Термомеханические процессы при ультразвуковом резании металлов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи

Разинкин Александр Вячеславович

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОМ РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ

Специальность 01.02.06. - Динамика, прочность машин, приборов и

аппаратуры.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗДЬаиао

Москва 2008

003453085

Работа выполнена в Институте машиноведения им. А.А.Благонравова РАН

Научный руководитель доктор технических наук

Асташев Владимир Константинович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Пановко Григорий Яковлевич

доктор технических наук, профессор Гуськов Александр Михайлович

Ведущая организация Открытое акционерное общество

НТК «Механобр-техника» (С.-Петербург)

Защита состоится « 11 » декабря 2008 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д002.059.01 в конференц-зале Института машиноведения им. A.A. Благонравова РАН по адресу: 101990, Москва, Малый Харитоньевский пер., д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН по адресу: Москва, ул Бардина,4. Электронная копия автореферата находится на сайте www.imash.ru.

Автореферат разослан «10» ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук Бозров В.М.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Современные методы резания позволяют обрабатывать материалы, традиционно плохо поддающиеся обработке, и при этом получать заметно лучшее качество обработанной поверхности. 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 увеличению себестоимости и усложнению процесса обработки.

Ультразвуковое резание является технологией, которая позволила совершить значительный прорыв в области обработки металлов. Многочисленными экспериментами установлено, что наложение ультразвуковой вибрации на равномерное движение резца приводит к существенному снижению статической силы резания. Ультразвуковое резание радикально изменяет структуру и микрогеометрию обработанной поверхности, при этом качество поверхности заметно улучшается, исключается образование наростов на поверхностях резца, характерное для традиционного точения. Существенно меняется тепловой режим в области резания - температура в зоне резания заметно уменьшается. Наконец, устраняется склонность системы «Станок -Инструмент - Деталь» к возникновению автоколебаний в процессе резания. Некоторые из указанных явлений, в частности эффект снижения силы резания при наложении ультразвуковых колебаний, удается объяснить с помощью относительно простых моделей.

Однако многие наблюдаемые явления, такие как повышение износостойкости резца, образование наростов и др., требуют рассмотрения тепловых процессов в зоне резания. Именно решению задач, связанных с взаимовлиянием механических процессов деформирования материала и тепловых процессов в зоне резания (выделение и отвод тепла, изменение температуры, влияние температуры на механические характеристики обрабатываемого материала), и посвящено основное содержание диссертации. Модели процесса ультразвукового резания, учитывающие все указанные факторы, настолько сложны, что не могут быть решены аналитическими методами и требуют применения иных подходов. В работе эти задачи решаются путем компьютерного моделирования с использованием метода конечных элементов.

Настоящая диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом Лаборатории вибротехнических систем ИМАШ РАН (Тема 3-06, Раздел 3.3.3. Динамика машин, вибрационные и волновые процессы) и Гранта РФФИ (Проект 05-08-50183 «Фундаментальные основы проектирования ультразвуковых технологических машин»). Целью работы является оценка влияния тепловых эффектов на характеристики процесса ультразвукового резания с помощью

компьютерного моделирования и объяснение на этой основе известных экспериментальных данных.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов.

Рассматриваемые в работе модели построены на основании законов механики и термодинамики, теории упругости, пластичности и физически корректных предпосылок и гипотез. Основные выводы и рекомендации получены автором с использованием апробированных современных методов компьютерного анализа. Многие из полученных в диссертации теоретических результатов подтверждены известными экспериментальными данными, а также сравнением с полученными ранее аналитическими решениями для представительных частных случаев. Научная новизна работы заключается в следующем:

• 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.

• Получены упругие, диссипативные и тепловые характеристики процесса резания.

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

Практическая ценность работы заключается в следующем:

• 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;

Реализация работы. Работа является составной частью работ «Лаборатории вибротехнических систем» ИМАШ РАН, выполняемых по планам РАН (Тема 3-06, Раздел 3.3.3. Динамика машин, вибрационные и волновые процессы) и Гранта РФФИ (Проект 05-08-50183 «Фундаментальные основы проектирования ультразвуковых технологических машин»). Апробация работы.

