Исследование напряженно-деформированного и температурного состояния режущей части инструмента с использованием лазерной интерферометрии

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

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.

Об авторах

И. А. Ефимович

Email: egor_kosin@mail.ru
канд. техн. наук, доцент, Тюменский индустриальный университет, ул. Володарского 38, г. Тюмень, 625000, Россия, egor_kosin@mail.ru

И. С. Золотухин

Email: zolotuhinis@tyuiu.ru
Тюменский индустриальный университет, ул. Володарского 38, г. Тюмень, 625000, Россия, zolotuhinis@tyuiu.ru

Список литературы

  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.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».