WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

При моделировании процесса резания цементно-стружечных плит учтены особенности, характерные для обработки резанием этого материала.

ЦСП является неоднородным материалом, поэтому на поверхности резания можно выделить три различающиеся по структуре составные части этой поверхности: поры, цементный камень и древесные частицы. Если в поверхности резания доля поверхности пор составляет сп,, цементного камня сцк и древесных частиц сдч, тогда справедливо уравнение

сп+ сцк + сдч = 1

Часть усилия резания при обработке ЦСП затрачивается на разрушение (скалывание) цементного камня, которое происходит при упругих деформациях, т. е. разрушение цементного камня носит хрупкий характер.

Тепловые потоки, образующиеся вследствие упругой деформации настолько малы, что соответствующие им члены в уравнениях теплопроводности могут не учитываться. Усилие, затрачиваемое на разрушение цементного камня, может быть рассчитано по формуле

Pцк = всж Sc сцк.

На основании решения дифференциального уравнения получены зависимости, отражающие распределение температуры на передней поверхности

где.

,

где,

и на задней поверхности режущего инструмента ( = Т – Т0)

где.

Особенностью математической модели является то, что она учитывает физико-механические и теплофизические характеристики материалов изделия и режущего инструмента (включая его геометрические параметры), а также параметры режимов резания. Поэтому позволяет рассчитать не только плотности тепловых потоков и распределение температур на контактных поверхностях режущего клина, но и произвести численный анализ влияния на них режимов резания, теплофизических свойств материала режущего инструмента и его геометрических параметров.

Для условий резания с переменным сечением стружки (например, фрезерования) законы распределения интенсивности теплообразующих потоков в любой момент времени одинаковы по форме и зависят от угла поворота зуба фрезы на дуге резания. Поэтому при теплофизических расчетах необходимо учесть зависимость переменных параметров процесса резания от угла поворота зубы фрезы на дуге резания.

На рис. 1 и 2 представлены результаты численных расчётов распределения температур на контактных поверхностях режущего инструмента из твёрдого сплава ВК8 при цилиндрическом фрезеровании кромки плиты из различных древесных композитов.

Характеры распределения температур на передней и задней поверхностях режущего клина существенно отличаются, что вызвано разными условиями взаимодействия их с обрабатываемым материалом.

Абсолютные значения максимальных температур на поверхностях резца невысоки, так как теплота деформации древесных композитов мала, и основным источником её является трение на контактных площадках.

Источником теплоты на передней поверхности являются силы трения, которые имеют максимальное значение в прикромочной области и существенно снижаются по мере удаления от режущей кромки.

При скольжении задней грани резца по поверхности резания наблюдается более интенсивный нагрев поверхностных слоёв инструментального материала за счет трения, создаваемого абразивными частиц в виде зерен цементного клинкера и затвердевшего клея, или работы микрорезания, которую они совершают. При этом в ограниченной области фрикционного контакта и на поверхности частиц могут развиваться высокие температуры, представляющие собой "температурные вспышки", влияние которых на уровень и общий характер распределение температуры на задней поверхности резца может быть исключительно велико.

Рис. 1. Распределение температуры на контактных площадках

режущего клина при резании ЦСП ( = 1400 кг/м3) в зависимости

от угла поворота зуба фрезы на дуге резания :

1 - 2,50; 2 - 7,50; 3 - 12,50; 4 - 17,50

В условиях высокотемпературного нагрева, когда механические напряжения превышают предел текучести инструментального материала или его отдельных структурных составляющих, в микроконтактной области развиваются пластические деформации, характерные для процессов микро или нанорезания.

Значения максимальных температур в зоне контакта экспериментально зафиксировать невозможно, поэтому единственным методом является аналитический расчёт, полученный на основе решения теплофизической задачи.

В диссертационной работе произведена оценка характера взаимодействия абразивных частиц с активной поверхностью резца и расчётным путём определена температура на контактной площадке отдельного абразивного зерна.

Для этого выполнен анализ дисперсного состава портландцемента марки 500, который применяется при производстве ЦСП. Принималось, что степень гидратации портландцемента при твердении в течение 180 суток составляет 60%, а при твердении в течение десятков лет не превышает 80…90% ; зёрна клинкера размером до 5 мкм почти полностью гидратируются в течение 1…3 суток, а в конце месяца наступает полная гидратация частиц до 10 мкм. Распределение зёрен клинкера по размерам в интервале 15…60 мкм подчиняется нормальному закону распределения.