Основные результаты и положения работы доложены на следующих конференциях:

• XIV симпозиум по динамике виброударных (сильно нелинейных) систем. Москва, 2006 г.

• XVIII и XIX международных Интернет-конференциях молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения. Москва, 2006 и 2007 г.г.

• Вторая всероссийская научная конференция «Волновая динамика машин и конструкций». 2007 г.

Публикации По теме диссертации опубликовано 7 работ. Структура и объем работы Диссертация, состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 69 наименований. Работа изложена на 106 страницах машинописного текста и содержит 45 рисунков и 6 таблиц.

Краткое содержание работы

Введение обосновывает актуальность темы, указывает основные направления исследований и содержит краткое изложение содержания диссертации.

Первая глава состоит из 2 разделов. В первом разделе собраны сведения об исследованиях, проведенных в области ультразвукового точения (резания) металла. Проблема резания жаропрочных и титановых сплавов возникла давно. Исследования в этой области проводились, начиная с середины прошлого века. До 1960-х годов в связи с бурным развитием науки и техники ультразвуковой метод был значительно усовершенствован и получил промышленное применение.

Первым применением ультразвука была размерная обработка - резание хрупких материалов. Первые эксперименты по ультразвуковому резанию металлов не дали сколько-нибудь хороших результатов. Дело в том, что размерная обработка, к тому времени уже хорошо показавшая себя при обработке хрупких материалов, совершенно не подходила для точения металла. Успеха удалось добиться только тогда, когда ультразвуковые колебания стали накладывать на процесс обычного точения металлов. Первые публикации о таких экспериментах датируются тоже 1960-ми годами XX века, такого рода публикации выходили в СССР и в Японии. В частности, в книге Маркова А.И. 1968 года приводятся данные об уменьшении силы резания при применении ультразвука в точении металлов. Аналогичные данные получены и в Японии, где было проведено вибрационное резание алюминия, латуни и среднеуглеродистой стали резцом, совершавшим колебания с частотой 18,4 кГц и небольшой амплитудой. Причем лучшие результаты были получены при возбуждении колебаний резца в направлении, совпадающем с направлением скорости резания. Сила резания уменьшалась, а качество поверхности улучшалось по сравнению с традиционной обработкой. При резании чугуна наблюдалось образование стружки, по внешнему виду напоминающей сливную. Таким образом, в 1960-х годах XX века был открыт способ ультразвукового

точения, который и позволил сделать прорыв в области обработки жаропрочных и титановых сплавов.

Впрочем, сложность создания аппаратуры для ультразвукового метода, высокое энергопотребление, необходимость в водяном охлаждении использующихся тогда магнитострикционных преобразователей - все это ставило под сомнение практическую целесообразность использования ультразвука при точении металлов. Новая аппаратура смогла появиться после появления серии работы В.К. Асташева, В.И. Бабицкого и М.Е. Герца, где было проведено полное теоретическое исследование процесса возбуждения колебаний под нагрузкой, показаны причины, по которым эффективность прежних станков была столь низкой. Главной из этих причин являлась сильная нелинейность технологического процесса, которая не только приводила к уводу резонансной частоты колебательной системы станка, но и вызывала специфические нелинейные искажения амплитудно-частотных характеристик.

В результате исследований был создан ультразвуковой станок, способный в реальном времени настраиваться под текущие условия резания. Этот станок способен при любом режиме резания выходить на резонанс, обеспечивая беспрецедентный КПД в 40-50% вместо 2% КПД выпускаемых промышленностью станков. Соответственно, потребляемая мощность станка составила примерно в 20 раз меньше, чем у прежних станков, а использованный в новом станке менее мощный пьезоэлектрический преобразователь не так сложен и дорог в производстве и не требует интенсивного водяного охлаждения.

Важным результатом указанного цикла работ было построение В.К. Асташевым динамических характеристик ультразвуковых процессов пластического деформирования и резания, учитывающих реальные упругопластические свойства обрабатываемых материалов, и объяснение на их основе известных экспериментальных данных о снижении статических сил при проведении процессов.

