книги / Обработка резанием с вибрациями книга

3)диспергирующее воздействие в зоне стружкообразовання;

4)повышение эксплуатационных характеристик, по­ лученных в результате 'механической обработки деталей за счет химической защиты, образующейся в процессе

резания поверхности и при определенных условиях ее упрочнения; ,

5) смывающее действие жидкости, обеспечивающее удаление стружки из зоны резания.

Воздействие всех этих факторов СОЖ значительно увеличивается при наличии вибраций, особенно если они изменяют характер резания с непрерывного на прерыви­ стый. Оно обусловлено прежде всего надежным перио­ дическим омыванием режущего клина инструмента, про­ исходящим во время его выхода из обрабатываемого ма­ териала, что резко увеличивает интенсивность смазываю­ щего, охлаждающего и диспергирующего действия СОЖДополнительной причиной улучшения этих трех видов воздействий СОЖ является происходящее при резании с вибрациями высоких частот, особенно ультразвуковых, распыление СОЖ. Кроме того, СОЖ может служить сре­ дой, улучшающей по сравнению с воздухом проникно­ вение вибрационного воздействия инструмента в зону резания. Резание с осевыми вибрациями характеризует­ ся образованием дробленой стружки, что улучшает до­ ступ СОЖ в зону резания на операциях обработки от­ верстий. Таким образом, в этом случае улучшаются оба фактора — попадание СОЖ йа контактные площадки инструмента с обрабатываемым металлом и подача СОЖ в зону резания. Образование дробленой стружки улучшает смывающее действие СОЖ.

Выбор оптимального состава СОЖ Для типовых опе­ раций механической обработки с вибрациями опреде­ ляется двумя факторами. Первым из них являются фи­ зико-химические свойства СОЖ, выражающиеся глав­ ным образом в способности образовывать на поверхно­ стях трения смазочные слои; вторым — надежность про­ никновения СОЖ на контактные поверхности. Зона кон­ такта стружки с передней поверхностью инструмента со­ стоит из двух зон — зоны пластического контакта, рас­ полагающейся вблизи режущей кромки, и зоны упруго­ го контакта твердой отдеформированной стружки с пе­ редней поверхностью. Изучение условий контакта в

ЭТИХ Двух зонах Приводит к выводу о невозможности ре­ гулярного проникновения значительных частиц жидкости или ее паров на площади трения в зоне пластического контакта. Это в первую очередь относится к случаю, когда отсутствует развитый нарост или опережающая трещина.

Иначе обстоит дело в зоне упругого контакта. Ми­ кроскопические исследования показывают наличие микрокапиллярной сети в этой зоне. 'Анализ скоростей те­ чения жидкой или газообразной среды по этим капил­ лярам приводит к заключению о возможности проник­ новения частиц окружающей среды на некоторую часть контактной площадки. Однако эта глубина при обычном резании незначительна и зависит от скорости схода стружки и вязкости среды. При вибрационном резании условия для проникновения внешней среды на контакт­ ные площадки резко меняются; рабочие грани при выхо­ де из контакта с обрабатываемым материалом полно­ стью охватываются окружающей средой. Течение этих явлении в этом случае уже не зависит от вязкости жид­ кости.

Рассмотрим явления, происходящие при периодиче­ ском соприкосновении окружающей среды с нагретыми режущими гранями. Если окружающая среда содержит поверхностно-активные полярные молекулы, то они дол­ жны образовывать адсорбционные слои. Однако высо­ кая температура приведет к десорбции (разрушению) этих слоев и интенсивному химическому взаимодейст­ вию. Из теории химической taffletHKH известно, что по­ вышение температуры на каждые 10° дает увеличение скорости химических реакций в 2—3 раза. Если принять, что на выходе из контакта с обрабатываемым металлом режущие грани нагреты до 300° С, а температурный коэффициент реакции равен 2, то скорость этих реакций будет в 228 раз Дольше, чем при температуре 20° С. Другими словами, ничтожно малого промежутка време­ ни, в течение которого происходит контактирование ра­ бочих граней инструмента с окружающей средой при пре­ рывистом резании с вибрациями, с избытком хватает на образование мощного смазочного слоя.

