АСПЕКТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ

Введение Как известно, состояние термодинамической системы, которой в общем случае является зона контакта инструмента с обрабатываемой деталью, может быть задано с помощью ряда параметров: действующих касательных и нормальных напряжений, фактической площади А r контакта, температуры θ и т.д. [2]. Состояние, в котором параметры этой системы различны в разные моменты времени или в разных точках (координатах), называется неравновесным. Для таких состояний характерны градиенты макроскопических параметров (,θ, А r и т. д.). Все реальные процессы в зоне фрикционного контакта являются неравновесными, поскольку протекают со скоростями, большими скорости релаксации υ ri, и лишь в определенных температурно-скоростных условиях могут приближаться к равновесным.

Традиционная запись энергетического баланса процесса механической обработки металлов в интегральной форме: W p =Q p +AU, (1) не учитывает непрерывный параллельно- последовательный переход затраченной энергии резания W p в тепловую Q p и другие виды энергии ΔU i. В связи с этим можно сделать вывод, что она не может служить основой для анализа общих закономерностей динамики реализации данных процессов и возможных путей их оптимизации для решения технических задач. Тепловые явления при резании материалов являются следствием физических закономерностей протекания процессов упруго-пластического деформирования, трения и разрушения в зоне структура- и формообразования, которые согласно современным представлениям [2] имеют неравновесный динамический характер энергетических превращений.

Такой необратимый динамичный процесс, как резание, при переменных во времени условиях нагружения целесообразно описывать, используя принципы термодинамики неравновесных процессов [3] с помощью так называемых диссипативных функций энергии, затрачиваемой на какой-либо процесс (например, пластическое течение обрабатываемого материала) и отнесенной к единице фактической площади A r контакта. Обычно, диссипативная функция, вводится для учета перехода энергии упорядоченного движения в энергию неупорядоченного движения, в конечном счете – тепловую. Принято, что диссипативная функция имеет размерность мощности.,(2) где θ температура контакта, К; удельная скорость изменения энтропии S i системы.

Диссипативную функцию можно также определить как произведение термодинамической (обобщенной) силы (-Δσ i ) и обобщенного потока J i, (3) Представление о диссипативных структурах как открытых системах, формирующихся в процессе обмена веществом и энергией с окружающей средой, введено Г. Николисом и И. Пригожиным [4]. Движущей силой явления самоорганизации диссипативных структур является стремление открытых систем при нестационарных процессах к снижению производства энтропии. Катастрофического износа и разрушения контактных поверхностей инструмента не будет происходить, пока система «инструмент–деталь» способна освобождать себя от той энтропии, которую она вынуждена производить в процессе диссипации подводимой к ней механической энергии.

Как известно, механическая внешняя энергия ΔW p, подведенная к зоне контакта резца с деталью, затрачивается на энергию деформации ΔW d обрабатываемого материала в зонах стружкообразования и трения по передней и задней поверхностям инструмента, а также на изменение внутренней энергии ΔU i контактирующих материалов. Энергия деформации ΔW d трансформируется затем в тепловую энергию Q, рассеиваясь в стружку, деталь, резец и окружающую среду. Изменение внутренней энергии ΔU i в зоне фрикционного контакта в основном складывается из энергии диспергирования и формоизменения ΔU f изнашиваемого инструмента, а также из энергии ΔU c, накопленной в поверхностном слое обрабатываемого материала [6], энергии структурно- фазовых превращений ΔU s и т.д.

К сожалению, в настоящее время не существует точных аналитических выражений, которые описывали бы все перечисленные процессы диссипации энергии. Кроме того, согласно данным [3, 6], такие составляющие, как_ ΔU c, ΔU s не превышают 1% от затраченной энергии W p. Таким образом, в первом приближении изменение внутренней энергии термодинамической системы «резец–деталь» можно представить как энергию, затраченную на формоизменение (изнашивание) инструментального материала, а первый закон термодинамики (закон сохранения количества энергии) для процессов трения и изнашивания при резании записать в дифференциальной форме, как уравнение баланса диссипативных функций: (4)

Используя закономерности теории резания, кинетической теории прочности и пластичности, механохимии и физической кинетики, можно конкретизировать основные составляющие уравнения баланса ДФ и записать уравнение общего энергетического баланса,(5) где bширина срезаемого слоя; h 3 и cдлины контакта резца со стружкой и деталью по задней и передней поверхностям инструмента; lпуть резания; P z сила резания, υ скорость резания; p, Сплотность и удельная теплоемкость материала детали; h θ толщина термопластический деформированного слоя материала детали; Δθ M приращение модифицированной температуры; mкоэффициент температурно-скоростного упрочнения материала детали в контактной зоне; n / константа, связанная с длиной свободного пробега дислокации; Dчисло дислокаций, приходящихся на единицу степени пластической деформации; ε / скорость деформации; Nчисло воздействий, приводящих к отделению частицы износа; µ и E-коэффициент Пуассона и модуль упругости инструментального материала; σ -η напряжение, обеспечивающее локальные сдвиги в объеме деформируемого слоя.

Уравнение (5) связывает текущее значение износа h 3 и скорость его изменения с величиной и скоростью изменения силы резания P z, приращением Δθ M температуры, а также элементами режима обработки, которые являются управляющими параметрами. Известны [1] методы и системы управления температурными и силовыми координатами процесса резания с целью обеспечения размерной точности обработки и стойкости инструмента. Таким образом, появляется принципиальная возможность управления интенсивностью износа инструмента путем целенаправленного изменения механической и тепловой составляющих уравнения энергетического баланса, в том числе за счет выбора не только оптимальных сочетаний υ, s, t, но и скоростей их изменения. Уравнение (5) является новой моделью изнашивания режущего инструмента, поскольку связывает зависимость скорости изменения фаски износа с ее текущим значением h 3, как в явном виде, так и косвенно через значения приращения силы P z и температуры Δθ резания. Соответственно применение данной зависимости при составлении управляющих программ с динамическими параметрами позволит достичь повышение характеристик и качества токарного изделия. Примером программ в которых в качестве корректировки можно добавить данное уравнение могут служить FeatureCAM основной модуль для корректировки FEATURE TURN; T-FLEX ЧПУ 10 в редакторе переменных; Unigraphics NX при добавлении условий в модуль ответственный за генератор ЧПУ программ; модуль UG/Post Execute, UG/Post Builder при корректировке программы инвариантного постпроцессора на языке TCL …

Интерфейсы рассмотренных программ

Использованные источники 1. Зориктуев, В.Ц. Диагностика состояния режущего инструмента в автоматизированном производстве : учеб. пособие / В. Ц. Зориктуев, Р. Р. Латыпов, В. В. Постнов, А. Д. Никин. Уфа : УГАТУ, с. 2. Хаазе, Р. Термодинамика необратимых процессов / Р. Хаазе.М. :Мир, с. 3. Постнов, В. В. Динамика износа контактных поверхностей режущего инструмента /В. В. Постнов //Оптимальное управление мехатронными станочными системами : сб. науч. трудов. Ч. 2. Уфа : УГАТУ, С. 17– Николис, Г. Самоорганизация в неравновесных системах / Г. Николис, И. Пригожин.М. :Мир, с.