Том 26 № 1 2024 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФТПС СО РАН, г. Якутск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 1 2024 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Куц В.В., Олешицкий А.В., Гречухин А.Н., Григоров И.Ю. Исследование изменения геометрических параметров образцов, наплавленных методом GMAW при воздействии на электрическую дугу продольного магнитного поля....................................................................................................................................................................................... 6 Сапрыкина Н.А., Чебодаева В.В., Сапрыкин А.А., Шаркеев Ю.П., Ибрагимов Е.А., Гусева Т.С. Оптимизация режимов селективного лазерного плавления порошковой композиции системы AlSiMg................................ 22 Губин Д.С., Кисель А.Г. Особенности расчета температуры резания при высокоскоростном фрезеровании алюминиевых сплавов без применения СОЖ................................................................................................................... 38 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Борисов М.А., Лобанов Д.В., Зворыгин А.С., Скиба В.Ю. Адаптация системы ЧПУ станка к условиям комбинированной обработки.................................................................................................................................................... 55 Носенко В.А., Багайсков Ю.С., Мироседи А.Е., Горбунов А.С. Эластичные хоны для полирования профилей зубьев термообработанных цилиндрических колес специального назначения.............................................................. 66 Подгорный Ю.И., Скиба В.Ю., Мартынова Т.Г., Лобанов Д.В., Мартюшев Н.В., Папко С.С., Рожнов Е.Е., Юлусов И.С. Синтез механизма привода ремиз............................................................................................................. 80 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рагазин А.А., Арышенский В.Ю., Коновалов С.В., Арышенский Е.В., Бахтегареев И.Д. Изучение влияния содержания гафния и эрбия на формирование микроструктуры при литье алюминиевого сплава 1590 в медный кокиль............................................................................................................................................................................ 99 Зорин И.А., Арышенский Е.В., Дриц А.М., Коновалов С.В. Изучение эволюции микроструктуры и механических свойств в алюминиевом сплаве 1570 с добавкой 0,5 % гафния......................................................................... 113 Карлина Ю.И., Кононенко Р.В., Иванцивский В.В., Попов М.А., Дерюгин Ф.Ф., Бянкин В.Е. Взаимосвязь микроструктуры с ударной вязкостью металлов сварного шва трубных высокопрочных низколегированных сталей (обзор исследований).............................................................................................................................................. 129 Патил Н.Г., Сараф А.Р., Кулкарни А.П. Полуэмпирическое моделирование температуры резания и шероховатости поверхности при точении конструкционных материалов твердосплавным инструментом с покрытием TiAlN.......................................................................................................................................................................... 155 Савант Д., Булах Р., Джатти В., Чинчаникар С., Мишра А., Сефене Э.М. Исследование электроэрозионной обработки криогенно обработанных бериллиево-медных сплавов (BeCu)................................................................... 175 Карлина А.И., Кондратьев В.В., Сысоев И.А., Колосов А.Д., Константинова М.В., Гусева Е.А. Исследование влияния комбинированного модификатора из отходов кремниевого производства на свойства серых чугунов................................................................................................................................................................................. 194 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 212 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 223 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 06.03.2024. Выход в свет 15.03.2024. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 28,0. Уч.-изд. л. 52,08. Изд. № 15. Заказ 84. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 26 No. 1 2024 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 1 2024 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS, Yakutsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 26 No. 1 2024 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Kuts V.V., Oleshitsky A.V., Grechukhin A.N., Grigorov I.Y. Investigation of changes in geometrical parameters of GMAW surfaced specimens under the infl uence of longitudinal magnetic fi eld on electric arc....................................... 6 Saprykina N.