Рис. 2. Распределение температуры на контактных площадках режущего клина при резании ДСтП ( = 600 кг/м3) (а) и МДФ ( = 800 кг/м3) (б) для разных значений угла : 1 - 2,50; 2 - 7,50; 3 - 12,50; 4 - 17,50

Определено количество зёрен, участвующих в процессе микро и нанорезания, которое зависит от глубины резания. Так как вершины зёрен расположены на различном расстоянии от поверхности резания, то в слой, ограниченный глубиной резания, попадает только часть зёрен. Количество их является случайной величиной и подчиняется закону нормального распределения.

Количество зёрен, выполняющих работу микрорезания, определяется по формуле

Исходя из этого, средняя сила резания на зерне составит

Для решения теплофизической задачи распределения теплоты между абразивным зерном и задней поверхностью режущего клина каждое зерно моделируется в виде цилиндра, а распределение теплоты между поверхностями контакта учитывается коэффициентом.

Аналитическое выражение для расчёта температуры на контактной поверхности зерна имеет вид

.

Критерий Фурье, входящий в уравнение, рассчитывается по формуле

На рис. 3 представлены результаты расчета температуры на контактной поверхности зерна клинкера в зависимости от относительной глубины резания. Температура на поверхности зерна возрастает с уменьшением относительной глубины резания и достигает значений, соответствующих пластическому состоянию инструментального материала или отдельных его компонентов и развитию деформационных процессов.

Рис. 3. Температура на контактной поверхности зерна

в зависимости от относительной глубины резания

Представленные в главе 4 математические модели позволяют производить количественную оценку тепловых явлений в процессах резания древесных композитов. На основе анализа результатов численного расчёта по предложенным математическим моделям распределения температуры на контактных поверхностях режущего клина при резании различных плитных древесных композиционных материалов и аналитического расчета температуры на отдельном абразивном зерне при резании ЦСП сделаны следующие выводы.

1. Распределение температуры на передней поверхности режущего клина характеризуется наличием максимума на некотором расстоянии от режущей кромки, что связано с влиянием сил трения стружки с контактной поверхностью на распределение тепловых потоков, достигающих максимальных значений в этой зоне. Наибольшие значения температуры характерны для случая резания ДСтП, в меньшей степени – MДФ и существенно ниже при резании ЦСП.

2. Температура на задней поверхности режущего клина достигает максимальных значений в конце площадки контакта его с поверхностью резания. Максимальные значения температур в меньшей степени зависят от вида обрабатываемого материала.

3. При резании древесных композиционных материалов практически вся теплота деформации в зоне резания поступает в стружку, что объясняется влиянием низкой теплопроводности этих материалов.

4. Затупление режущей кромки инструмента при обработке древесных композитов оказывает большее влияние на температуру в зоне резания по сравнению с обработкой металлических сплавов.

5. Средний уровень температур на задней поверхности режущего клина сравнительно невысок, поэтому первостепенное значение имеют "температурные вспышки" на контактных поверхностях отдельных абразивных зерен, которые оказывают решающее влияние на развитие процессов микрорезания и характер распределения температур.

6. Уровень температуры на контактных площадках резца существенным образом зависит от режимов резания, что необходимо учитывать при выборе их для инструментальных материалов с разными теплофизическими свойствами.

7. В приповерхностных слоях инструментального материала возникают большие градиенты температур (1000…2800 0С/мм), которые создают циклические температурные напряжения в теле резца и условия для развития усталостного механизма изнашивания инструментального материала.

В пятой главе представлен анализ инструментальных материалов, которые наиболее приемлемы для обработки древесных композитов, рассмотрено влияние на их структуру, механические и теплофизические свойства тепловых явлений при резании, изучена кинетика изнашивания контактных поверхностей резцов из твердых сплавов и поликристаллических алмазов.

Для обработки композиционных материалов на древесной основе наибольшее применение нашли однокарбидные вольфрамокобальтовые твердые сплавы, механические и теплофизические свойства которых зависят от процентного содержания связки, зернистости карбидной фазы, степени легирования связки тугоплавкими карбидами и металлами, а также содержания свободного углерода.

