АТОМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЦЕССАМ ДЕФОРМАЦИИ СРЕЗАЕМОГО СЛОЯ ПРИ РЕЗАНИИ

Проблема повышения эффективности процессов механообработки обусловливает необходимость углубленных исследований физических закономерностей, сопровождающих отделение срезаемого слоя от заготовки. При резании процесс пластической деформации реализуется по схеме сжатия и простого сдвига [1]. При этом многочисленными исследованиями показано, что на верхней границе зоны стружкообразования и в зоне вторичной деформации (рис. 1) отдельные зерна согласовано формоизменяются и выстраиваются в цепочку в плоскости сдвига, образуя так называемую текстуру.

Рисунок 1. Локализация деформации и текстура в корне стружки:

а — в зоне стружкообразования при резании стали 10 (видны зерна цементита, вытянутые вдоль плоскости сдвига) при V = 30 м/мин; б — при V = 250 м/мин (х 60)

Экспериментально установлено, что τ_СДВ сопротивление пластическому деформированию в условной плоскости сдвига при обработке сталей оказывается постоянным, что связывается с деформационным насыщением, т.е. достижением предельного уровня деформации (упрочнения).

С ростом скорости при обработке сталей происходит последовательное изменение вида стружки – от элементной к сливной, а далее к сегментной (суставчатой). Следует отметить, что сегментная стружка образуется при обработке титановых и жаропрочных сплавов уже при низких скоростях резания. Причем при обработке титановых сплавов сегментная стружка может формироваться в широком диапазоне скоростей резания.

Одним из первых механизм образования сегментной стружки при высоких скоростях резания изучал М.И. Клушин [1], который связал это с адиабатическими условиями деформаций, т.е. температурным разупрочнением. Иначе говоря, согласно [1], при высоких скоростях резания условия деформирования в зоне стружкообразования таковы, что теплота от деформации в зоне локализованного сдвига не успевает уйти, т.е. диффузионные процессы не могут реализоваться и τ_СДВ снижается. Предполагают, что при резании [1] титанового сплава более низкие значения τ_СДВ по сравнению с τ_СДВ при резании сталей обусловлено именно этим обстоятельством. В работе [5] такой механизм формирования элемента стружки в зоне стружкообразования назван даже «разрушающим термопластическим сдвигом».

Возможность реализации адиабатического сдвига в работах [2-7] при резании также связывается, прежде всего, с низкими значениями теплопроводности и температуропроводности.

Однако экспериментальные данные указывают на постоянство сопротивления сдвигу в широком диапазоне скоростей резания, а низкие значения τ_СДВ при обработке титановых сплавов, как показывают наши исследования, связаны с их низкой ЭДУ и охрупчиванием границ зерен примесями [9].

Следует заметить, что при обработке жаропрочных сплавов [2] τ_СДВ оказывается высоким. При обработке закаленных сталей скорости резания, при которых происходит переход сливной стружки к сегментной, снижаются. Кроме того, сегментная стружка образуется и при резании алюминиевых сплавов, а также чистых материалов, т.е. материалов, не подвергающихся сильному деформационному упрочнению. Известно, что температуропроводность алюминиевых сплавов является высокой, а после термообработки сталей она не изменяется.

В работе [2] показано, что f_стр – частота сегментного стружкообразования, толщина элемента стружки (сегмента) зависит от фрикционных свойств инструментального материала, в частности, при резании инструментом с покрытием наблюдалось увеличение f_стр частоты стружкообразования и толщины стружки. Данные исследования показывают также, что контактные процессы в зоне вторичных деформаций стружки оказывают большое влияние на напряженно-деформированное состояние в зоне стружкообразования, угол сдвига, а также и на вид стружки.

Современный уровень достижений области физики твердого тела [9-11], физики металлов, квантовой механики позволяет рассмотреть процессы деформации и разрушения срезаемого слоя на атомном уровне, в частности, путем моделированием прочности межатомной связи в различных материалах, определяющих сопротивлению сдвигу элемента стружки при резании.

Целью работы явилось исследование механизмов пластической деформации на атомном уровне и определение связи параметров, характеризующих сопротивление сдвигу при резании, с параметрами, определяющими механизмы деформации различных типов кристаллической решетки.

Традиционное рассмотрение пластической деформации [9, 10] предполагает начало пластического течения при напряжении τт текучести и учитывает только деформационное упрочнение. Это ошибочное описание является следствием того, что не учитываются в теории градиентов напряжения пластического течения. Неоднородность напряженного состояния в деформируемом кристалле обусловливает релаксационный характер пластического те чения. Гидростатические давления способствуют релаксации упругих напряжений на границах зерен. В соответствие с [9, 10], в случае высокой энергии дефекта упаковки (ЭДУ) материала зерно при деформировании поворачивается как целое. В основе этого явления лежит относительно высокая подвижность зернограничных дислокаций (ЗГД) и возникновения в нагруженном поликристалле моментных напряжений. Это эффект зависит от обрабатываемого материала и состояния границ зерен. Поворотные М моменты, обусловливающие поворот зерен (реализацию ротационной моды деформации), способствуют формированию цепочки зерен, вытянутых вдоль верхней границы стружкообразования с образованием текстуры (рис. 2), т.е. согласованный поворот зерен без нарушения сплошности при этом сохраняется непрерывность действия напряжений и деформации. В ряде работ показано, что процессы, сдерживающие сдвиговую деформацию зерен, сдерживают и скольжение по границам зерен. В результате сдвиг будет происходить не в единственной плоскости скольжения, а путем сдвига большого числа атомных плоскостей скольжения.

