ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. Эффективность эксплуатации металлообрабатывающих инструментов во многом обусловлена работоспособностью их режущей части, повысить которую можно путем исследования ее напряженно-деформированного (НДС) и температурного состояния. Известные методы исследований НДС либо обладают низкой точностью, либо неприменимы для исследования в процессе работы инструментов, изготовленных из материалов, обладающих высокими механическими характеристиками. В свою очередь, исследование температурных полей с использованием известных методов вызывает большие трудности из-за малого размера рабочей зоны инструментов, высоких температур и большого температурного градиента, возникающих в процессе их работы. Цель работы: разработка новых экспериментальных методов исследования НДС и температурных полей режущего инструмента в процессе его работы с использованием лазерной интерферометрии. Методы включают в себя: получение интерференционных картин с помощью интерферометра оригинальной конструкции; регистрацию в процессе работы инструмента изменения полей поперечных деформаций его режущей части по соответствующим интерференционным картинам, полученным с помощью высокоскоростной видеосъемки; расшифровку картин с разделением полей деформаций, вызванных нагревом и контактными нагрузками; расчет полей температур и составляющих напряжений с использованием механических характеристик и температурного коэффициента линейного расширения инструментального материала. Преимущества разработанных методов: применимость при реальных условиях эксплуатации инструмента, возможность исследования нестационарных НДС и температур в процессе работы, высокое пространственное разрешение и малая предельная площадь исследуемой поверхности. Результаты и обсуждение. Экспериментальное исследование подтвердило работоспособность методов. Получены поля составляющих напряжений и температур при свободном точении заготовки из жаропрочной стали резцом из твердого сплава ВК8. Разработанные методы могут быть использованы при изучении работоспособности режущей части инструментов в условиях, приближенных к реальным, а также для получения граничных условий при исследовании НДС материала заготовки в зоне обработки.
Ефимович Игорь Аркадьевич
Золотухин Иван Сергеевич
1. Buryta D., Sowerby R., Yellowley I. Stress distributions on the rake face during orthogonal machining // International Journal of Machine Tools and Manufacture. ? 1994. ? Vol. 34, iss. 5. ? P. 721?739. ? DOI: 10.1016/0890-6955(94)90054-X.
2. Laakso S.V.A., Bushlya V., Ståhl J.-E. The correct way of splitting tools – Optimization of instrument design for measuring contact stress distribution // Procedia Manufacturing. ? 2018. ? Vol. 25. ? P. 97?102. ? DOI: 10.1016/j.promfg.2018.06.062.
3. Grédiac M., Sur F., Blaysat B. The grid method for in-plane displacement and strain measurement: a review and analysis // Strain. ? 2016. ? Vol. 52, iss. 3. ? P. 205–243. ? DOI: 10.1111/str.12182.
4. Stress field analysis in orthogonal cutting process using digital image correlation technique / Z. Dong, X.-M. Zhang, W.-J. Xu, H. Ding // Journal of Manufacturing Science and Engineering. ? 2017. ? Vol. 139. – P. 031001. ? DOI: 10.1115/1.4033928.
5. Ramesh K., Sasikumar S. Digital photoelasticity: recent developments and diverse applications // Optics and Lasers in Engineering. ? 2020. ? Vol. 135. ? DOI: 10.1016/j.optlaseng.2020.106186.
6. Isogimi K., Kitagawa T., Kurita H. Fundamental research of stress analysis in cutting tool by means of caustics method // Journal of the Japan Society for Precision Engineering. ? 1988. ? Vol. 54, iss. 2. ? P. 390?395. ? DOI: 10.2493/jjspe.54.390.
7. DHI contemporary methodologies: a review and frontiers / J.M. Flores-Moreno, M.D.L. Torre-Ibarra, M.D.S. Hernandez-Montes, F.M. Santoyo // Optics and Lasers in Engineering. ? 2020. ? Vol. 135. ? P. 106184. – DOI: 10.1016/j.optlaseng.2020.106184.
8. Laser speckle based digital optical methods in structural mechanics: a review / I.M. De la Torre, M.D.S. Hernandez-Montes, J.M. Flores-Moreno, F.M. Santoyo // Optics and Lasers in Engineering. ? 2016. ? Vol. 87. ? P. 32?58. ? DOI: 10.1016/j.optlaseng.2016.02.008.
9. Разумовский И.А. Интерференционно-оптические методы механики деформируемого твердого тела. ? М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. ? 240 с. ? ISBN 5-7038-2731-4.
10. Longbottom J.M., Lanham J.D. Cutting temperature measurement while machining – a review // Aircraft Engineering and Aerospace Technology. ? 2005. ? Vol. 77, iss. 2. ? P. 122?130. ? DOI: 10.1108/00022660510585956.
11. Komanduri R.A., Hou Z.B. Review of the experimental techniques for the measurement of heat and temperatures generated in some manufacturing processes and tribology // Tribology International. ? 2001. ? Vol. 34. ? P. 653?682. ? DOI: 10.1016/S0301-679X(01)00068-8.
