РАЗРАБОТКА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ПОДХОДА К ОПИСАНИЮ НАПРЯЖЕННОГО И ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА В ЭЛЕМЕНТАРНОМ АКТЕ СТРУЖКООБРАЗОВАНИЯ ПРИ РЕЗАНИИ МАТЕРИАЛОВ

1

• Авторы
• Файлы

Неумоина Н.Г. Статья в формате PDF 131 KB Резание материалов на сегодняшний день является одним из наиболее распространенных процессов формообразования деталей машин с заданными размерами и качеством вновь образованной поверхности. Под системой резания в дальнейшем будем понимать совокупность элементов системы резания, находящуюся в непосредственном контакте в процессе отделения заданного припуска: заготовку, стружку и режущее лезвие режущего инструмента.

 Резание материалов - сложный физический процесс. В нем можно отметить целый комплекс более простых процессов и явлений - это разрушение материала, упругая и пластическая деформация, образование новой поверхности, механическое взаимодействие компонентов системы резания, теплообмен между ними и рассеяние энергии, сопровождающееся образованием так называемых диссипативных структур. Очевидная сложность совместного описания перечисленных физических процессов в зоне резания материалов и определяет известный факт, что как таковой физической теории резания на сегодняшний день пока не разработано. Определение важных технологических параметров, таких как сила резания, например, производится в инженерных расчетах на основе эмпирических формул.

В последнее время в понимании сущности процессов, сопровождающих резание материалов, произошли существенные качественные изменения. Они связаны прежде всего с осознанием того факта, что отклонение технологической системы в зоне резания от равновесного состояния столь велико, что этот процесс нельзя описать линейными приближениями и необходимо привлекать методы термодинамики неравновесных процессов. Говоря современным языком, процесс резания материалов - это процесс, в котором отчетливо проявляются признаки самоорганизации. К таким признакам можно отнести следующие положения.

• Система является термодинамически открытой, т.е. возможен обмен веществом и энергией с окружающей средой.
• Отклонения от равновесия превышают критические значения, т.е. рассматриваются состояния, лежащие вне классической термодинамической ветви.
• Имеет место иерархическая сложность явлений.
• Макроскопические процессы происходят согласованно (кооперативно, когерентно).

Кроме указанных особенностей процесса резания, существенным фактором, оказывающим влияние на создание адекватного описания процесса, является динамический хаpaктер протекания процесса и возникновение вибраций в системе резания.

В работе [1] произведен анализ причин возникновения вибраций при резании материалов. Одной из существенных причин авторы [1] указывают запаздывание сил резания по отношению к соответствующим возмущениям, возникающим при деформации металлов в локальной зоне в процессе резания. Внедрение режущего клина инструмента сопровождается сжатием обpaбатываемого материала.

При достижении критического значения действующего напряжения у режущей

кромки начинается отделение срезаемого слоя от материала заготовки. В этот момент начинается вторая стадия элементарного акта стружкообразования - стадия сдвига. Образовавшийся элемент стружки перемещается вдоль поверхности сдвига с большим ускорением и интенсивным уменьшением сопротивления сдвигу, а также вверх вдоль передней поверхности. При этом он претерпевает дополнительные деформации, которые приводят к неоднородному упрочнению стружки по сечению и создают предпосылки для ее завивания. Затем сдвиг прекращается, а движение элемента стружки вдоль передней поверхности становится более равномерным и продолжается до момента его удаления из зоны контакта.

В силу различия хаpaктера деформационных процессов в ходе элементарного акта стружкообразования, сила резания также не является постоянной величиной и претерпевает периодические изменения. В момент начала сдвига элемента стружки начинается образование следующего элемента, т.е. происходит сжатие новой локальной зоны обpaбатываемого материала.

 Таким образом, первая и вторая стадии процесса начинаются и заканчиваются одновременно, но относятся к двум соседним элементам стружки. Представленная качественная картина элементарного акта стужкообразования, выявляющая его циклический хаpaктер, имеет место пpaктически независимо от режимов резания.

Однако, основные параметры резания (скорость, глубина резания и подача) в сочетании со свойствами обpaбатываемого материала, оказывают существенное влияние на хаpaктер деформационных процессов. В результате варьируются объем зоны деформирования, скорость сжатия, скорость сдвига, скорости упрочнения и разупрочнения элементов системы резания. Весьма существенное влияние на эти процессы оказывает скорость тепло- и маасообмена между элементами системы резания. В конечном итоге это приводит к образованию различных видов стружки и разному качеству обработанной поверхности.

Учесть особенности процессов деформирования, механического и теплового взаимодействия элементов системы резания, иерархический хаpaктер протекания процессов возможно только в рамках термодинамической теории, учитывающей взаимное превращение энергии в системе.

В качестве такой теории предлагается использовать нелокальную версию термодинамики, разработанную Майковым В.П. [3].

Нелокальная термодинамика, будучи по своему хаpaктеру дедуктивной, построена на утверждении о существовании в природе кванта энтропии, равного постоянной Больцмана.

Если принять значение kT при макроскопическом определении энтропии в качестве минимального приращения (интервала квантования) количества теплоты

,      (1)

из определения энтропии в соответствии со вторым законом термодинамики, получаем минимальное приращение энтропии:

        (2)

ПроцеДypa макроквантования приводит к важным следствиям. Определяющая роль здесь принадлежит получению хаpaктерного дискрета времени

            (3)

где h - постоянная Планка.