А., Chebodaeva V.V., Saprykin A.А., Sharkeev Y.P., Ibragimov E.А., Guseva T.S. Optimization of selective laser melting modes of powder composition of the AlSiMg system................................................................. 22 Gubin D.S., Kisel’ A.G. Features of calculating the cutting temperature during high-speed milling of aluminum alloys without the use of cutting fl uid............................................................................................................................................. 38 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Borisov M.A., Lobanov D.V., Zvorygin A.S., Skeeba V.Y. Adaptation of the CNC system of the machine to the conditions of combined processing...................................................................................................................................... 55 Nosenko V.A., Bagaiskov Y.S., Mirocedi A.E., GorbunovA.S. Elastic hones for polishing tooth profi les of heat-treated spur wheels for special applications..................................................................................................................................... 66 Podgornyj Y.I., Skeeba V.Y., Martynova T.G., Lobanov D.V., Martyushev N.V., Papko S.S., Rozhnov E.E., Yulusov I.S. Synthesis of the heddle drive mechanism....................................................................................................... 80 MATERIAL SCIENCE Ragazin A.A., Aryshenskii V.Y., Konovalov S.V., Aryshenskii E.V., Bakhtegareev I.D. Study of the eff ect of hafnium and erbium content on the formation of microstructure in aluminium alloy 1590 cast into a copper chill mold............................................................................................................................................................................ 99 Zorin I.A., Aryshenskii E.V., Drits A.M., Konovalov S.V. Study of evolution of microstructure and mechanical properties in aluminum alloy 1570 with the addition of 0.5 % hafnium........................................................................... 113 Karlina Y.I., Kononenko R.V., Ivantsivsky V.V., Popov M.A., Deryugin F.F., Byankin V.E. Relationship between microstructure and impact toughness of weld metals in pipe high-strength low-alloy steels (research review)..................... 129 Patil N.G., Saraf A.R., Kulkarni A.P Semi empirical modeling of cutting temperature and surface roughness in turning of engineering materials with TiAlN coated carbide tool................................................................................. 155 Sawant D., Bulakh R., Jatti V., Chinchanikar S., Mishra A., Sefene E.M. Investigation on the electrical discharge machining of cryogenic treated beryllium copper (BeCu) alloys........................................................................................ 175 Karlina A.I., Kondratiev V.V., Sysoev I.A., Kolosov A.D., Konstantinova M.V., Guseva E.A. Study of the eff ect of a combined modifi er from silicon production waste on the properties of gray cast iron................................................. 194 EDITORIALMATERIALS 212 FOUNDERS MATERIALS 223 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 1 2024 38 ТЕХНОЛОГИЯ Особенности расчета температуры резания при высокоскоростном фрезеровании алюминиевых сплавов без применения СОЖ Дмитрий Губин 1, a, Антон Кисель 2, b, * 1 Омский государственный технический университет, пр. Мира, 11, г. Омск, 644050, Россия 2 Калининградский государственный технический университет, Советский пр., 1, г. Калининград, 236022, Россия a https://orcid.org/0000-0003-1825-1310, gubin.89@list.ru; b https://orcid.org/0000-0002-8014-0550, kisel1988@mail.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2024 Том 26 № 1 с. 38–54 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.1-38-54 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.914.1 История статьи: Поступила: 19 октября 2023 Рецензирование: 16 ноября 2023 Принята к печати: 22 января 2024 Доступно онлайн: 15 марта 2024 Ключевые слова: Температура резания Высокоскоростное фрезерование Алюминиевый сплав Гомологическая температура Тепловизор Прогнозирование Удельная работа Предел текучести АННОТАЦИЯ Введение. Расчет температуры при высокоскоростном фрезеровании алюминиевых сплавов представляет интерес, поскольку температура может выступать как один из основных ограничивающих факторов при выборе рациональных режимов фрезерования. Особенно это актуально при фрезеровании тонкостенных изделий, применяемых в авиаракетостроении, поскольку высокие температуры могут привести к местному короблению конструкции. Контроль температурного фактора в производственных условиях не