Создание методов математического моделирования и управления процессами трибоокислительного и диффузионного износа инструмента при механической обработке металлов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Дементьева, Наталья Геннадьевна

• Дементьева, Наталья Геннадьевна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дементьева, Наталья Геннадьевна

Введение.

Глава 1. Анализ процессов износа инструмента при резании металлов. Цели и задачи исследований.

1.1. Основные особенности контактных упругопластических деформаций при резании металлов.

1.2. Неустойчивость, термодинамические свойства и принципы неоднородности пластической деформации при резании металлов.

Глава 2. Уравнения определяющие динамику гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента в связанной постановке.

2.1. Вывод определяющих уравнений.

2.2. Вывод кинетического уравнения гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента.

2.3. Осредненные дифференциальные уравнения гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента.

2.4. Критерий неустойчивости гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента для квазистационарных процессов.

Глава 3. Критерии неустойчивости гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента.

3.1. Линеаризация системы дифференциальных уравнений определяющих динамику гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента.

3.2. Определение критериев неустойчивости гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента.

Глава 4. Оценка интенсивности трибоокислительного и диффузионного износов на контактных поверхностях инструмента при механической обработке металлов.

4.1 Оценка интенсивности гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента.

4.2 Оценка интенсивности диффузионных потоков компонент инструментального материала на контактных поверхностях инструмента.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание методов математического моделирования и управления процессами трибоокислительного и диффузионного износа инструмента при механической обработке металлов»

В настоящее время доминирующими технологическими процессами размерной обработки металлов в современном машиностроении являются методы лезвийной механической обработки. Более того, как показывают экспертные оценки, эта тенденция сохранится в будущем.

Во всех отраслях промышленности связанных с механической обработкой металлов, повышение производительности и снижение себестоимости в значительной мере определяется повышением эффективности самого процесса механической обработки, т.е. процесса резания металлов.

Стойкость режущего инструмента является одним из основных факторов, определяющих экономические показатели механической обработки. В связи с этим повышение работоспособности инструмента является актуальной задачей современного машиностроения.

Сейчас можно утверждать, что износ инструмента в значительной степени определяется трибоокислительными и диффузионными механизмами, причем на сегодняшний день диффузионные механизмы износа в теории механической обработки изучены детально. Многие результаты, полученные при этом, являются классическими, и не нуждаются в дальнейшей детализации, как в теоретическом так и в экспериментальном аспектах. Наиболее выдающиеся результаты в этом направлении получили Т.Н. Лоладзе [48,49], Н.В.Талантов [63], А.А. Козлов [30].

Однако совершенно недостаточно изучена роль трибокислительных процессов в износе инструмента. Вышеуказанное обстоятельство связано с тем, что трибо-окислительные процессы являются принципиально экзотермическими.

Это означает, что данные реакции происходят с выделением тепла в контактной зоне и при определенных технологических условиях могут создаваться предпосылки для развития этих реакций в неустойчивом режиме по механизму «теплового взрыва» в смысле академика Н.Н. Семенова [59].

Последнее означает, что в ходе гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента выделяется тепло, которое при определенных технологических режимах может не успевать отводиться за счет теплопроводности, что создает условия для накопления тепла и повышения температуры в ограниченном объеме.

Процесс развития реакции, в этом случае, будет принципиально адиабатическим, а так как скорость гетерогенных реакций окисления контролируется соотношением Аррениуса [38,73], процесс станет принципиально неустойчивым.

Иначе говоря, решение системы дифференциальных уравнений, определяющих динамику развития неустойчивой реакции окисления, и выписанной в связанной постановке, т.е. с учетом экзотермичности процесса, принципиально не допускает стационарных решений в отличие от устойчивого развития гетерогенных процессов окисления. Таким образом, можно вполне осознано (используя конкретные оценки и расчеты) добиться создания системных методов управления процессами износа инструмента. Именно этой цели посвящена представленная диссертационная работа.

В данной работе определение критериев неустойчивости развития гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента рассматриваются с точки зрения теории устойчивости Ляпунова [7,81].

Последнее означает, что анализируется возможность роста (затухания) случайных возмущений с определенной частотой. Основанием для такого подхода к решению задачи являются следующие физические обстоятельства.