Образование текстуры свидетельствует о том, что в условиях специфического напряженного состояния в зоне стружкообразования реализуется эффективная релаксация концентраторов напряжений в стыках поворачивающихся зерен. В результате достигаются высокие степени деформации (ɛ 2…10 [6]) и значительное внутризеренное упрочнение. Следовательно, в таких условиях работа источников деформации становится скорелированной и самоорганизованной, что обусловливает самоустановление [8] угла скольжения (сдвига) β и минимум затрачиваемой энергии.

 

Рисунок2. Схема атомной структуры обрабатываемого материала на нижней и верхней границах зоны стружкообразования, а также в зоне вторичной деформации прирезцового слоя стружки (пластического контакта) и передней поверхности инструмента

На рис. 2 приведена упрощенная схема процесса резания, где условно показаны межатомные связи как на нижней границе сдвига стружки, так и на верхней, т.е. на плоскости сдвига. Следует отметить, что пластическая деформация, в противоположность упругой, столь значительна, что вызывает разрыв межатомных связей, которые до деформации были соседями. Пластическая деформация происходит в том случае, когда к разрыву межатомных связей приводит возрастание напряжений во всем деформированном объеме до величины, равной теоретической прочности, т.е. порядка 0,1В (В-модуль всестороннего сжатия). Однако в большинстве реальных материалов пластическая деформация имеет место при уровне напряжений более низком, чем теоретическая прочность, вследствие наличия в материалах дислокаций.

Исследования показывают, что на сопротивление пластической деформации срезаемого слоя большое влияние оказывает тип кристаллической решетки обрабатываемого материала, его ЭДУ, наличие примесей на границах зерен и способность материала релаксировать на границах зерен. Влияние этих параметров проявляется через виды диссипативных структур, формирующихся в процессе деформации срезаемого слоя и определяющих ее локализацию. В этой связи вид стружки будет существенно определяться указанными факторами.

Список литературы:

1. Клушин, М.И. О физических основах сверхскоростного резания // Труды ГПИ, 1961. Т. ХVII. Вып. 4. С. 15–22.
2. Бобров, В.Ф. Особенности образования суставчатой и элементной стружек при высокой скорости резания / В.Ф. Бобров, А.И. Сидельников // Вестник машиностроения. 1976. №7. С. 61–66.
3. Филимонов, Л.Н. Особенности стружкообразования в условиях локального термопластиче- ского сдвига при высокоскоростном резании / Л.Н. Филимонов, Л.Н. Петрашина // Вестник машиностроения. 1993. № 5–6. С. 23–25.
4. Макаров, В.Н. Термодинамика высокоскоростной лезвийной обработки / В.Н. Макаров, С.Л. Проскуряков // Вестник машиностроения. 1993. № 5–6. С. 28–29.
5. Рехт, Р.Ф. Разрушающий термопластический сдвиг // Тр. Амер.общества инж.-механиков: [пер. с англ.]. Т. 31. Сер. Е. № 2. – М.: МИД, 1964. С. 189–193.
6. Зорев, Н.Н. Вопросы механики процесса резания / Н.Н. Зорев. – М.: Машгиз, 1956. – 365 с.
7. Клушин, М.И. Резание металлов / М.И. Клушин. – М.: Машгиз, 1956. – 363 с.
8. Кабалдин, Ю.Г. Резание металлов в условиях адиабатического сдвига элемента стружки // Вестник машиностроения. 1995. № 7. С. 19–25.
9. Панин, В.Е. Структурные уровни локализации деформации / Кооперативные деформацион-ные процессы и локализация деформации: сб. ст. – Киев: Наукова думка, 1989. С. 38–57.
10. Панин, В.Е. Новая область физики твердого тела // Изв. вузов. Физика. 1987. № 1. С. 3–8.
11. Пригожин, И.Р. Термодинамическая теория структур, устойчивости и флуктации / И.Р. При-гожин, Л. Гленсдорф. – М.: Мир, 1973. – 280 с.[schema type=»book» name=»АТОМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЦЕССАМ ДЕФОРМАЦИИ СРЕЗАЕМОГО СЛОЯ ПРИ РЕЗАНИИ» description=» Изложен атомный поход к процессам деформации и разрушения стружки при резании. Установлена связь сопротивления сдвигу вида стружки с параметрами, характеризующими энергетическое состояние кристаллической решетки, ее ЭДУ, теплоту плавления. Указаны пути повышения эффективности процесса резания. » author=»Кабалдин Юрий Георгиевич, Кузьмишина Анастасия Михайловна, Желонкин Максим Викторович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-02-02″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_26.09.15_10(18)» ebook=»yes» ]