представляется возможным, в связи с чем возникает необходимость в разработке математической модели расчета температуры. Целью работы является разработка методики прогнозирования температуры резания при высокоскоростном фрезеровании заготовок из алюминиевых сплавов для условий резания, в которых нет возможности применять СОЖ. Методы. В данной статье представлены экспериментальные исследования температуры резания при высокоскоростном фрезеровании заготовок из алюминиевого сплава без применения СОЖ с помощью бесконтактных методов измерения температуры. Полученные результаты использовались для определения коэффициентов, подставляемых в формулы для расчета температур на передней и задней поверхностях режущего лезвия. Результаты и обсуждение. По результатам экспериментальных испытаний и теоретического моделирования был составлен график температур. Сопоставление экспериментальных исследований фрезерования алюминиевого сплава Д16Т при изменении условий резания (изменялась скорость резания) с теоретическими данными дало удовлетворительный результат. Средняя относительная погрешность при сравнении экспериментальных данных с теоретическими составляет 6,05 %. На основе экспериментальных данных можно сделать вывод о том, что сопоставление экспериментальных данных измерения температур резания удовлетворительно согласуется с предложенной методикой теоретического расчета температур. Достоинством данной методики является то, что она позволяет без проведения трудоемких и затратных экспериментальных исследований теоретически рассчитать (спрогнозировать) температуры на передней и задней поверхностях режущего лезвия, а также температуру резания для тех узких условий фрезерования, где невозможен эффективный отвод тепла из зоны резания. Методику также можно применить для фрезерования алюминиевых сплавов, механические и теплофизические свойства которых различаются. Для цитирования: Губин Д.С., Кисель А.Г. Особенности расчета температуры резания при высокоскоростном фрезеровании алюминиевых сплавов без применения СОЖ // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 1. – С. 38–54. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.1-38-54. ______ *Адрес для переписки Кисель Антон Геннадьевич, к.т.н., доцент Калининградский государственный технический университет Советский пр., 1, 236022, г. Калининград, Россия Тел.: +7 999 458-08-25, e-mail: kisel1988@mail.ru Введение Для процесса высокоскоростного фрезерования металлов характерна высокая интенсивность тепловыделения. Определение максимального значения температуры и ее распределения по режущим поверхностям инструмента имеет большое значение, поскольку она влияет на выбор режимов резания, стойкость инструмента и качество обработанной поверхности детали [1–3]. Таким образом, максимальные значения температуры при определении стратегии обработки выступают как один из основных ограничивающих факторов резания. Механизм возникновения теплоты при резании достаточно сложен, однако можно выделить три основных фактора: пластическую деформацию материала, неоднородный сдвиг и трение стружки об переднюю поверхность инструмента, а также трение
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 1 2024 39 TECHNOLOGY задней поверхности инструмента об обрабатываемый материал заготовки. Тепло, вызванное этими процессами, разогревает материал стружки до температуры 350–450 °С [4–7] (этот диапазон температур характерен для фрезерования алюминиевых сплавов). Образовавшееся тепло распространяется в заготовку и инструмент со скоростью, которая во многом зависит от физических характеристик обрабатываемого материала [8, 9]. Распределение тепла в зоне резания можно разделить на два участка: температуру на передней поверхности, зависящую от подачи и геометрии режущего лезвия (передний угол, угол наклона режущей кромки, угол в плане, угол подъема винтовой канавки и др.), и температуру на задней поверхности, зависящую от количества оборотов и ширины фаски износа. Расчет контактных температур на передней и задней поверхностях инструмента, а также температуры резания режущего лезвия для фрезерования алюминиевых сплавов базируется: – на изменении механических свойств (предел прочности, относительное удлинение) при повышенных температурах испытания; – учете совместного воздействия таких процессов, как деформация и скорость деформации, на изменение значения предела текучести; – учете теплофизических характеристик обрабатываемого материала (коэффициенты теплопроводности и температуропроводности, теплоемкость), а также плотности материала. Расчет температуры при высокоскоростном фрезеровании алюминиевых сплавов представляет интерес, поскольку температура является ограничивающим фактором при выборе стратегии обработки. Так, например, при фрезеровании вафельного