Однако, ряд наблюдаемых эффектов, таких как увеличение стойкости резца, радикальное изменение характера срезаемой стружки, на которой отсутствуют следы ее перегрева, остался без объяснения. Очевидно, что эти явления обусловлены изменением тепловых условий в зоне резания. Именно анализ этих процессов и является основной задачей, решаемой в данной работе. Следует отметить, что эти задачи настолько сложны, что не могут быть решены аналитическими методами и нуждаются в иных подходах. В работе они решаются методами конечно элементного моделирования. 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 пластические задачи с большими деформациями.

Вторая глава посвящена постановке задачи моделирования процесса ультразвукового резания.

а) б)

моделирования.

Схема процесса точения металла на токарном станке показана на рисунке 1.а. На этой схеме образец 1 вращается с постоянной скоростью, а резец является неподвижным и жестко закрепленным при резании без ультразвука или колеблющимся с ультразвуковой частотой в направлении вращения образца вокруг положения равновесия при резании с ультразвуком. Однако для моделирования более удобна схема, показанная на рисунке 1.6. Здесь образец является жестко закрепленным, а резец движется с постоянной скоростью, срезая верхний слой заготовки. Для случая с ультразвуком на постоянное движение резца накладываются ультразвуковые колебания в направлении его движения.

Закон движения резца записывается в следующем виде

их=-У1-айпах (1)

Здесь их - закон движения резца по направлению оси х, V = 300мм/с -скорость постоянного поступательного движения резца, I - время, а = 1 Змкм = 0.01 Змм - амплитуда накладываемых ультразвуковых колебаний, со = 40л - частота ультразвуковых колебаний 20 кГц (за единицу времени берется миллисекунда).

В вертикальном направлении резец не совершает движений, поэтому иу = 0 и нас интересует только их. В случае а = 0 резание превращается в традиционное резание без ультразвука.

При решении задачи использовались следующие параметры материала: Модуль Юнга Е=200 ГПа, коэффициент Пуассона у = 0,3, предел текучести ат = 0.3ГПа. Материал считается идеально упругопластическим, график зависимости напряжения от деформации данного материала представлен на рисунке 2.

Рис. 2. График напряжение/деформации для выбранного материала.

Модель была построена и посчитана в компьютерной программе МБС-МАЯС 2005. В программе были заданы сама модель, свойства материала образца, жесткая заделка образца с двух сторон, закон движения резца и параметры сетки разбиения.

Модель, уже разбитая на конечные элементы, представлена на рисунке 3. Задача относится к классу контактных задач; в данном случае резец

взаимодействует с образцом. На рисунке 3 тело 1 - это образец, тело 2 - это резец.

В процессе резания сетка периодически перестраивается, чтобы избежать чрезмерной деформации отдельных конечных элементов сетки. 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. Первый этап работы заключался в том, чтобы решить задачу без учета влияния тепловых процессов, получив качественное соответствие экспериментам и имеющейся аналитической модели. На данном этапе в модели учитывались пластические деформации и трение.

Рис. 4. Карта напряжений Мизеса в детали во время резания. Напряжения заданы в 103 Па.

На рисунке 4 можно видеть результат в виде карты напряжений детали. На рисунке можно видеть характерную стружку, образующуюся в процессе резания. Самые большие напряжения (порядка 300 МПа) концентрируются в 0,1-миллиметровом срезаемом слое перед передней кромкой режущего инструмента. Меньшие напряжения распространяются в детали во всех направлениях от зоны резания, постепенно убывая.

Автором было выполнено моделирование как с учетом ультразвука, так и без его учета. В результате был смоделирован эффект уменьшения силы резания при ультразвуковом резании, наблюдаемый в экспериментах. Очень наглядно этот эффект был показан на графике силы резания для различных режимов резания.

Сила, Н

50

40 - 2

30 - / Р

20 - 3 1

1U -П - ИП1Ш1111И IIIIIIIIIIHIIIIIIIIIIIIIIIIIII \ 111МП111111Ш11ШШ11111Ш1М111П1ППП1Г1 ! 1 ШШ111111111111111Ш1111ИШ1111111ШШ11 iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiinoti

и 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250

Время, мс

Рис. 5. График силы резания в течение задачи.

Кривая 1 - сила резания с ультразвуком;

Кривая 2 - сила резания без ультразвука;

Прямая 3 - средняя сила резания с ультразвуком.