Однако не все смазочные пленки могут выдержать высокую температуру. Металлические мыла жирных кислот, снижая коэффициент трения металлических по­

верхностей до ц=0,05, плавятся при температуре 160—

Снижение сил трения нельзя объяснять только внеш­ ним смазочным действием; наряду с этим уменьшается и внутреннее трение в деформируемом при резании ме­ талле за счет локализации пластической деформации в тончайшем приповерхностном слое (адсорбционное пла­ стифицирование). Это происходит в том случае, когда сопротивление сдвигу образующего стружку материала понижается под действием поверхностно-активных ве­ ществ до величины, меньшей напряжения внешнего тре­ ния.

Специфика кинематики резания с вибрациями поз­ воляет применять СОЖ, обладающие более сильным физико-химическим действием. Если при резании без вибраций в микроскопические зазоры между отдеформированной стружкой и передней гранью могут прони­ кать (и то не всегда) лишь частицы молекулярного по­ рядка, то при резании с вибрациями в зону контакта могут поступать частицы, размер которых определяется десятками и сотнями микрон. Поэтому при этом методе обработки можно успешно использовать не только жид­ кие и газообразные смазочно-охлаждающие среды, но и суспензии, в состав которых входят твердые, например металлические, частицы, обладающие лучшими смазоч­ ными свойствами при повышенных давлении и темпера­ туре *.

Полная экранация контактных площадок инструмен­ та смазочными пленками существенно облегчает реза­ ние. Помимо того, смазочные пленки являются хоро­ шими тепловыми и электрическими изоляторами. Вслед­ ствие этого при резании не только уменьшается генери­ рование тепла, но и происходит защита режущих гра­ ней от воздействия тепла и резко уменьшается электри­ ческий ток в цепи заготовка — инструмент. Пара заготовка — инструмент образует термоэлемент, и про­ текающий в ней ток существенно снижает стойкость режущего инструмента.

1 Ластунов В. А., Подураев В. Н., Вейлер С. Я. Способ по­ лучения СОЖ* обеспечивающий увеличение стойкости путем введе­ ния в жировую основу порошков легкоплавких металлов. Автор­ ское свидетельство Ms 185599, кл23с.

самым судить о присутствии смазочной пленки, о ее проч­ ности на истирание в каждой точке пути резания. Из данных рис. 53 видно, что усадка стружки резко изме­ няется по длине пластины: сначала она мала, что объ­ ясняется интенсивным действием смазочных пленок, за­ тем возрастает (происходит постепенное разрушение смазочной пленки), далее достигает определенной вели­ чины н не меняется Расстояние от начала резания до

Длина среза

Рис 54 Оценка степени диспергируемого действия СОЖ на изме­ нение усадки стружки по длине среза при строгании пластин Спо­ собы нанесения СОЖ — олеииовой кислоты

с — на рабочие поверхности инструмента в избыточном количестве с одно­ временным поливом зоны резания, б — на рабочие поверхности — в виде тон кого слоя, в — СОЖ наносилась только на верхнюю плоскость обрабатывае­ мой пластины в виде полоски, отступающей от краев на 0t5 Мм\ рабочие по­ верхности инструмента сухие; г — без СОЖ

перехода рассматриваемой зависимости в прямую ли­ нию соответствует времени действия смазочной пленки данного состава. При резании без смазки также проис­ ходит некоторое снижение усадки на начальном участке, что объясняется адсорбцией поверхностно-активных ве­ ществ из воздуха и действием окисной пленки.