12. Yoshioka H., Hashizume H., Shinno H. In-process microsensor for ultraprecision machining // IEE Proceedings – Science Measurement and Technology. ? 2004. ? Vol. 151, N 2. ? DOI: 10.1049/ip-smt:20040375.
13. On the measurement of temperature in material removal processes / M.A. Davies, T. Ueda, R. M’Saoubi, B. Mullany, A.L. Cooke // CIRP Annals. ? 2007. ? Vol. 56, iss. 2. ? P. 581?604. – DOI: 10.1016/j.cirp.2007.10.009.
14. Radiation thermometry applied to temperature measurement in the cutting process / J. Pujana, L. del Campo, R.B. Pérez-Sáez, M.J. Tello, I. Gallego, P.J. Arrazola // Measurement Science and Technology. ? 2007. ? Vol. 18, N 11. ? P. 3409?3416. ? DOI: 10.1088/0957-0233/18/11/022.
15. A calibrated dual-wavelength infrared thermometry approach with non-greybody compensation for machining temperature measurements / A. Hijazi, S. Sachidanandan, R. Singh, V. Madhavan // Measurement Science and Technology. ? 2011. ? Vol. 22, N 2. ? P. 1?13. ? DOI: 10.1088/0957-0233/22/2/025106.
16. Magunov A.N. Laser thermometry of solids. – Cambridge: Cambridge International Science Publishing, 2006. ? 240 p. ? ISBN 978-1-904602-12-5.
17. A review of measurement techniques for the thermal expansion coefficient of metals and alloys at elevated temperatures / J.D. James, J.A. Spittle, S.G.R. Brown, R.W. Evans // Measurement Science and Technology. ? 2001. ? Vol. 12. – P. R1–R15. ? DOI: 10.1088/0957-0233/12/3/201.
18. Goryainov V.V., Popov M.I., Chernyshov A.D. Solving the stress problem in a sharp wedge-whaped cutting tool using the quick decomposition method and the problem of matching boundary conditions // Mechanics of Solids. ? 2019. ? Vol. 54, N 7. ? P. 1083–1097. ? DOI: 10.3103/S0025654419070094.
19. Analytical model of temperature distribution in metal cutting based on potential theory / F. Klocke, M. Brockmann, S. Gierlings, D. Veselovac // Mechanical Sciences. ? 2015. ? Vol. 6. ? P. 89?94. ? DOI: 10.5194/ms-6-89-2015.
20. Recent advances in modelling of metal machining processes / P.J. Arrazola, T. Özel, D. Umbrello, M. Davies, I.S. Jawahir // CIRP Annals. ? 2013. ? Vol. 62, iss. 2. ? P. 695?718. ? DOI: 10.1016/j.cirp.2013.05.006.
21. Безъязычный В.Ф., Счерек М. Развитие исследований тепловых процессов в технологии машиностроения // Записки горного института. ? 2018. ? Т. 232. ? С. 395?400. ? DOI: 10.31897/PMI.2018.4.395.
22. Mathematical modelling of cutting process system / J.J. Olt, A.A. Liyvapuu, O.O. Liivapuu, V.V. Maksarov, T.T. Tärgla // Engineering Mathematics I. ? Cham: Springer, 2016. ? P. 173?186. ? (Springer Proceedings in Mathematics and Statistics; vol. 178). – DOI: 10.1007/978-3-319-42082-0_11.
23. Патент 2436039 Российская Федерация, МПК G 01 B 11/16 (2006.01). Способ исследования деформации режущего инструмента в процессе резания / И.А. Ефимович, Е.И. Швецова. ? № 2010134541/28; заявл. 18.08.2010; опубл. 10.12.2011, Бюл. № 34.
24. Патент 2442967 Российская Федерация, МПК G 01 K 5/48, B 23 Q 11/00 (2006.01). Способ определения температурных полей в режущей части инструмента в процессе резания / И.А. Ефимович, И.С. Золотухин, Е.И. Швецова. ? № 2010134543/28; заявл. 18.08.10; опубл. 20.02.12, Бюл. № 5.
25. Патент 151653 Российская Федерация, МПК G 01 B 11/16 (2006.01). Интерферометрическая установка / И.А. Ефимович, И.С. Золотухин, В.И. Ефимович. ? № 2014138554/28, заявл. 23.09.2014; опубл.10.04.15, Бюл. № 10.
26. Ефимович И.А., Золотухин И.С., Завьялов Е.С. Температурный коэффициент линейного расширения вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). ? 2019. ? Т. 21, № 3. ? С. 129?140. ? DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.3-129-140.
Ефимович И.А., Золотухин И.С. Исследование напряженно-деформированного и температурного состояния режущей части инструмента с использованием лазерной интерферометрии // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2021. – Т. 23, № 4. – С. 79–92. – DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.4-79-92.
Efimovich I.A., Zolotukhin I.S. Study of the stress-strain and temperature fields in cutting tools using laser interferometry. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2021, vol. 23, no. 4, pp. 79–92. DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.4-79-92. (In Russian).