Пусть на контактной поверхности инструмента, где реализуются гетерогенные реакции окисления, случайно повышается температура за счет экзотермичности процесса. Это приведет к увеличению скорости реакции и, следовательно, опять к повышению температуры, т.е. процесс, может стать принципиально неустойчивым. Естественно существует и процесс, который стремится «подавить возмущение». В самом деле, увеличение температуры приведет к увеличению градиента температур и, как следствие, к увеличению теплоотвода на контактной поверхности за счет теплопроводности.

Окончательный ответ на вопрос, будет ли гетерогенный процесс окисления на контактных поверхностях инструмента устойчивым или неустойчивым, зависит от совместного влияния всех перечисленных факторов, т.е. в целом зависит от тепло-физических и физико-механических характеристик инструментального и обрабатываемого материалов и окружающей среды, а так же от механизмов контактного деформирования при механической обработке.

Совместное действие перечисленных выше механизмов должно приводить к тому, что возмущения с некоторой длиной волны будут возрастать, а с другой длиной затухать. Это приводит к так называемому спектру неустойчивых возмущений, выявить которые можно обычными методами, применяемые в теории устойчивости Ляпунова [7,81], поставив вопрос об определении собственных значений задачи гетерогенного окисления на контактных поверхностях инструмента.

Исходя из этого можно утверждать, что если на контактных поверхностях инструмента, в зависимости от технологических режимов, гетерогенная реакция окисления неустойчива, то трибоокислительный механизм износа будет доминирующим по сравнению с диффузионным. При этом скорость гетерогенной реакции будет практически неограниченна по сравнению с диффузионными процессами. В случае протекания гетерогенной реакции в устойчивом режиме ее скорость ограничена и судить о доминирующей роли трибоокислительных или диффузионных процессов в износе инструмента можно только, оценив интенсивность соответствующих потоков.

Естественно, что оценку соответствующих потоков для быстрорежущего инструмента необходимо проводить в диапазоне температур, не превышающих температуру рекристаллизации, соответствующей быстрорежущей стали. При более высоких температурах согласно фундаментальным исследованиям J1.C. Кремнева, В.А. Синопальникова [60] износ и разрушение быстрорежущего инструмента происходит в результате развития процессов микроползучести и динамической рекристаллизации режущего клина.

Для этого необходимо определить критерии неустойчивости развития гетерогенной реакции окисления на контактных поверхностях инструмента. Последнее, особенно актуально при механической обработке жаропрочных сплавов.

В связи с выше изложенным, определение критериев неустойчивости гетерогенных окислительных реакций на контактных поверхностях инструмента для направленного управления процессами износа, с целью установления кардинальных технологических решений по интенсификации процессов механической обработки является важной научно — технической проблемой.

Актуальность работы подтверждена ее выполнением в рамках Государственного контракта с Федеральным космическим агентством от 18.04.2003 №753-Т366/03, а также в рамках программы Министерства образования и науки РФ «Производственные технологии».

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Для удобства изложения постановка задачи исследований и литературный обзор дается в каждой главе.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Дементьева, Наталья Геннадьевна

Выводы

1. Определены интенсивности диффузионных и гетерогенных окислительных потоков на контактных поверхностях быстрорежущего и твердосплавного инструментов.

2. Доказано, что при скоростях резания V > Vn интенсивность диффузионных потоков существенно превышает интенсивность трибоокислительных процессов, а это позволяет утверждать о доминирующей роли диффузионного износа контактных поверхностей быстрорежущего и твердосплавного инструментального материала в вышеуказанном диапазоне режимов резания.

3. При скоростях резания V < Vn интенсивность диффузионного износа существенно ниже интенсивности этих процессов при Vp >V„, что позволяет говорить о доминирующей роли трибоокислительных процессов в этом диапазоне скоростей.

4. Развитые в настоящей работе представления, позволили предложить научно обоснованные технологические методы управления процессами износа инструмента с целью интенсификации процессов механической обработки.

аключение з результатам исследований можно сделать следующие выводы:

1. Анализ экспериментальных и теоретических данных позволяет утверждать, что доминирующую роль в износе контактных поверхностей инструмента при механической обработке металлов определяют диффузионные и трибоокислительные процессы.

2. Получена система дифференциальных уравнений, определяющих динамику гетерогенных окислительных реакций на контактных поверхностях инструмента. Данная система дифференциальных уравнений выписана в так называемой связанной постановке, т.е. с учетом экзотермичности окислительных процессов.