Данные рис. 54 позволяют ответить на один из ос­ новных неясных в настоящее время вопросов о механиз­ ме действия СОЖ — существует ли диспергирующее дей­ ствие СОЖ? Для этого сравнивались результаты раз­ личных способов подачи СОЖ к месту резания, при этом одна из кривых построена здесь по данным, полученным при нанесении полоски поверхностно-активного вещест­ ва (олеиновой кислоты) на верхнюю площадку обраба­ тываемого образца таким образом, что смазка не имела возможности проникнуть на контактирующие участки ре­ жущих граней. На рис. 54 видно, что диспергирующее

действие СОЖ имеет место, одиако для наших усло­ вий резания оно незначительно. Значительно большей поверхностной активностью, нежели органические веще­ ства, обладают металлы и металлические сплавы в жид­ ком состоянии. Количественное изменение поверхност­ ной активности внешней среды в этом случае приводит к качественному изменению механизма действия. Если органические поверхностно-активные вещества облегча­ ют резание за счет пластифицирования металла, то жид­ кие металлы действуют путем охрупчивания зоны де­ формации при резании. Механизм этого явления по­ дробно изучен в работах ИФХ АН СССР и заключается, как и в случае органических поверхностно-активных ве­ ществ, в изменении условий перемещения дислокаций. Из рис. 53 и 54 видно, что смазочное действие СОЖ, характеризуемое изменением усадки стружки по длине среза, невелико. В то же время абсолютные значения коэффициента усадки стружки говорят об исключитель­ но большом диспергирующем влиянии этой среды.

Вторым важнейшим фактором, определяющим эф­ фективность действия СОЖ, является надежность ее попадания к месту резания и проникновения ее затем непосредственно на контактные площадки инструмента со стружкой и поверхностью резания Надо отметить, что этот механизм проникновения жидкостей в зону ре­ зания крайне плохо изучен. Некоторые исследователи утверждают, что жидкость может попадать в зону ре­ зания при обычном резании по канавкам микронеровно­ стей (H. Н. Зорев), через микротрещины в зоне стружкообразования (А. Я- Яковлев) и вследствие высоко­ частотной вибрации станка. Однако эти способы подачи СОЖ, по-видимому, являются малоэффективными.

При обычном резании мельчайшие частицы нароста периодически отрываются — уносятся стружкой. В мо­ мент отрыва частиц нароста в микрополостях обра­ зуется вакуум; в него с боковых сторон затягивается СОЖ. Этот механизм попадания СОЖ, установленный А. И. Исаевым, сильно интенсифицируется при резании с вибрациями, что объясняется резким увеличением интенсивности периодического уноса частиц нароста из зоны резания, а также улучшением доступа СОЖ, в зону вакуума вследствие дополнительного смещения контактных поверхностей.

Определенное значение в механизме попадания СОЖ 'в зону резания занимает капиллярное явление. Так, É. Дж. Крэбехер показал микросъемкой зоны сопри­ косновения стружки с передней поверхностью инстру­ мента при мгновенной остановке резания, что СОЖ заполняет капиллярную сеть, образующуюся между стружкой и инструментом. Проникновение жидкости по капиллярным полостям и микронеровностям под­ тверждается также высокоскоростной киносъемкой про­ цесса резания. Вибрации в процессе резания способ­ ствуют увеличению количества микротрещин-капилляров в зоне резания и облегчают движение СОЖ по ним. Роль капилляров в зоне резания выполняют многочис­ ленные макро- и микротрещииы, образующиеся в зоне опережающих деформаций. В работе Мерчента приво­ дится микрошлиф сечения капиллярного отверстия, Хейном выполнены расчеты количества жидкости, кото­ рая может проникнуть через капилляры. £ . Г. Конова­ ловым [14] показаны недостатки подобных расчетов, не учитывающих зависимости капиллярного эффекта от температуры. Высота подъема жидкости по капилляр­ ным трубкам h тем больше, чем больше коэффициент

поверхностного натяжения а, меньше плотность жидко­ сти р и радиус капилляра г:

h ~ .

— РВГ

Сила избыточного давления Рк> возникающая вслед­

ствие искривления поверхности жидкости и обусловли­

где R — радиус кривизны мениска жидкости.