На рисунке 5 представлены графики силы резания для задачи с ультразвуком, без ультразвука и средняя сила резания для задачи с ультразвуком. Как видно, сила резания для задачи с ультразвуком представляет собой последовательность импульсов, между которым сила резания равна нулю. Вершины этих пиков примерно совпадают с силой резания при традиционном резании без ультразвука, что объясняется свойствами материала. Следовательно, усредненная сила резания для процесса с ультразвуком получилась меньше.

Следует заметить, что при измерении силы резания в экспериментах, мы получаем величину, которая соответствует постоянной составляющей силы резания (прямая 3 на рис. 5), никаких импульсов, естественно, мы измерить не можем ввиду очень большой частоты. Поэтому для ясности в дальнейшем будем называть именно постоянную составляющую силой резания, а силу резания, полученную в расчетах и представляющую собой последовательность импульсов, будем называть импульсной силой резания (кривая 1 на рис. 5). Очевидно также, что полученная при моделировании процесса без ультразвука расчетная сила резания будет в целом соответствовать силе резания, которую мы можем наблюдать в экспериментах, поэтому для процесса без ультразвука никакой дополнительной терминологии не требуется.

В задачу также была включена сила трения. Было проведено исследование влияния силы трения на процесс резания. Выяснено, что доля силы трения в общей силе резания составляет 10-15%, остальная доля силы резания приходится на пластические деформации.

Рис.6. Направление силы трения передней поверхности режущего инструмента о стружку.

На рис. 6 представлена схема возникновения силы трения передней кромки инструмента о стружку. Видно, что сила трения направлена против движения стружки. Вследствие особенностей силы трения можно наблюдать очень интересный эффект, если сравнивать задачу с трением и задачу без трения -меняется радиус закручивания стружки.

сравнению с задачей без трения (6).

Если сравнить рисунки 7-а и 7-6, то можно видеть, что на первом рисунке стружка закручивается меньше, чем на правом. На левом рисунке показан результат моделирования с учетом трения, а на правом трение не учитывается, что и приводит к такому эффекту.

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. На рисунке 8 приведена зона образования теплоты в результате пластической деформации.

в зоне стружкообразования.

На рисунке 9-а изображена карта температур в детали и в режущем инструменте, полученная в результате моделирования с учетом влияния тепловых процессов. На рисунке видно, что самая высокая температура достигается в зоне стружкообразования. Выделяющаяся там теплота распространяется по всему объему детали, а также отводится в стружку и в режущий инструмент.

Рис. 9.а. Температура образца и режущего Рис. 9.6. График зависимости предела

инструмента при ультразвуковом процессе текучести стали от температуры,

резания стали.

На рисунке 9-6 представлен график зависимости предела текучести стали от температуры, который с ростом температуры убывает. 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.

Далее приводится ряд интересных результатов, объясняющих особенности влияния тепловыделения на процесс резания.

Рис. 10. Сравнение импульсной силы резания с учетом влияния тепловых процессов ("*") и без учета их влияния ("В").

Первый результат - это сравнение импульсной силы резания для случая с учетом влияния тепловых процессов и случая без учета влияния тепловых процессов. На рисунке 10 видно, что сила резания больше в том случае, если влияние тепловых процессов не учитывается, то есть происходит размягчение материала.

На рисунке 11 представлены 4 графика температуры в зоне резания для случаев с ультразвуком и без и с учетом трения и без. Можно видеть, что температура выше для случаев с трением, а кроме того она ниже для случая с ультразвуком. Это очень интересный результат, также согласовывающийся с экспериментами. Этот эффект можно объяснить тем, что в соответствии с физическими свойствами металлов при ультразвуке во время импульсов выделяется не намного больше тепла, чем при обычном резании, однако между ультразвуковыми импульсами материал не подвергается нагреву, а даже успевает немного остыть, что и приводит к более низким температурам. Следует обратить внимание и на тот факт, что при ультразвуковом резании резец не соприкасается постоянно с горячей деталью, из-за чего нагрев резца уменьшается еще значительнее.

Рис. 11. Сравнение температуры области детали, непосредственно соприкасающейся с резцом для различных задач.