Представлены характеристики химический состав и механические свойства твердых сплавов отечественного и импортного производства. Отмечено, что существенное повышение механических свойств и износостойкости твердых сплавов достигается за счет повышения степени дисперсности упрочняющей фазы и создания связки повышенной прочности и термостойкости, а надежность инструмента ­- технологическими методами, обеспечивающими стабильность механических свойств. Повышение износостойкости может быть достигнуто за счет поверхностного упрочнения, направленного на изменение структуры поверхностного слоя с целью получения оптимального сочетания поверхностных и объемных свойств.

Отмечено, что большой интерес для обработки древесных композитов представляют инструментальные материалы на основе синтетических алмазов. Имея недостаточно высокую прочность и повышенную хрупкость, но, обладая высокой твердостью и износостойкостью при высоких скоростях резания они являются перспективными инструментальными материалами для обработки древесных композитов.

Огромный интерес представляют искусственные монокристаллическим алмазы, превосходящие по твердости и износостойкости поликристаллические, стойкость которых при обработке древесных композитов может быть выше твердосплавного инструмента в сотни раз.

В главе рассматривается влияние тепловых процессов на структуру и свойства инструментальных материалов.

Все виды инструментальных сталей, подвергаемые термической обработке для повышения твердости и прочности, в процессе нагрева могут испытывать структурные превращения, следствием которых является разупрочнение и снижение твердости.

Механические свойства твердых сплавов, которые обладают высокой твердостью и термостойкостью, при нагреве также снижаются, что вызвано влиянием изменения свойств отдельных структурных составляющих. Так, при нагреве кобальта до температуры 800С прочность и твердость его снижаются почти в 3 раза.

Отмечено, что фазы гетерогенной структуры твердых сплавов вследствие весьма значительного различия их физико-механических свойств могут испытывать разные виды деформаций в процессе нагружения: кобальт – пластические, а карбид вольфрама, имея высокий предел текучести, - только упругие. Отсюда, связка твердого сплава, повышая прочность его и одновременно снижая износостойкость вследствие разупрочнения при нагреве, является наиболее "слабым звеном". Поэтому улучшение теплофизических и механических свойств связки, в частности, путем легирования ее чистыми металлами (рением или рутением) или карбидами металлов представляется как один из возможных путей повышения износостойкости твердых сплавов.

В данной главе изложены результаты исследований кинетики изнашивания контактных поверхностей резца из различных инструментальных материалов, выполненные методами растровой электронной микроскопии. Исследования структуры поверхностей изнашивания резца и спектральный анализ выполнялись на растровом электронном микроскопе (РЭМ) модели VEGA TS 5136LM (США) с разрешением 3,0 нм в режиме высокого вакуума и 3,5 нм в режиме низкого вакуума.

Результатами исследований установлено, что на начальном этапе пути резания основным фактором, определяющим интенсивность износа режущей кромки твердосплавного резца, является дефектность поверхностного слоя, которая образуется на стадии подготовки его к работе. Показано, что поверхностный слой, сформированный при заточке резца методами абразивной обработки алмазными шлифовальными кругами, неоднороден по строению. В процессе заточки (особенно, при неблагоприятных режимах резания) из-за повышенной температуры в приповерхностном слое возникают термические напряжения и образуются дефектные области, характеризующиеся наличием в них остаточных напряжений первого и второго рода, субмикротрещин, микровыкрашиваний и др., в основе которых лежит дислокационный механизм формирования. В дефектном слое создаются необходимые условия для выкрашивания микрообъемов инструментального материала, которые могут происходить при первых же актах взаимодействия режущей кромки с обрабатываемым материалом (рис. 4) и завершаться аварийным износом путем образования скола (рис. 5).

Выявлено, что образование субмикротрещин на межфазных границах в большей степени характерно для резцов из низкокобальтовых твердых сплавов, которые, обладая высокой твердостью и низкой ударной вязкостью, наиболее склонны к хрупкому разрушению.

Рис. 4. Выкрашивание режущей кромки зуба фрезы. Твердый сплав T02SMG. х 400

Рис. 5. Скол на передней поверхности резца.Твердый сплав T02SMG. х 250

Отмечено, что формоустойчивость режущей кромки резца зависит от дисперсности карбидной фазы, процентного содержания, состава и теплофизических свойств связки, а также несовершенств структуры в виде свободного углерода, пористости и наличия хрупкой -фазы.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»