Современное состояние и тенденции развития моделирования процессов механической обработки, страница 17

В этих зависимостях процесс образования стружки является основной проблемой, поскольку повреждаемость инструмента будет зависеть от величины и изменения температуры и напряжений. Качество обработанной поверхности также зависит от процесса стружкообразования.

Рис. 8 Факторы, оказывающие важное влияние на показатели процесса резания

Поразительный прогресс в области компьютерного оборудования и программного обеспечения казывает на возможность прогнозирования этих сложных явлений посредством их имитации методом конечных элементов. Поскольку процесс образования стружки связан с большими пластическими деформациями и разрушением при высоких температурах и скоростях деформаций, исследование процесса (стружкообразования) должно основываться на теории пластичности дополненной анализом температур. Поскольку теория дает зависимости между напряжениями и деформациями, решение которых выполняется методом последовательного счета (in an incremental manner), процесс стружкообразования должен меоделироваться с самого его начала за исключением отдельного случая стационарного процесса образвоания сливной стружки.

Для случая больших пластических деформаций построение модели основывается на модифицированом методе Лагранжа с эйлеровской зависимостью между напряжениями и деформациями (3) по [[110]], где представлена геометрическая нелинейность возникающая из-за изменений формы и ослаблено ограничение на несжимаемость в области деформаций.

,                                         (3)

где ,  - вектора узловых сил и скоростей соответственно;  - исходная матрица жесткости;  - геометрическая матрица жесткости;  - корректирующая матрица по нагрузке;  - вектор узловой нагрузки, вызванной объемным температурным изменением. Распределение температур может легко быть совместно рассчитано также методом КЭ.

4.4.2 Некоторое трудности, возникающие при имитации

В процессе резания обрабатываемый материал разделяется перед режущей кромкой. Для того чтобы имитировать процесс резания, должет быть разработан критерий для этого являения, такой как  критерий максимума напряжений/деформаций или геометрический критерий. Последний кажется предпочтительным поскольку в реальном процессе резания обрабатываемый материал неизбежно разделяется на режущей кромке и это являение не зависит от обрабатываемости обрабатываемого материала. Поэтому на современном этапе геометрический метод  разделения (рис. 9) считается наиболее эффективным для материалов, хорошо поддающихся обработке (ductile materials). [[111]].

Рис. 9 Геометрический критерий разделения (geometrical parting criteria)

Подробные (good) данные по физическим свойствам являются неотемлемой частью исходных данных для этих исследований. Поскольку материал в процессе резания подвергается воздействию больших пластических деформаций и высоких температур при больших скоростях изменения деформаций и температур, характеристики напряжений течения должны быть определены при этих условиях. Уравнение (4) отражает характеристику текучести полученную методом кручения тонкостенных стержней Гопкинсона [[112]][КДВ74] .

                                                          (4)

 где  - влияние скорости деформации и температуры при деформировании[КДВ75] .

Режимы трения между стружкой и передней поверхностью инструмента являются неотъемлемыми граничными условиями для определения стружкообразования. Этот режим изменяется от сильно нагруженных около режущей кромки до легких нагрузок там, где стружка отрывается от инструмента. Хорошо известно,  что эти режимы не подчиняются кулоновскому закону терния. Уравнение (5) представляет пример нелинейной характеристики трения.

                                                      (5)

 где t_t и s_t – касательные и нормальные напряжения на передней поверхности; k – предел текучести по касательным напряжениям и m - константа материала [[113]]. При выборе критерия разрушения материала стружки[КДВ76]  тип стружки и пилообразный процесс ее образования может быть реализован так, как это показано на рис. 10 [[114]].  Тем не менее, следует отметить, что это не тот тип стружки, который образуется в реальном процессе. Фундаментальные основы имитирования должны быть адаптированы к реальному механизму образования стружки [75, 97].

Рис. 10 Расчетная картина образования сегментной стружки

Оценка стойкости выполняемая по износу и разрушаемости является неотемлемым этапом для выбора режимов резания или планирования производственной системы. Для твердосплавного инструмента используемого для точения сталей кратерный износ и, иногда, износ по задней поверхности является температурно обусловленым. Было предложено, что объемная величина износа на еденице длины или площади скольжения  зависит от температуры и напряжений s_t:

                                                       (6)

где С₁ и С₂ – характеристические константы, q - абсолютная температура.

Поскольку большинство режущих инструментов используемых в различных сферах современного производства выполнены из хрупких материалов, может возникнуть хрупкое разрушение со стахостическими свойствами. Критерий напряжений макроскопического разрушения (macroscopic brittle stress criterion) в условиях трехмерного напряженного состояния был предложен Б. Паулом (B. Paul) и др. На него было наложено вероятностное распределение Вейбулла (Weibull) (рис. 11) [[115], [116]]. Величина разрушающих напряжений сильно зависит от температуры, напряжений и срока эксплуатации [[117]]. Стойкость инструмента при выбранных режимах рещания может теперь быть оценена на основе указанной ранее характеристики ((6) и рис. 11) инструментального материала используя полученные распредеделния напряжений и температуры в инструменте полученные при имитации.

Рис. 11 Статистический критерий хрупкого разрушения

4.4.3 Будущее вычислительной механики систем механической обработки