Раздел 2
Теплофизические и термомеханические процессы
при механической обработке и теоретическая стойкость
режущего инструмента с одно- и многослойным покрытием
Для изучения влияния теплофизики и термомеханики на стойкость режущего
инструмента с одно- и многослойным покрытием рассмотрены следующие вопросы:
модель теплового и напряженного состояний режущего инструмента с одно- и
многослойным покрытием, что позволяет найти скорость его износа и его
теоретическую стойкость, распределение температур и температурных напряжений.
2.1. Источники и стоки тепла в зоне режущего
инструмента и обрабатываемого материала
Характер распределения полей температур и напряжений в зоне обработки
определяет стойкость инструмента и возможные режимы резания при обработке
точением, плазменно-механической и лазерно-механической обработке. Все это
требует точного знания полей температур и напряжений в материале инструмента и
детали.
Рассмотрим схему теплообмена (рис. 2.1) в области теплового взаимодействия
детали с режущим инструментом.
Рис. 2.1. Схема теплообмена в области теплового взаимодействия
детали с режущим инструментом
Поверхности обозначим следующим образом:
1 – поверхность стружки, взаимодействующая с передней поверхностью инструмента;
2 – поверхность стружки, не взаимодействующая с поверхностью инструмента, или
свободная поверхность;
3 – передняя поверхность режущего инструмента с покрытием;
4 – задняя поверхность режущего инструмента;
5 – обработанная поверхность детали.
На поверхности 1 действуют следующие источники и стоки тепла:
qдеф = qдефy + qдефn – плотность теплового потока, затрачиваемого на упругое
qдефy и пластическое qдефn деформирование;
qтпп и qтзп – плотность теплового потока, создаваемого за счет трения на
передней и задней поверхностях режущего инструмента.
2.2. Теоретическая задача о тепловом и напряженном
состояниях РИ с покрытием и упрочненным слоем
Рассмотрим баланс тепла в элементарном объеме тела детали или стружки:
, (2.1)
где T(x, y, z, ф) – температура материала в исследуемой точке пространства и в
определенное время; C[T], г[T] – теплоемкость и плотность обрабатываемого
материала; л – коэффициент теплопроводности обрабатываемого материала; WTУ[x,
y, z, t], WТП(x, y, z, t) – термоупругий (упругий) и термопластический
(пластический) потенциалы единицы объема детали; коэффициенты A и B равны
единице, если фактор действует, и равны нулю, если фактор не действует.
Энергия упругого деформирования определяется через упругий потенциал единицы
объема, который удобнее записать для декартовой системы координат (в расчетах
используется система перехода от выбранной в теплофизической задаче системы
координата к декартовой):
, (2.2)
где G[T] – модуль упругости материала детали; еxx, еyy, еzz – удлинение; еxy,
еyz, еzx – сдвиги относительно соответствующих осей, которые определялись из
выражения
(i, k = x, y, z). (2.3)
Здесь ф – термоупругий потенциал перемещений, определяемый решением уравнений
(2.1), (2.2):
. (2.4)
Величины деформаций связаны условиями совместности, с помощью которых
правильность определения удлинений и сдвигов, их корректировка проверяются
вводом дополнительных напряжений. Тогда условия совместности запишем в виде
равенств
; (2.5)
Из выражения термоупругого потенциала перемещений определяются напряжения с
помощью соотношений
, (2.6)
где величина напряжений уik подчиняется следующему условию:
уik = 0 при i?k;
уik =1 при i=k (i, k = x, y, z).
При превышении эквивалентными напряжениями предела текучести начинает
проявляться термовязкопластичность. Если принять, что закон Гука для
термовязкопластичности имеет вид ломаной прямой, то изменяются модули упругости
первого и второго рода Е и G. Поэтому при расчете величины термопластического
потенциала, напряжений, удлинений и других величин в зоне
термовязкопластического деформирования применяли выражения (2.2) – (2.6) с
использованием правой ветви закона Гука для термовязкопластичности.
Граничные условия:
1) в зоне контакта стружки с передней поверхностью режущего инструмента –
поверхность 1:
(2.7)
где у – постоянная Стефана – Больцмана; еc, еn – степень черноты материала
инструмента и обрабатываемого материала; qkoh – плотность теплового потока,
отводимого конвекцией; qncn – плотность теплового потока, отводимого с
испаренным материалом при лазерно-механической обработке; уnn = 0, уnф = 0, уnz
= 0 при выходе из зоны контакта; коэффициенты C1, D1, E1, F1, G1 равны единице,
если фактор действует, и равны нулю, если фактор не действует; qTnn =
(FTnnVF)/(lKCб), где lKC – длина зоны контакта резца со стружкой по передней
поверхности; б – температурный коэффициент расширения; FTnnVF = fуфttSоmc, где
f – коэффициент трения системы “материал – деталь – инструмент”; уфt – предел
текучести материала детали; t, S – глубина и подача при резании; о –
коэффициент усадки стружки; mc – показатель политропы сжатия;
2) в зоне свободной поверхности стружки – поверхность 2:
; (2.8)
где qпмо(лмо) – тепло, подводимое при плазменно-механической
(лазерно-механической) обработке к детали; лc[T], лn[T] – коэффициент
теплопроводности материала стружки и инструмента; уnn = 0, уnф = 0, уnz = 0 при
выходе из зоны контакта.
Баланс тепла в элементарном объеме покрытия на инструменте представим в виде
уравнения
(2.9)
В нем учтены теплопроводность, термоупругое деформирование, теплообмен из-за
с
- Київ+380960830922