3. На примере квазистационарного решения системы дифференциальных уравнений определяющих динамику гетерогенных процессов окисления на контактных поверхностях инструмента, выписанной в связанной постановке, т.е. с учетом экзотермичности, методами теории устойчивости получены критерии неустойчивости развития окислительных процессов. ;

4. Получены критерии развития неустойчивости гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях инструмента на базе полной системы дифференциальных уравнений, выписанной в связанной постановке и определяющих динамику развития окислительного процессов.

5. Доказано существование предельного перехода критериев неустойчивости полной системы дифференциальных уравнений, определяющих динамику развития гетерогенных окислительных процессов к критериям неустойчивости квазистационарного процесса.

6. Проведено численное моделирование нелинейных дифференциальных уравнений определяющих развитие процессов гетерогенного окисления на контактных поверхностях инструмента.

7. Доказано, что при реальных технологических режимах механической обработки гетерогенные реакции окисления на контактных поверхностях быстрорежущего и твердосплавного инструмента протекают в устойчивом режиме.

8. Определены интенсивности диффузионных и гетерогенных окислительных потоков на контактных поверхностях быстрорежущего и твердосплавного инструментов.

9. Доказано, что при скоростях резания Vp > Vn интенсивность диффузионных потоков существенно превышает интенсивность трибоокислительных процессов, а это позволяет утверждать о доминирующей роли диффузионного износа контактных поверхностей быстрорежущего и твердосплавного инструментального материала в вышеуказанном диапазоне режимов резания.

10. При скоростях резания V < Vn интенсивность диффузионного износа существенно ниже интенсивности этих процессов при Vp > Vn, что позволяет говорить о доминирующей роли трибоокислительных процессов в этом диапазоне скоростей.

11. Развитые в настоящей работе представления, позволили предложить научно обоснованные технологические методы управления процессами износа инструмента с целью интенсификации процессов механической обработки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дементьева, Наталья Геннадьевна, 2005 год

1. Davies М.Н., Simnad М.Т., Birchenall С.Е. Trans. AIME, 1951, v. 191, p. 889, 1953, v. 197, p. 1250.

2. Paidassi J., Acta Metallurgy 1955, v. 3, p. 447; 1956, v. 4, p.227;

3. Paidassi JActa Metallurgy 6, 184 (1958).

4. Paidassi J., BenardJ. Bull. Soc. Chim. Fr., 1958, p. 1364.

5. Paidassi J., Fuller D. Bol. Soc. Quim. (Chili), 1955, v. 7, p. 26.

6. Phalnikar C. A., Evans E.B., Baldwin W.M., J. electrochem. Soc., 103, 429 (1956).

7. Альшиц В.И., Инденбом B.JI. Динамика дислокаций.//"Проблемы современной кристаллографии,— М.:Наука,1976. — С. 218-238.

8. Альшиц В.И., Инденбом B.JI. Динамическое торможение дислокаций.// Усп.физ.наук, т. 115, № 1,1975.—С.3-39.

9. Атрощеико Э.С., Волчков В.М., Нагорное Г.М. Пашков П.О. Остаточная деформация и упрочнение при обработке металлов взрывом//Физ. мет. и металловедение, т.24, № 2, 1967.—С.376-378.

10. Беккер М.С. Исследование роли диффузионных процессов в разрушении твердосплавного режущего инструмента // Состояние и перспективы развития электротехнологии: Тез. докл. Всесоюз. конф. Иваново, 1985. С.140 — 141.

11. Беккер М.С. Механизм образования лунки износа на твердосплавном режущем инструменте // Трение и износ. -1989. Т.10. №2. С.308 - 312.

12. Беккер М.С. Повышение работоспособности режущего инструмента на основеанализа механизма диффузионно — усталостного разрушения инструментального материала: Докторская, диссертация/, Тбилиси, 1989. 323 с.

13. Беккер М.С. Роль углерода и кислорода в износе режущего инструмента // Физические процессы при резании металлов: Сб. тр. Волгоград, 1984. С.89 -95.

14. А. Беккер М.С., Куликов М.Ю. Механизм образования лунки износа // Физические процессы при резании металлов: Сб. тр. Волгоград, 1987. С.87 - 89.

15. Беспахотный П. Д. Некоторые вопросы механики резания труднообрабатываемых материалов// Изв. ВУЗов, "Машиностроение", № 2, 1967.

16. Бобров В.Ф. О распределении удельных нормальных сил и сил трения на передней поверхности инструмента/ Обработка металлов резанием и давлением—М.: Машиностроение, 1965.