1-е трением и ультразвуком; 3 - без трения и с ультразвуком;

2- с трением и без ультразвука; 4 - без трения и без ультразвука.

Следующий результат - это сравнение силы резания и температуры для различных материалов, один из которых - жаропрочный сплав инконель, аналогами которого в Российской классификации являются стали марок ХН80ТБЮ и ХН73МБТЮ. Сила резания для различных материалов расположилась в той же последовательности, что и предел текучести соответствующих материалов (рис. 12-а), зато температура меди получилась выше за счет более низкой теплоемкости (рис. 12-6).

Еще один результат, который был получен с помощью указанной модели -решение с ненулевой начальной температурой. Дело в том, что в указанной выше модели были рассчитаны только первые 5-6 миллисекунд, дальнейшее

моделирование по многим причинам представлялось очень затратным с точки зрения времени расчета, использования оперативной памяти и хранения в постоянной памяти компьютера.

т,с

-К'

Nf-f"'

■ t-ы

/Ч i У

' '' 4 __________/ •

Рис. 12.а. Сила резания при резании Рис. 12.6. Температура детали в зоне резания

различных материалов: для различных материалов:

1 - инконель; 1 - инконель;

2 - сталь; 2 - сталь;

3 - медь; 3 - медь;

4-алюминий. 4-алюминий.

Поэтому был использован следующий прием - начальная температура модели была выбрана ненулевой и заметно превышающей установившееся значение. Целью было найти ту температуру, при которой термодинамическая система входит в равновесие, при которой средняя температура в зоне резания не меняется.

На рисунке 13 видно, что при разной начальной температуре в течение некоторого времени температура устанавливается средняя температура около 150 градусов. Отметим, что при традиционном резании при тех же начальных условиях устанавливается температура порядка 200-250 градусов. Наконец, было проведено исследование влияния на процесс резания изменения постоянной поступательной скорости резания при постоянной частоте и амплитуде ультразвуковых колебаний. На рисунке 14-а представлены вложенные друг в друга графики силы резания в рамках одного ультразвукового импульса для различных скоростей резания - чем больше скорость, тем дольше длится импульс. Сводный график силы резания в зависимости от соотношения линейной к вибрационной скорости v/aa приведен на рисунке 14-6. Рисунок 14-в показывает графики температуры для различных скоростей резания. Стоит обратить внимание, что при стремлении соотношения v/aa к единице тепловой процесс в среднем протекает так же, как при традиционном резании.

Рис. 13. Изменение температуры в процессе с ненулевой начальной температурой: 1 - 400 градусов; 2 - 300 градусов; 3 - 200 градусов.

Рис. 14.а. Диаграмма импульсной силы резания Рис. 14.6. Зависимость силы резания от при различных скоростях резания: соотношения у/аа.

— - у/ай) =0,05 -*- - у/аа =0,1 -— - у/ай) =0,25 -Н- у/асо = 0,5 -+- . V/аа =0,8 У!аа) = 1

Рис. 14.в. Температура в зоне резания при различных скоростях резания. 1 - viаСй = 0,05 5 - v/ad) = 0,8

2-v/aco =0,1 6- v/aüJ = 1

3- v/aw =0,25 4 - v/ай) = 0,5

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Составлена конечно-элементная модель процесса ультразвукового резания с учетом термомеханических процессов;

2. Дано объяснение наблюдаемому в экспериментах снижению сил резания при наложении высокочастотной вибрации;

3. Дана оценка влияния на процесс резания сил трения и тепловых явлений;

4. Показано, что нагрев в зоне резания при наложении ультразвуковых колебаний существенно меньше, чем при традиционном резании. Этим можно объяснить повышение стойкости режущего инструмента при наложении вибрации, отсутствие наростов материала на гранях резца, отсутствие перегрева стружки и другие тепловые эффекты.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Асташев В.К., Разинкин A.B. Моделирование термомеханических процессов при ультразвуковом резании методом конечных элементов // Проблемы машиностроения и надежности машин. № 3, 2008. стр. 68-74

2. Разинкин A.B. Моделирование процесса ультразвукового резания с помощью ЭВМ // Электронный журнал "Исследовано в России", 11, 869-879, 2008. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2008/081 .pdf

3. B.K. Асташев, A.B. Разинкин. Конечно-элементное моделирование процесса вибрационного резания. // Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем. XV Симпозиум. Сборник трудов. Москва-Звенигород, 2006. Стр. 19-22.

