Введение 4
ГЛАВА 1 Самоорганизация технологической системы при введении в зону
обработки дополнительных потоков энергии 7
1.1 Анализ процессов структурной самоорганизации в поверхностном
слое детали применительно к техническим и технологическим системам7
1.2 Синергетический подход в моделировании повреждаемости поверхностного слоя деталей. Постановка задачи исследования 25
ГЛАВА 2 Математическая модель суммарной плотности энергии, сообщенной единице поверхностного слоя детали 31
2.1 Термодинамическое представление баланса энергии при воздействии
на единицу объема поверхностного слоя 31
ГЛАВА 3 Математическая модель КИНЕТИКИ дефектообразования в поверхностном слое детали 41
3.1 Кинетические уравнения накопления плотности дислокаций в
микрообъемах поверхностного слоя на примере обработки ультразвуковым выглаживанием 41
3.2 Кинетические уравнения структурно-фазовых превращений в
поверхностном слое в результате воздействия термических циклов 58
ГЛАВА 4 Математическая модель формирования параметров качества поверхностного слоя детали 62
4.1 Математическая модель термопластической деформации поверхностного слоя 62
4.2 Математическая модель формирования микротвердости
поверхностного слоя 68
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 79
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 83
В настоящее время практически во всех отраслях промышленности имеется возрастающая тенденция в создании и применении новых перспективных конструкционных и инструментальных материалов, обладающими особыми физико -механическими свойствами и высокими эксплуатационными характеристиками. Практическое использование таких материалов в современных конструкциях обусловлено технологическими возможностями их механической обработки. С технологической точки зрения материалы с особыми физико -механическими свойствами, например, такие как жаропрочные стали и сплавы, композиты, керамические материалы, специальные материалы для медицинских изделий, электроники, атомной энергетики, изделий точной оптики и др., относятся к так называемым труднообрабатываемым материалам и применение для их механической обработки традиционных технологий в большинстве случаев не оправдано.
Физическая природа механической обработки с дополнительным воздействием потоками энергии различных видов представляет собой комплекс сложных механо-физико-химических процессов, протекающих на поверхности контакта, в объеме поверхностного слоя обрабатываемой де-тали и в технологической жидкости [4-6]. Эти процессы, связанные с такими явлениями как упруго -пластическая деформация, трение, физико - химические превращения, адгезионные явления, перенос тепла, диссипация энергии, кавитация, волновые процессы, изнашивание и разрушение материала и т.д., оказывают существенное воздействие на обрабатываемую деталь, инструмент, технологическую жидкость и в комплексе приводят к качественно новому поведению технологической системы [7-14]. В основе комбинированных технологий механической обработки материалов в общем случае лежит проявление (на макроуровне) двух принципиально отличающихся нелинейных эффектов, связанных с трансформацией ультра-звуковой энергии в обрабатываемом материале. Первый обуславливает интенсификацию разрушения объемов материала (его разупрочнение и релаксацию), второй - интенсификацию упрочнения. Исследование закономерностей проявления этих по сути «конкурирующих» эффектов на раз-личных масштабных уровнях нелинейных сред позволяет разработать, во - первых, научные основы проектирования технологии размерной обработки труднообрабатываемых материалов с обеспечением заданных показателей качества и производительности, и, во-вторых, получить возможность эффективного повышения физико-механических свойств конструкционных материалов. Поэтому актуальным для повышения качества обработки труднообрабатываемых материалов, а в ряде случаев и исключительное обеспечение их обработки, является развитие комбинированных технологий с введением в зону обработки дополнительных источников энергии (лазера, ультразвука, плазмы и т.д.).
При моделировании процессов механической обработки резанием, шлифованием, поверхностным пластическим деформированием, в том числе и с применением дополнительных источников энергии в настоящее время используются как аналитические модели, так и численные методы конечных элементов, основанные на фундаментальных соотношениях механики сплошной среды, технологической теплофизики, механических критериях разрушения и др. В основе математических моделей, описывающих поведение материалов, лежит ряд гипотез, не учитывающих дефектную структуру материала и неоднородность ее распределения в микрообъемах. Кроме того, для описания деформационного отклика обрабатываемый материал рассматривается как некоторая идеализированная модель (жестко-пластичный, идеально -пластичный, ньютоновские жидкости и т.д.). При этом, температура и скоростная чувствительность напряжений (давлений) и деформаций либо вообще не учитывается, либо входят в модель как параметры среды. С другой стороны, успехи в области физики твердого тела, неравновесной термодинамики, физической мезомеханики позволили разработать эффективные методы анализа деформируемого материала как сложной многоуровневой иерархически организованной структуры. Однако, в большинстве случаев решение подобных задач с таким «глубоким» физическим подходом ограничивается численным получением так называемых фундаментальных характеристик (распределение полей скоростей, напряжений, деформаций, тепловых полей и т.д.). Между тем для технологий обработки важно прогнозировать получение также и качественных характеристик таких как микротвердость, остаточные напряжения, глубина дефектного слоя, структурно-фазовый состав и т.д.