17. Бокофен В. Процессы деформации/пер. с англ. — М.: Металлургия, 1977. — 287 с.

18. Васильев Д. Т. Силы на режущих поверхностях инструмента// "Станки и инструмент", № 12,1968.

19. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993. 336 с.

20. Волчков В.М., Гелунова З.М., Пашков П.О. О механизме пластический деформации при высокоскростном ударном нагружении.// Физ. и хим. обраб. матс- " риалов, № 4, 1967 — С. 101.

21. Волчков В.М., Пашков П. О. Реализация теоретической прочности в металлах при прохождении плоских ударных волн.// Физ. и хим. обраб. материалов, № 1, 1968.—С.135.

22. Гаврилин КВ., Ершов Г.С. О механизме самодиффузии в жидких металлах. //Изв АН СССР, Металлы, № 5,1976.

23. Диффузия в металлах и сплавах. Структура и свойства металлов и сплавов, /ред. JI.H. Ларикова/, Киев "Наукова Думка", 1987, 510 с.

24. Жуков A.M. Анализ факторов, влияющих на площадь соприкосновения стружки с передней гранью инструмента и на среднее удельное нормальное давление.// Вестник машиностроения, № 9,1953.

25. Зорев Н.Н., Фетисова З.М. Обработка резанием тугоплавких сплавов. —М.: Машиностроение, 1966.— С. 224.

26. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов. — М.: Маш-гиз, 1956,-367 с.

27. Зорев Н.Н. О взаимозависимости процессов контакта передней поверхности инструмента.//Вестник машиностроения, № 12, 1963. — С. 42-50.

28. Исаев А.И. Процесс образования поверхностного слоя при обработке металлов резанием. —М.:Машгиз, 1960. — 358 с.

29. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. Изд-во «Наука», М.,1976, 576 с.

30. Козлов А.А., Дементьева Н.Г. Проблема устойчивости механической обработки жаропрочных сплавов. //Научно практическая конференция ученых и специалистов.// - Королев, 2003, С. 106 - 108.

31. Козлов А.А., Дементьева Н.Г., Об устойчивости гетерогенных реакций окисления на контактных поверхностях быстрорежущего инструмента при механической обработке металлов. Вестник машиностроения № 4. М., 2005. -С.57-61.

32. Комник С.Н. Бенгус В.З. О природе релаксации напряжений в деформированных кристаллах//ДАН СССР, т. 166, № 4,1966,—с. 829-832.

33. Краткий справочник физико-химических величин. Под ред. К.П. Мищенко, А.А. Равдель. Ленинград, «Химия», 1974.

34. Кубашевский О., Гопкинс Б. Окисление металлов и сплавов. М., «Металлургия», 1965, с. 428.

35. Кубашевский О., Олкокк С.Б. Металлургическая термохимия. М.: Металлургия, 1982, 391 с.

36. Кузнецов В.Д. Физика твердого тела.—Томск: Из-во "Красное знамя", 1944.

37. Куликов М.Ю. О реализации механизма диффузионной ползучести в процессе работы режущего инструмента // Состояние и перспективы развития электротехнологии: Тез.докл. Международная научно техническая конференция. -Иваново, 1992.-С.151.

38. Куликов М.Ю. Разработка способов повышения работоспособности режущего инструмента на основе анализа механизмов его микро и субмикроразруше-ния: Доктр. диссертация, - М., 1998. 261 с.

39. Куликов М.Ю., Беккер М.С., Егорычева Е.В. Физическая модель изнашивания инструмента из быстрорежущей стали И Вестник машиностроения. 1997. №8. С.41-44.

40. Кушнер B.C. Термомеханическая теория процесса непрерывного резания пластических материалов— Из-во Иркутсуого университета, 1982. —179 с.

41. Лоладзе Т.Н. Износ режущего инструмента.—М.: Машгиз, 1958 .—355 с.

42. Лоладзе Т.Н. Прочность и изностойкость режущего инструмента.—М.: Машиностроение,! 982.— 319 с.

43. Лоладзе Т.Н., Миканадзе А.И., Козлов А.А. Экспериментальные исследования процесса стружкообразования при вибрационном резании // Труды Международного семинара «Высокие технологии в машиностроении». Алушта, Украина, 1994.

44. Миркин Л.И. Физические основы прочности и пластичности—М.:Из-во МГУ, 1968.—539 с.

45. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел.—М.:ИЛ, 1954, 864 с.