4. A.B. Разинкин. Компьютерное моделирование процесса ультразвукового резания. // XVIII Международная Интернет-ориентированная конференция молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС-2006). Материалы конференции. Москва 2006. Стр. 230.

5. A.B. Разинкин. Моделирование процесса ультразвукового резания методом конечных элементов. // XIX Международная Интернет-ориентированная конференция молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС-2007). Материалы конференции. Москва 2007. Стр. 227.

6. A.B. Разинкин. Моделирование процесса ультразвукового резания методом конечных элементов. // XIX Международная Интернет-ориентированная конференция молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС-2007). Избранные труды конференции Микмус-2007. Москва 2008. Стр. 90-97

7. A.B. Разинкин. Конечно-элементное моделирование процесса ультразвукового резания с учетом термомеханических характеристик материалов. // Вторая Всероссийская научная конференция «Волновая динамика машин и конструкций». Тезисы докладов. Нижний Новгород. 2007. Стр. 79.

Заказ №44/) 1/08 Подписано в печать Об.) 1.2008 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1

; \ ООО "Цифровичок", тел. (495) 797-75-76; (495) 778-22-20 'www.cfr.ru; е-тай:info@cfr.ru

Введение.

Глава 1. Обзор.

1.1. Обзор науки об ультразвуковом резании, развитие.

1.2. Обзор метода конечных элементов.

Глава 2. Постановка задачи, создание компьютерной модели.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Создание компьютерной модели.

Глава 3. Результаты расчета без учета влияния тепловых процессов.

3.1. Общие результаты.

3.2. Аналитическое решение для простого примера.

3.3. Влияние силы трения на результаты расчета.

Глава 4. Результаты расчета с учетом влияния тепловых процессов.

4.1. Источники теплообразования.

4.2. Моделирование процесса теплообразования при резании стали

4.3. Тепловой баланс при резании, анализ причин понижения температуры при ультразвуковом резании.

4.4. Решение простого аналитического примера.

4.5. Сравнение результата для различных материалов.

4.6. Сравнение результатов при различных скоростях резания.

4.7. Установление теплового равновесия, влияние температуры на характеристики резания.

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 со; V - Qr- скорость резания; г - радиус заготовки; Р- 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<aa> (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.

1. Абрамов О.В., Хорбенко И.Г., Швегла Ш. Ультразвуковая обработка материалов. М., 1984.

2. Армарего И.Д., Браун Р.Ч. Обработка металлов резанием. М.: Машиностроение, 1977. 325 с.

3. Асташев В.К. Влияние ультразвуковых колебаний резца на процесс резания Проблемы машиностроения и надежности машин, 1992, №3, с.81-89.

4. Асташев В.К. Настройка ультразвуковых станков под нагрузкой — Станки и инструмент, 1972, №10, с.32 34.

5. Асташев В.К. О влиянии ультразвука на процессы пластического деформирования — Машиноведение, 1983, № 2, с. 3 12.

6. Асташев В.К., Бабицкий В.И. Методы повышения эффективности ультразвуковых станков. Станки и инструмент, 1982, №3, с.25 27.

7. Асташев В.К., Бабицкий В.И., Герц М.Е. Адаптивная системаIуправления ультразвуковым станком — Приборы и системы управления, 1977, №2, с. 11-12.

8. Асташев В.К., Герц М.Е. Возбуждение и стабилизация резонансных колебаний ультразвуковых стержневых систем. — Акустический журнал, 1976, т. XXII, вып. 2, с. 192 200.

9. Баласанян Б.С. Пути повышения эффективности процесса ультразвукового резания. Учебное пособие / Гос. Инж. Ун-т Армении: Ереван.-2004.- 118с.

10. Блехман И.И. Вибрационная механика. М.: Наука, 1994, 400 с.

11. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М., 1975.

12. Болгарский А.В., Мухачев Г.А., Щуки В.К. Термодинамика и теплопередача. Издание второе, переработанное и дополненное. Москва. Высшая школа. 1975. 487 с.13.14,15.