Таким образом, формализация физической природы нелинейного отклика деформируемой среды в условиях высокоскоростного нагружения при механической обработки является одной из актуальных проблем физики пластической деформации и разрушения, как фундаментальной основы процессов механической обработки. Исходя из чего фундаментальной научной проблемой, на решение которой направлена работа, является анализ напряженно-деформированного состояния обрабатываемого материала как сложно-организованной дискретной структуры в условиях высокоскоростного вибрационного нагружения при комбинированной механической обработке.
Объектом исследования являются различные комбинированные технологии энергетического воздействия на среды с различной физической природы (твердые тела, жидкости и газы)
Предметом исследования являются физические модели нелинейных структурно-неоднородных сред различной природы (поликристаллические и керамические материалы, термопластичные материалы, жидкости и газо-образные среды и т.д.) в условиях воздействия на них высокоинтенсивных источников энергии
Системный анализ состояния использования гибридных (комбинированных) технологий механической обработки металлических и керамических материалов с использованием дополнительной энергии ультразвукового поля показывает, что эти технологии обладают рядом преимуществ перед традиционными монотехнологиями. Основные из этих преимуществ можно свести к следующим:
1. Резкое повышение производительности обработки. Увеличение производительности при переходе от монотехнологии к комбинированной обработке может составить от нескольких процентов до нескольких раз.
2. Повышение качества обработки с меньшими удельными затратами. Нередки случаи, когда добиться заданного качества только за счет совершенствования условий механической обработки бывает невозможно или экономически невозможно даже при правильном применении данного типа механообработки.
3. Возможность обработки труднообрабатываемых металлических и керамических материалов, традиционная монотехнология обработки которых была бы весьма проблематичной.
Указанные преимущества - высокая производительность обработки, высокое качество обработки и возможность обработки труднообрабатываемых материалов - позволяют утверждать, что гибридные (комбинированные) технологии находятся на перспективном направлении развития технологической науки и производства.
В то же время можно отметить ряд недостатков комбинированных (гибридных) технологий, не устранив которые трудно добиться указанных выше преимуществ их перед монотехнологиями. К таким недостаткам можно отнести дополнительный расход энергии.
1. Дополнительная энергия подается в зону обработки в виде концентрированных потоков, что требует от источников энергии большой мощности, зачастую превосходящую мощность, потребную для основного вида обработки. Дополнительная энергия - механическая, акустическая, тепловая, химическая, электрическая, магнитная - требует дополнительных затрат, сопредельных с затратами на основную обработку, а иногда и превосходящих их. Все это часто делает комбинированную обработку экономически нецелесообразной.
2. Отсутствие точного математического описания физико - химических процессов, протекающих в микрообъемах поверхностного слоя и способствующих формирования показателей качества обработки.
К недостаткам комбинированных (гибридных) технологий следует также отнести слабую изученность процессов комбинированной обработки материалов как у нас в стране, так и за рубежом. Недостаточно изучены, либо практически вообще оставленные без внимания также аспекты гибридных технологи такие как:
1. Выбора оптимальной мощности дополнительного потока концентрированной энергии.
Мощность источника должна быть лимитирована как технологическими, так и экономическими ограничениями. С одной стороны, повышение мощности источника, как правило, ведет к повышению производительности обработки. С другой стороны повышение мощности требует дополнительных затрат. Возникает противоречие, разрешить которое можно на базе всестороннего анализа. Однако методика такого анализа на сегодня отсутствует. Кроме того, для такого анализа необходимо теоретическое обоснование и данные специальных экспериментов по оценке степени влияния различных параметров комбинированной обработки (в том числе и мощности источника) на показатели обработки. Ни теоретического анализа, ни данных экспериментов на сегодня крайне недостаточно.
2. Определение оптимальных параметров комбинированной обработки. К таким параметрам относятся вид дополнительной энергии и способ ее подвода, мощность источника энергии, режим подачи дополнительной энергии.
Следует отметить, что введение дополнительного потока энергии потребует назначения и другого режима резания по сравнению с режимом монотехнологий.
Для определения оптимальных параметров комбинированной обработки необходима ее математическая модель в виде системы технических ограничений и целевой функции. Техническими ограничениями в модели должны стать предельные (минимальные или максимальные) значения показателей обработки, таких как точность, шероховатость, силы, температура, качество поверхностного слоя, стойкость инструмента, технические возможности оборудования и т.п. Эти ограничения должны быть выражены в виде системы уравнений и неравенств, в левой части которых должны быть представлены искомые параметры обработки, а в правой - предельные значения ограничивающих факторов. В качестве целевой функции может быть принят какой-либо экономический критерий - производительность обработки, себестоимость операции и т.п. Решая модель с помощью специальных программ на ПК, относительно искомых параметров левой части неравенств, можно найти значения параметров, обеспечивающих экстремальное значение принятого критерия (например, максимальную производительность обработки) при выполнении всех требований технических ограничений.
Для разработки такой модели нужны экспериментальные данные по определению влияния каждого из параметров на каждый из показателей комбинированной обработки в виде коэффициентов - показателей степени для каждого из параметров. Таких моделей, на сегодня обнаружить не уда-лось. Что касается базы данных в виде значений коэффициентов и показателей степени в записях технических ограничений и целевой функции, то они могут быть получены только в результате экспериментов. Таких экспериментов на сегодня проведено крайне мало, а результатов, сведенных в общую математическую модель процесса на сегодня обнаружить не уда-лось.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