Отсюда видно, что одним из основных факторов, оп­ ределяющих силу Рк и высоту подъема жидкости А,

является поверхностное натяжение; его величина согла­

Таким образом, эффективность попадания СОЖ й/ зону опережающих деформаций при резании под действ вием капиллярных сил падает с ростом температуры в зоне микротрещины, при этом в зоне высокой темпера­ туры, равной и больше критической, она обращается в пуль; она зависит также от соотношения скоростей, ре­ зания н капиллярного движения. Поэтому капиллярный

Рис. 55. Схема (с) и результаты (б) экспериментов по определению влияния вибраций на капиллярный эффект для сухого (/) н пред­ варительно смоченного (2) капилляра

эффект наиболее эффективно воздействует на процесс резания путем попадания СОЖ в слой металла, обра­ зующий поверхность резания и снимаемый на последу­ ющем проходе.

Исследование влияния низкочастотных вибраций на скорость капиллярного течения проводилось на гид­ равлическом вибростенде конструкции МВТУ им. Бау­ мана [30]. При экспериментах стеклянная трубка 3 (рис. 55, а) с капиллярным каналом диаметром 0,8 мм

и нанесенной на нее шкалой устанавливалась при по­ мощи угольника 2 на стол / вибростенда. При нажатии на рычаг 5 кювета 4 с исследуемой жидкостью (вере­

тенным маслом) приподнималась и нижний конец труб­ ки 3 погружался в жидкость на некоторую глубину,

постоянную для всех опытов. Под действием капилляр­ ных сил жидкость устремлялась вверх по каналу. Вы­ сота подъема фиксировалась визуально, время подня­ тия— по секундомеру. Средняя скорость капиллярного

течения жидкости для различных параметров вибраций вычислялась как частное от деления высоты капилляр­ ного подъема на время подъема до этой высоты (рис. 55, б). Во всех опытах фиксировалось время ка­ пиллярного подъема на высоту 12 мм, Эксперименты

проводились па различных частотах и амплитудах. В опытах изменялось и состояние поверхности капил­ ляра: в одном случае капилляр был промыт этиловым спиртом и высушен, в другом — предварительно смочен веретенным маслом.

Таблица 17

Зависимость средней скорости капиллярного движения жидкости \мм}сек\ от режимов вибреций

и ’состояния ]сте«ок капилляров

Из табл. 17 видно, что скорость течения жидкости увеличивается при наложении на капилляр колебаний в осевом направлении; наибольшая скорость наблюда­ лась при работе с смоченным капилляром. При посто­ янном ускорении, обусловленном вибрационным движе­ нием, увеличение частоты вибраций практически не из-* меняет скорость капиллярного течения. Следовательно, основным параметром, определяющим повышение интен­ сивности капиллярного движения, является ускорение колебательного движения. Из табл. 17 видно, что эти величины связаны прямо-пропорциональной зависимо­ стью.

Исследования воздействия вибраций ультразвуковой частоты на капиллярный эффект проводились Ц4] на трех видах СОЖ: воде, эмульсии на основе товарного солидола, машинном масле Л. Сначала фиксировалась

высока подъема по трубке без вибраций, затем после 40—60 мин, когда подъем жидкости прекращался, вклю­

чался вибратор; температура сохранялась постоянной (20° С).

Таблица 18

Влияние вибраций ультразвуковой частоты на капиллярный аффект

В табл. 18 приведены результаты экспериментов, где ДА— разность высот подъема СОЖ под действием вибраций и без них, — средняя скорость движения

жидкости за счет капиллярных сил без вибраций и

— средняя скорость .движения жидкости за счет виб­

раций. Из таблицы видно, что под воздействием вибра­ ций СОЖ поднимается по капиллярам значительно выше, причем при снижении вязкости жидкости эта разность возрастает. Наряду с этим вибрации резко по­ вышают средние скорости движения жидкости: при сравнении воздействия капиллярных сил и вибраций увеличение в 4—6 раз, а при совмещении капиллярного

эффекте как высота, так и скорость подъема жидкости зависят от краевого угла — угла смачивания; он оп­ ределяется соотношением между адгезией жидкости к твердому телу и когезией самой жидкости.

Установлено, что при натекании жидкости краевой