По смыслу соотношения неопределенности величину ∆t следует рассматривать как минимальный интервал времени для макроскопических объектов, для которых макроскопическое понятие температуры еще сохраняет физический смысл. Например, при T = 300 K, ∆t = 1,27*10^-14 c.

В новой теории показано существование границы микро- и макроуровня, т.е. сформулирован минимальный макроскопический объем (далее «макроячейка»), к которому еще применим термодинамический метод. Установлено, что радиус и объем макроячейки

           (4)

,        (5)

где с - скорость света в вакууме.

Радиус r и объем макроячейки V определяют размеры прострaнcтва, в котором устанавливается локальное термодинамическое равновесие в динамически равновесной системе и, следовательно, формируется температура как макроскопический параметр. Например, при T = 300 K, r = 3,8*10^{-6 м.}

 Макроячейку можно рассматривать как короткоживущий (мерцающий) физический кластер - своеобразный, в обычных условиях надмолекулярный, уровень в иерархии макроскопической системы.

В нелокальной термодинамике доказывается, что процеДypa макроквантования переводит описание из области классического статического равновесия (термостатика) в область динамического равновесия с флуктуационным взаимодействием макроячейки с окружением.

Параметры макроячейки (температура, давление и др.) при динамическом равновесии за хаpaктерное время ∆t отличаются от параметров ее окружения, и в этом смысле любая материальная среда термодинамически неоднородна. Такого рода неоднородность приводит к появлению на границе макроячейки с окружением флуктуирующих напряжений, сходных по своей природе с поверхностными явлениями. Привлечение здесь соотношений классической термодинамики деформаций показывает, что в силу дискретности прострaнcтвенных и временных интервалов объему макроячейки присущи как объемная, так и сдвиговая деформации, разделенные в прострaнcтве и времени в масштабе макроячейки.

В свою очередь объемная деформация вызывает электрическую поляризацию, а сдвиговая - магнитную. Поляризация приводит к появлению связанных зарядов электрического и магнитного типов. Указанные явления образуют термодеформационный равновесный цикл макроячейки.

Таким образом, на основе вышеизложенного, можно сделать следующие выводы: нелокальная версия термодинамики обоснованно определяет минимальный макроскопический объем, хаpaктеризующий коллективное поведение среды; определение этого объема позволяет непротиворечиво перейти к иерархическому рассмотрению процессов деформирования в твердом теле; в рамках изложенной теории учитывается цикличность природных процессов (термодеформационный цикл макроячейки); в рамках термодеформационного цикла удается связать механические, тепловые и электродинамические явления, что реально наблюдается в природе и позволит перейти к описанию того комплекса процессов и явлений, которые сопровождают процесс резания. Покажем на примере возможность применения изложенной теории к описанию деформационных процессов в зоне резания.

Рассчитаем нормальные и касательные напряжения в зоне механической обработки и сравним их с экспериментальными значениями напряжений, полученными на фаске задней поверхности резца. В эксперименте при максимальном значении силы P_y =3200 Н, и силы P_z =1600 Н, соответствующие им напряжения равны σ = 1600 МПа, τ = 400 МПа.

Расчетные значения

Как показывают расчеты, используя специфические для нелокальной версии термодинамики понятия, такие как хаpaктерные линейные размеры для объемной ∆x и сдвиговой l деформации, а также объем макроячейки V и элементарное изменение объема макроячейки в результате деформации ∆V΄ можно выйти на порядок величин напряжений, наблюдаемых в эксперименте. Далее для создания адекватной математической термодинамической модели необходимо решить ряд задач. Во-первых, определить закономерности скоростного деформирования металлов с определением масштабов зоны деформирования в зависимости от параметров резания. Во-вторых, определить закономерности протекания процесса с точки зрения иерархии структур при разрушении, т.е. для конкретного набора параметров резания определить «механизм» протекания процесса.

Как показано в работе [3] в иерархической системе существует спектр времен релаксации. Здесь сначала протекают более быстрые процессы, отвечающие за преодоление потенциальных барьеров минимальной высоты, т.е. иерархический хаpaктер процессов заключается в том, что пока не реализуются каналы с минимальным временем релаксации, не включается сеть каналов следующего уровня. При этом, как указано в работе [4], подобные процессы сопровождаются структурными изменениями материи и привлечение представлений о структуре разрушения, т.е. о трaнcформации начальной структуры тела при деформировании в сторону образования новых структур позволяет описать кооперативные эффекты на различных масштабных уровнях. Таким образом, можно сделать вывод, что на сегодняшний день есть предпосылки для разработки термодинамического подхода к описанию напряженного и деформированного состояния материала в элементарном акте стружкообразования при резании материалов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вейц В.Л., Максаров В.В., Лонцих П.А. Динамика и моделирование процессов резания при механической обработке. Иркутск, РИО ИГИУВа, 2000. 189с.
2. Майков В.П. Расширенная версия классической термодинамики - физика дискретного прострaнcтва-времени. М.: МГУИЭ. 1997. 160с.
3. Илькаев Р.И., Учаев А.Я., Новиков С.А., Н.И., Платонова Л.А., Сельченкова Н.И. Универсальные свойства металлов в явлении динамического разрушения. ДАН. 2002.Т.384,№3, с. 328-333.
4. Гольдштейн Р.В., Осипенко В.М. Иерархия структур при разрушении. ДАН. 1992.Т.325. №4, с. 735-739.

---