профиля внутри топливного бака для ракетоносителей нет возможности применять смазочно-охлаждающую жидкость (СОЖ). Толщина внешней стенки топливного бака составляет 2–3 мм [7, 10, 11]. При таком процессе фрезерования температура на поверхностях режущего лезвия выступает в качестве ограничивающего фактора, поскольку перегрев может привести к местному короблению конструкции [12–14]. Контроль температурного фактора в производственных условиях не представляется возможным, поэтому необходимо рассчитать рациональные режимы фрезерования, при которых температура резания не превышает допустимых значений [9, 15]. В связи с вышеизложенным возникает необходимость в разработке математической модели для высокоскоростного фрезерования алюминиевых сплавов, которая в первом приближении учитывает совместное влияние температуры, скорости деформации и величины деформации на изменение значения предела текучести обрабатываемого алюминиевого сплава. Полученная модель позволит рассчитать температуры на различных поверхностях режущего инструмента, а также температуру резания в условиях высокоскоростного фрезерования для случаев, где нет возможности применять СОЖ. Целью работы является разработка методики расчета температуры резания при высокоскоростном фрезеровании заготовок из алюминиевых сплавов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1) составить определяющее уравнение для удельной работы деформации при резании; 2) решить определяющее уравнение и найти его точки экстремума, которые являются источниками тепла; 3) вывести теоретические зависимости, позволяющие расчетным путем определить температуру в зоне резания при высокоскоростном фрезеровании заготовок из алюминиевых сплавов; 4) провести экспериментальные исследования по определению температуры резания при заданных параметрах; 5) сравнить полученные теоретические и экспериментальные данные и сделать вывод о точности прогнозирования температуры резания расчетным способом. Методика исследований Определяющее уравнение для расчета температуры представляет собой зависимость изменения предела прочности обрабатываемого материала от трех составляющих факторов, возникающих при резании (фрезеровании): температуры, деформации и скорости деформации. Каждый из этих факторов будет рассмотрен отдельно и обоснован. В условиях малых деформаций (например, при растяжении или сжатии) и незначительных
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 1 2024 40 ТЕХНОЛОГИЯ изменениях температуры и скорости деформации изменение предела текучести можно описать законом простого нагружения [16, 17]: 0 0 ( ) m T ⎛ ε ⎞ σ ε = σ ⎜ ⎟ ⎝ ε ⎠ , (1) где ε0 – деформация, соответствующая напряжению σ0; ε – текущее значение деформации; m – коэффициент деформационного упрочнения, равный 0,3Т ′ (где T ′ – гомологическая температура обрабатываемого материала). Однако уравнение (1) не может быть использовано для определения предела текучести для высокодинамичных процессов резания (к которым относится высокоскоростное фрезерование) ввиду того, что оно не учитывает влияния изменений температуры деформации и скорости деформации на изменение величины предела текучести. Кроме того, температура деформации и скорость деформации оказывают совместное влияние на изменение величины предела текучести, а не являются свободными множителями, как это утверждается в ряде работ [18, 19]. Влияние температуры и скорости деформации в различных уравнениях по моделированию изменения предела текучести учитывается введением соответствующих множителей. В частности, в настоящее время наиболее популярная модель пластичности Джонсона – Кука, определяющая поведение материала при упрочнении, учитывает влияние скорости деформации на изменение предела текучести с помощью коэффициента динамичности Кε [17, 20]. Однако в уравнении Джонсона – Кука коэффициент динамичности не зависит от изменения температуры [21], в то время как экспериментальные данные, полученные рядом ученых [16, 22, 23], подтверждают совместное влияние скорости деформации и температуры на коэффициент динамичности (рис. 1). На графике (рис. 1) представлены эмпирические результаты, описывающие влияние на значение коэффициента динамичности таких факторов, как скорость деформации и гомологическая температура, а также аппроксимированные для тех же условий значения для модели пластичности Джонсона – Кука [21]. В опытах скорость деформации изменялась в 1000 и 2000 раз, а изменение гомологической температуры достигалось за счет различных материалов обработки (медь, сталь, свинец, алюминий). Для исследования была выбрана группа алюминиевых сплавов Д16Т, АМг6 и 2024-Т3, поскольку они обладают близкими физическими свойствами и могут применяться для изготовления топливных баков в авиаракетостроительной отрасли. Проводимые в настоящем исследовании расчеты выполнялись на основе зависимостей изменения действительного предела прочности от температуры при высокотемпературных испытаниях алюминиевых сплавов (табл. 1) [18, 19]. На основании табл. 1 были построены графики зависимости изменения предела прочности от температуры испытания (рис. 2). Полученные графики были аппроксимированы с помощью экспоненциальной кривой с точностью 0,9351 для сплава Д16Т и 0,9544 для сплава АМг6М, что дает удовлетворительные результаты. Экспоненциальная экстраполяРис. 