РАЗРАБОТКА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ПОДХОДА К ОПИСАНИЮ НАПРЯЖЕННОГО И ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА В ЭЛЕМЕНТАРНОМ АКТЕ СТРУЖКООБРАЗОВАНИЯ ПРИ РЕЗАНИИ МАТЕРИАЛОВ
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 Py =3200 Н, и силы Pz =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
- Вейц В.Л., Максаров В.В., Лонцих П.А. Динамика и моделирование процессов резания при механической обработке. Иркутск, РИО ИГИУВа, 2000. 189с.
- Майков В.П. Расширенная версия классической термодинамики - физика дискретного прострaнcтва-времени. М.: МГУИЭ. 1997. 160с.
- 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.
- Гольдштейн Р.В., Осипенко В.М. Иерархия структур при разрушении. ДАН. 1992.Т.325. №4, с. 735-739.
В статье рассмотрена категория «инновация», как экономическое явление, что позволило дополнить отраженные в научной литературе критерии классификации инноваций. Определено, что важнейшей формой оказания государственной поддержки инноваций является повышение эффективности государственных расходов. ...
18 03 2024 19:28:43
Проведены исследования в области экструдирования многокомпонентных смесей из отходов различных производств, предложена технологическая схема линии по получению ДПКТ. Экспериментальные исследования проводились в два этапа и определялись параметры процесса – производительность, мощность сил полезного сопротивления, в зависимости от угловой скорости вращения шнека пресса-экструдера, от температуры экструдируемого материала, от влажности экструдируемой смеси и процентного содержания компонентов смеси. ...
17 03 2024 9:32:41
Статья в формате PDF 314 KB...
16 03 2024 10:54:28
Статья в формате PDF 111 KB...
15 03 2024 21:22:41
Статья в формате PDF 257 KB...
14 03 2024 6:16:56
Статья в формате PDF 376 KB...
13 03 2024 14:15:39
С помощью комплекса ядерно-физических методов, ЯМР-спектроскопии, выявлена неоднозначная степень насыщения связанной фазы воды молекулами воды и ряда химических элементов, где основу их специфической связи представляет многослойная поляризованная структура сыворотки крови и лимфы здоровых людей, пациентов с актуальными заболеваниями. Разработана иерархическая двухуровневая модель, согласно собственной концепции сопряженного действия и эффекта энергии, системного ЭМП, энергии биохимических цикловых процессов, объединенных потоком протонов, регулируемых буферной системой и гормонами стресса. ...
12 03 2024 20:30:57
Статья в формате PDF 296 KB...
11 03 2024 3:43:15
Статья в формате PDF 119 KB...
10 03 2024 8:51:40
Статья в формате PDF 196 KB...
09 03 2024 13:35:54
Статья в формате PDF 106 KB...
08 03 2024 8:56:49
Статья в формате PDF 127 KB...
07 03 2024 10:20:18
Статья в формате PDF 143 KB...
05 03 2024 22:41:33
Статья в формате PDF 238 KB...
02 03 2024 14:10:53
Статья в формате PDF 280 KB...
01 03 2024 9:37:38
Статья в формате PDF 280 KB...
29 02 2024 10:28:42
Статья в формате PDF 140 KB...
28 02 2024 1:52:20
Статья в формате PDF 102 KB...
27 02 2024 3:25:56
Статья в формате PDF 115 KB...
25 02 2024 15:37:33
24 02 2024 11:49:35
Статья в формате PDF 279 KB...
23 02 2024 17:42:11
Статья в формате PDF 141 KB...
22 02 2024 23:32:48
Статья в формате PDF 361 KB...
21 02 2024 23:40:30
Статья в формате PDF 111 KB...
20 02 2024 11:42:12
Статья в формате PDF 311 KB...
19 02 2024 16:19:45
Статья в формате PDF 106 KB...
18 02 2024 14:32:46
Статья в формате PDF 289 KB...
17 02 2024 19:48:17
Статья в формате PDF 113 KB...
16 02 2024 11:18:58
Статья в формате PDF 131 KB...
15 02 2024 1:49:19
Статья в формате PDF 103 KB...
14 02 2024 3:28:34
Статья в формате PDF 283 KB...
13 02 2024 7:19:34
Статья в формате PDF 265 KB...
12 02 2024 9:31:24
Статья в формате PDF 279 KB...
11 02 2024 0:15:50
Статья в формате PDF 250 KB...
10 02 2024 8:13:54
Статья в формате PDF 199 KB...
09 02 2024 1:12:23
Статья в формате PDF 165 KB...
08 02 2024 11:33:55
Еще:
Поддержать себя -1 :: Поддержать себя -2 :: Поддержать себя -3 :: Поддержать себя -4 :: Поддержать себя -5 :: Поддержать себя -6 :: Поддержать себя -7 :: Поддержать себя -8 :: Поддержать себя -9 :: Поддержать себя -10 :: Поддержать себя -11 :: Поддержать себя -12 :: Поддержать себя -13 :: Поддержать себя -14 :: Поддержать себя -15 :: Поддержать себя -16 :: Поддержать себя -17 :: Поддержать себя -18 :: Поддержать себя -19 :: Поддержать себя -20 :: Поддержать себя -21 :: Поддержать себя -22 :: Поддержать себя -23 :: Поддержать себя -24 :: Поддержать себя -25 :: Поддержать себя -26 :: Поддержать себя -27 :: Поддержать себя -28 :: Поддержать себя -29 :: Поддержать себя -30 :: Поддержать себя -31 :: Поддержать себя -32 :: Поддержать себя -33 :: Поддержать себя -34 :: Поддержать себя -35 :: Поддержать себя -36 :: Поддержать себя -37 :: Поддержать себя -38 ::