46. Окисление металлов. Т. 2. Под ред. Бенара Ж. Перев. с франц. — Изд. «Металлургия», 1969, — 444 с.

47. Полухин Л.И., Гун Г.Л., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов.—М.:Металлургия, 1976.— 487 с.

48. Рехт Р.Ф. Разрушающий термопластический сдвиг //Труды американского общества инженеров-механиков,"Прикладная механика"/ пер. с англ, т. 31, сер. Е, № 2.—М.: Мир, 1964.— С. 3^39.

49. Справочник по специальным функциям. Под ред. М. Абрамовица и И.Стиган. М.: «Наука», 1979. - 830 с.

50. Свойства элементов. Справочник под ред. М.Е. Дрица. Москва «Металлургия», 1985, с.462.

51. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М., ИЛ., 1951,193 с.

52. Семенов Н.Н., Цепные реакции. 2 изд., — М.: Наука, 1986, с. 535.

53. Синопалышков В.А. Надежность режущего инструмента: Учеб. пособие. —М: Мосстанкин, 1990, 92 с.

54. Стопин A.M., Худяев С.И. Неизотермическая неустойчивость течения вязко-упругих сред// ДАН СССР, т. 207, №1, 1972.

55. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. Кикоина И.К., М., Атомиздат, 1976, 1006 с.

56. Талантов Н.В. Исследование контактных процессов, тепловых явлений и износ инструмента//Докт. диссерт.—Казань, 1970.— 455 с.

57. Талантов Н.В., Быков Ю.М. Исследование влияния тугоплавких покрытий на износостойкость твердосплавного инструмента // Теплофизика технологических процессов. Волгоград: 1980. с.59.

58. Талантов Н.В., Дудкин М.Е. Исследование диффузионных процессов при обработке сталей твердосплавными инструментами // Технология и автоматизация производственных процессов. Волгоград: 1978., с.79 - 81.

59. Талантов Н.В., Дудкин М.Е., Быков Ю.М. О механизме диффузионного износа твердосплавного инструмента // Физические процессы при резании металлов: Сб. тр. Волгоград, 1980, с.23 - 29.

60. Талантов Н.В. Физические основы процесса резания изнашивания и разрушения инструмента. М.: Машиностроение, 1992. — 240 с.

61. Талантов Н.В., Тананин А.И. Исследование кинематики и процесса пластического деформирования контактных слоев стружки. //Совершенствование процессов резания и повышение точности металлорежущих станков.// Ижевск, 1969.

62. Талантов Н.В., Тананин А.К, Хохряков JI.A. Особенности процессов контактных пластических деформаций при различных скоростях резания// Сб.«Совершенствование процессов резания и повышение точности металлорежущих станков».— Ижевск, 1969.

63. Талантов Н.В., Черемушников Н.В. Влияние скорости на контактные процессы и основные характеристики процесса резания// Известия вузов, «Машиностроение», № 3, 1981.— С. 11-115.

64. Талантов Н.В., Черемушников Н.В., Курченко А.И. Влияние скорости на закономерности процесса резания и износа инструмента.// Сб. «Технология машиностроения и автоматизации производственных процессов».— Волгоград, 1978.—С. 29-49.

65. Физико — химические свойства окислов: Справочник. Под ред. Г.В.Самсо-нова, М.: Металлургия, 1978, с. 471.

66. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. -М.: Наука, 1987.-502 с.

67. Франк-Каменецкий Д.А. Журнал технической физики. 9, 1457, 1939.

68. Франк-Каменецкий Д.А. Журнал физической химии.- Т 13, 738, 1939.

69. Франк-Каменецкий Д.А. Журнал физической химии.- Т 13, 738, 1939.

70. Френкель Я.И., Конторова Т.А. К теории пластической деформации и двой-никования// ч.1, ЖЭТФ, 8, 1938.— С.89-95// ч.2, ЖЭТФ, 8, 1938.— С.1340-1349// ч.З, ЖЭТФ, 8, 1938.— С.1349-1359.

71. Френкель Я.И. Введение в теорию металлов.— Л.: Наука, 1972.— 423 с.

72. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей.—Л.: Наука, 1975.—527 с.

73. Эванс Ю.Р. Коррозия и окисление металлов. М., Машгиз., 1962, с. 856.

74. Элъсгольц Н.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. — М.: Наука, 1969. С.227-229.

75. Эллиот Р.П. Структуры двойных сплавов. М.: Металлургия, Т 1, 1970, 455 с.