1. Зависимость коэффициента динамичности от гомологической температуры [21, 24] Fig. 1. Dependence of the dynamic factor on the homologous temperature [21, 24] По данным Розенберга–Еремина Модель Джонсона– Кука
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 1 2024 41 TECHNOLOGY Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Прочностные и температурные характеристики, полученные при испытаниях на монотонное растяжение образцов из алюминиевых сплавов Strength and temperature characteristics obtained during monotonic tensile tests of aluminum alloy specimens Материал (алюминиевый сплав) Температура испытания t, °C Предел прочности σb, МПа Относительное удлинение δ, % Действительный предел прочности Sb, МПа Приращение гомологической температуры Отношение действительного предела прочности при комнатной температуре к действительному пределу прочности при температурном испытании Д16Т* 20 460 19 523,6 0,31 1 150 380 19 452,2 0,45 0,86 200 330 11 366,3 0,5 0,7 250 220 13 248,6 0,56 0,47 300 150 13 169,5 0,61 0,32 АМг6М* 20 320 0,24 396,8 0,32 1 100 300 0,3 390 0,4 0,98 150 250 0,37 342,5 0,46 0,97 200 190 0,43 271,7 0,51 0,68 250 160 0,45 232 0,57 0,58 300 130 0,48 192,4 0,62 0,48 20 320 0,24 396,8 0,32 1 100 300 0,3 390 0,4 0,98 * Полуфабрикаты катаные (листы). а б Рис. 2. Изменение механических свойств алюминиевых сплавов Д16Т (а) и АМг6М (б) Fig. 2. Changes in the mechanical properties of aluminum alloys D16T (a) and AMg6M (б)
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 1 2024 42 ТЕХНОЛОГИЯ ция была выбрана в связи с тем, что уравнения с экспонентой проще интегрировать и дифференцировать, чем, например, уравнения с полиномиальной зависимостью (хотя полиноминальная интерполяция немного точнее), а линейная аппроксимация дает менее точные значения для сплава Д16Т и составляет 0,8971, а для сплава АМг6М практически не отличается от экспоненциальной и составляет 0,9318. Для данных зависимостей можно составить уравнение влияния температуры на предел текучести: 20 h T p b S e ′ − Δ τ = , (2) где Sb20° – значение действительного предела прочности при комнатной температуре; ∆Т ′ – приращение гомологической температуры; h – эмпирический коэффициент температурного разупрочнения. С учетом опыта других исследователей и основываясь на экспериментальных данных (рис. 1), можно записать уравнение для коэффициента динамичности с учетом температуры и скорости деформации в виде Δ ′ ε ⎛ ε ⎞ = ⎜ ε ⎟ ⎝ ⎠ 0 k T K , (3) где ε – текущее значение скорости деформации; 0 ε – минимальное значение скорости деформации; k – эмпирическая константа. Из вышеизложенного можно составить определяющее уравнение изменения предела текучести с учетом влияния деформации, скорости деформации и температуры: 0 0 m k T p h T b A e S Δ ′ ′ − Δ τ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ε ε = ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ε ε ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ; (4) p m h T p b A K e S ′ − Δ ε τ = ε , (5) где m p ε – множитель, отвечающий за деформационное упрочнение материала; Kε – коэффициент динамичности; h T e ′ − Δ – множитель, отвечающий за температурное разупрочнение материала; А – деформационный коэффициент; Sb – действительный предел прочности. Однако в уравнении (5) деформация, скорость деформации и температура выступают как три независимых фактора [21]. Так, например, изменения гомологической температуры можно достичь подогревом обрабатываемого материала, а изменения деформации – изменением геометрии режущего лезвия (передний угол). Поэтому использование такой формулы приведет к ошибкам, в связи с чем необходимо перейти от определяющего уравнения (5) к удельной работе. Удельная работа для процесса резания материалов вообще и для фрезерования алюминиевых сплавов в частности является наиболее удобным параметром, поскольку она объединяет зависимость предела текучести и приращение гомологической температуры [19, 25]: 0 u W p p A ε = τ ε ∫ , (6) где p τ – текущее значение предела текучести; p ε – текущее значение деформации; u ε – конечное значение деформации. В математическом аппарате для приближения вычислений наиболее удобно пользоваться дифференциальными уравнениями, в связи с чем необходимо заменить в уравнении (5) предел текучести на производную удельной работы по деформации: p W b p dA S d τ = ε . (7) Для упрощения расчетов примем, что в зоне стружкообразования имеются условия теплообмена, близкие к адиабатическим. Тогда с учетом данного приближения удельную работу деформации можно записать в виде W v A T c ′ = Δ , (8) где v c – удельная теплоемкость обрабатываемого материала. В силу формулы (8) часть уравнения (5), которая отвечает за температурный фактор, является функцией удельной работы деформации. Для нее справедливо равенство ( ) 1 W hA A W F A e − = , (9) где 1 b V S A C T = ïë – безразмерный комплекс. Теперь, когда определены все параметры, отвечающие за изменение предела текучести при
