации представлены углом Ф:
(2.9)
В последней экспериментальной работе были определены приблизительные значения h1 и h2 (h1≈2, h2≈1). Таким образом, значения B1 и B2 могут быть определены, если известны углы γ и β. Следовательно, может быть определена и толщина зоны деформации.
Деформация
сдвига была определена из геометрических
соображений, как показано на рис. 2. Таким
образом,
.
(2.10)
в
точке А, ψ=0, поэтому ГА=0,
в точке В
(2.11)
Эта модель предполагает увеличение деформации материала при прохождении через зону сдвига.
Теоретические основы разработки процесса резания с развитой зоной пластической деформации с параллельными границами.
С целью упрощения математических выкладок при определении размеров пластической зоны с параллельными границами допускаем, что упрочнения материала проявляется только после пересечения границы А2B2 (рис.3.1.).
В основу расчетного метода положим равенство давления, действующего по нормали к границе переходной пластически деформированной зоны со стороны образующейся стружки, давлению, которое может передавать обрабатываемый материал, заключенный между границами этой зоны.
В соответствии с результатами, полученными исследователями Т.Н. Лопадзе, Н.В.Талантова и других исследователей, зону, определяющую формоизменение срезаемого слоя принимаем ограниченной плоскостями параллельными условной плоскости сдвига.
В процессе резания обрабатываемый материал, находящийся вне зоны пластической деформации, движется по отношению к режущему инструменту со скоростью υ. Для принятой жесткопластической схемы деформации, в системе координат ХОY эта часть материала может рассматриваться как абсолютно жесткое тело, пластически деформирующее переходную зону стружкообразования со скоростями υx и υy.
Для определения значений υx и υy рассмотрим переход произвольного элемента срезаемого слоя ACDE в элемент стружки AC1D1E1 как результат одновременного сжатия сдвига и поворота в плоскости XOY (рис. 3.1, б). Поскольку величина поворота элемента срезаемого слоя не оказывает влияния на его формоизменение, то анализ деформации этого элемента проводим в предварительно повернутом положении AC0D0E0.
За время перемещения резца из точки Е в точку А элемент срезаемого слоя толщиной Δ0 сжимается до толщины Δ1 и сдвигается на величину S. Следовательно, имеет место следующее соотношение:
,
(3.1), где υсж,
υсд
– скорости сжатия и сдвига рассматриваемого
элемента при переходе его из AC0D0E0
в элемент стружки AC1D1E1.
Проекция
вектора скорости на ось Х
и вектора скорости сжатия на ось Y
соответственно равны значениям υx
и
υy:
Здесь
учтено, что
(3.2)
В
процессе сжатия на границе А2В2
пластически
деформируемого элемента срезаемого
слоя вектор скорости перемещения любой
материальной точки вдоль оси Х
совпадает
с направлением вектора скорости сдвига
и по величине может быть либо больше,
либо меньше его. Точка F,
в которой скорость перемещения
деформируемого материала по отношению
к скорости сдвига равна нулю, является
нейтральной. По обе стороны от точки F
касательные напряжения имеют
противоположное направление: на участке
B2F
вдоль
оси
X,
а на участке
FA2
противоположно
оси X.
На границе с недеформированным срезаемым слоем вектор скорости перемещения любой материальной точки направлен противоположно вектору сдвига . Поэтому независимо от соотношения скорости перемещения материала вдоль оси X деформируемого под действием сжатия, и скорости сдвига касательные напряжения не меняют знака по всей границе A1B1 и направлены вдоль оси X.
Дифференциальные уравнения равновесия для плоско-деформированного состояния, условие пластичности и дифференциальные уравнения скоростей перемещений имеют вид:
(3.3),
где
–
составляющая тензора напряжений;
-
предел прочности обрабатываемого
материала на сдвиг;
,
-
составляющие скорости перемещения
материальных точек деформируемого
элемента.
Если принять, что в направлении оси X касательные напряжения могут изменять только знак, оставаясь постоянными по абсолютной величине, то из системы уравнений (3.3) следует:
(3.4)
Примем,
что вдоль плоскости A1B1
а
по границе со стружкой A2B2
где А – параметр, характеризующий изменение напряжения в материале в результате потери его сплошности.
(3.5)
где
- вязкость разрушения при плоском
деформированном состоянии;
- толщина среза, м;
- скорость резания, м/с;
- предел прочности обрабатываемого
материала на срез, МПа;
– плотность обрабатываемого материала,
МПа с2/м2.
Т.о., допускаем наличие несплошности в деформируемой зоне по границе со стружкой.
Используя
граничные условия y
= 0,
и
для определения постоянных C1
и C2
в уравнении (3.4) и решая систему уравнений
(3.3) получим:
(3.6)
Подставим
значение
,
в уравнение пластичности:
Это тождество удовлетворяется, если
(3.8)
Знак минус перед коэффициентом A и индекс 3 при постоянной интегрирования относятся к участку B2F, а знак плюс и индекс 4 – к участку FA2.
С учетом соотношений (3.8) уравнения (3.6) преобразуется к виду:
(3,9)
Постоянные
интегрирования C3
и
C4
определим
из граничных условий. На свободной
поверхности стружки напряжения
равны нулю. Удовлетворив краевое условие
при
найдем
В силу неразрывности напряжений
в точке P
имеем:
, (3.10)
где
– абсцисса нейтральной точки F.
Положение
нейтральной точки F
определим
из условия равновесия скорости сдвига
и скорости перемещения точек деформируемого
элемента вдоль оси X
под действием сжатия. Выражения для
скоростей перемещений, удовлетворяющие
уравнениям (3.3) имеют вид:
(3.11)
Для
определения постоянной С5
воспользуемся
условием равенства потока материала
деформируемого элемента, проходящего
через сечение
количеству
выдавливаемого материала на длине
при его сжатии со скоростью
,
(3.12), где
- толщина среза.
Решая уравнение (3.12) получим:
.
(3.13)
Приравнивая
скорость перемещения материальных
частиц на поверхности A2B2
(
к скорости сдвига
определим:
Подставляя
соотношение (3.11), (3.13) и (3.14)в уравнение
(3.9)и интегрируя
по X
в
интервале от 0 до
,
запишем полученный результат относительно
толщины пластически деформированного
слоя:
где P – давление, действующее на деформированный слой по нормали к плоскости сдвига.
Для определения нормального давления, действующего на пластически деформированную зону, воспользуемся формулой для определения гидростатического давления [1]. С учетом гидростатического давления, действующего по границе деформированной зоны, выражение (3.15) примет вид:
где
В частности, для элементной стружки A = 0 и формула (3.16) упрощается:
(3.17)
Для
сливной стружки А
=1 и
следовательно,
,
т.е. получаем модель с одной плоскостью
сдвига.
Ввиду
того, что зависимость
близка к линейной величину
можно определить приближенно:
(3.18)