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 1 2024 43 TECHNOLOGY фрезеровании алюминиевых сплавов, можно записать определяющее уравнение в дифференциальном виде для определения удельной работы деформации: 1 W m hA A W p p dA AK e d − ε = ε ε . (10) Зависимость удельной работы от деформации при фрезеровании алюминиевых сплавов позволяет получить аналитическое выражение для построения кривой течения данных сплавов: 1 W m hA A W p p A AK e d − ε = ε ε . (11) Однако поскольку алюминиевые сплавы (в частности, Д16Т, АМг6М, 2024-Т3) практически не упрочняются при фрезеровании ввиду действия такого разупрочняющего фактора, как температура [19], то и построение аналитической кривой течения не имеет смысла. Тем не менее имеет смысл определить максимальные значения предела текучести, который достигается при фрезеровании [16, 17, 20, 21]. Для передней поверхности при высокоскоростном фрезеровании характерны гомологические температуры выше 0,5, в связи с чем графически (рис. 1, по данным Розенберга – Еремина) был определен коэффициент Kq = 1,8. Для задней поверхности (вблизи режущей кромки) характерны гомологические температуры от 0,3 до 0,35, в связи с этим также графически (рис. 1, по данным Розенберга – Еремина) был определен коэффициент динамичности Kε = 1,25. После составления определяющего уравнения для моделирования изменения свойств обрабатываемого материала в условиях высокоскоростного фрезерования можно перейти к расчету температур. Однако в настоящей работе термин «температура» нужно применять к той поверхности режущего лезвия (зуба), на которой эта температура возникает. В связи с этим нужно различать температуру, возникающую на различных участках режущего лезвия, в частности на передней и задней поверхностях, а также температуру, которая является следствием этих температур, – температуру резания [26]. Температура резания является результатом средних значений температур, возникающих на передней и задней поверхностях режущего лезвия, отнесенных к значению координат, на которых распределены эти температуры. Следует отметить, что при фрезеровании измерение температуры на передней и задней поверхности режущего лезвия весьма затруднено, поскольку зона резания спереди закрыта стружкой, а сзади – обрабатываемым материалом (заготовкой). Поэтому все измерения температуры будут сравниваться с температурой резания, т. е. с той температурой, которую замеряет тепловизор, для наблюдения за распределением температуры на исследуемой поверхности. Для расчета температуры резания нужно учесть достаточно большое количество факторов. Их можно разделить на факторы, которые относятся к обрабатываемому материалу, факторы, которые относятся к инструменту, и факторы, которые характерны для самого процесса резания (точения, фрезерования, сверления и др.). Необходимым и обязательным условием для расчета температуры при резании является введение в модель механических и физических свойств обрабатываемого материала. Эти свойства и характеристики для группы алюминиевых сплавов представлены в табл. 2 [18, 19]. Кроме того, для моделирования расчета температуры необходимо учесть геометрию режущего инструмента (передний угол γ, задний угол α, угол подъема винтовой канавки λ, периферийный угол ϕ). Не менее важно определиться со схематизацией процесса фрезерования (концевое, цилиндрическое, торцевое), а также учесть такие параметры, как глубина врезания e, отношение ширины фрезерования к диаметру фрезы и количество одновременно работающих зубьев. Так, например, изменение переднего угла γ приводит к изменению наклона условной плоскости сдвига, изменению отношения длины контакта к толщине срезаемого слоя и изменению деформации, что в конечном счете сказывается на изменении сил резания [24]. Изменение угла наклона режущей кромки (угла подъема винтовой канавки) и угла в плане (периферийного угла) приводит к изменению толщины и ширины срезаемого слоя, что тоже сказывается на силах резания: sin cos t b = ϕ ⋅ λ ; (12) ì sin cos z a S = θ ⋅ λ, (13)
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1