книги / Резание материалов
..pdfв химические реакции с материалами стружки и инструмента, образуют на площадке контакта промежуточный слой из химических соединений. Поверхностно-активные жидкости образуют на площадке контакта промежуточный смазочный слой. Применение обеих групп жидкостей снижает средний коэффициент трения, но больший эффект дают химически активные жидкости.
Средние коэффициенты трения при резании стали марки 20Х с различными смазочно-охлаждающими жидкостями ( = 20°; а = 0,2 мм; V = 0,75 м/мин) следующие: = 0,36 – вода и олеиновая кислота; = 0,19 – четыреххлористый углерод; = 0,77 – без жидкости.
При повышении температуры на передней поверхности и среднего нормального контактного напряжения эффект от применения смазочно-охлаждающей жидкости снижается, и средний коэффициент трения становится больше.
Необходимо отметить, что средний коэффициент трения, рассчитанный по закону трения Амонтона, при резании только условно может считаться коэффициентом трения скольжения. По закону Амонтона коэффициент трения скольжения является константой контактирующих пар, зависящей от природы и состояния поверхностей трущихся тел. Он мало или совсем не зависит от размеров площадки контакта и скорости относительного перемещения. В то же время средний коэффициент трения при резании для пары «обрабатываемый и инструментальный материалы» очень сильно реагирует на изменение условий резания (толщины срезаемого слоя, скорости резания и переднего угла), увеличиваясь или уменьшаясь при изменении указанных факторов в широких пределах. Величина средних коэффициентов трения при резании доходит до очень высоких значений (1,2…2), не свойственных сухому трению скольжения. Таким образом, средний коэффициент трения при резании ни по величине, ни по физическому смыслу, ни по закономерностям изменения не совпадает с коэффициентом внешнего трения и не является константой трущихся пар.
Специфическое поведение коэффициента трения при резании связано с двоякой природой трения на передней поверхности. Из-
121
за наличия двух участков трения (пластического и упругого контакта) средний коэффициент трения нельзя отождествлять ни с коэффициентом внутреннего трения при пластическом течении материала, ни с коэффициентом внешнего трения.
Трение при резании значительно лучше описывается двучленным законом трения Б.В. Дерягина. Согласно молекулярно-механи- ческойтеории трениясила трения выражается зависимостью
F = o(N + No),
где N – нормальная сила; No = poso – равнодействующая сил молекулярного притяжения между трущимися поверхностями; po – сила молекулярного притяжения, действующая на единице площади действительного контакта; so – площадь истинного контакта соприкасающихся тел; o – «истинный» коэффициент трения, зависящий от молекулярно-атомной шероховатости поверхностей.
Используя двучленный закон трения, М.Б. Гордон предложил формулу для определения среднего коэффициента трения при резании:
F = oN + oNo,
где oN = A; А – часть силы трения, обусловленная действием силы адгезии между трущимися поверхностями, зависящая от условий резания. Тогда F = oN + A.
Средний коэффициент трения при резании, равный отношению средней силы трения к средней нормальной силе,
= o + A/N.
Поскольку
A = F сb; N = Nсb,
то
= o + F/ N.
Отношение F/ N = A средних контактных касательного и нормального напряжений может быть названо адгезионной составляющей среднего коэффициента трения. Тогда
122
= o + A.
Таким образом, средний коэффициент трения при резании состоит из постоянной механической составляющей o и переменной адгезионной составляющей A, уменьшающейся при увеличении среднего контактного нормального напряжения. Через свою адгезионную составляющую коэффициент A реагирует на изменение условий резания (толщины срезаемого слоя, скорости резания и переднего угла). Все те факторы, которые уменьшают адгезионную составляющую, снижают величину среднего коэффициента трения. При резании с применением поверхностноактивных и химически активных смазочно-охлаждающих технологических сред адгезионное взаимодействие между стружкой и инструментом отсутствует, адгезионная составляющая равна нулю и средний коэффициент трения становится постоянным, не зависящим от условий резания.
2.3.2. Процесс наростообразования
Резанию большинства конструкционных материалов при определенных условиях сопутствует явление, называемое наростообразованием. Под наростом понимают клиновидную, более или менее неподвижную область сдеформированного материала обрабатываемой заготовки, расположенную у лезвия инструмента перед его передней поверхностью. Если образуется сливная стружка, то при определенных условиях нарост может достаточно прочно присоединиться к передней поверхности, оставаясь на ней и после прекращения резания (рис. 82, а, б). Нарост обладает высокой твердостью и может выполнять роль режущего клина – срезать слой стружки с заготовки.
Рассмотрение микрошлифов корней стружек показывает, что нарост имеет характерное слоистое строение, причем закругленная вершина нароста соединена со стружкой и срезаемым слоем.
Рентгеноструктурный анализ нароста показал, что в его составе помимо деформированного материала срезаемого слоя присутствуют окисные пленки. Твердость нароста в 2,5…3 раза превосходит твердость обрабатываемого материала, из которого на-
123
рост образовался. Форму и размеры нароста можно характеризовать тремя основными параметрами: высотой Н, шириной подошвы l и углом ф. Закругленная вершина нароста свешивается над задней поверхностью инструмента. Нарост изменяет передний угол в сторону увеличения ф . Стружка сходит не по передней поверхности, а по наросту.
а |
б |
Рис. 82. Схема строения нароста (а) и фотография микрошлифа нароста (б)
С помощью высокочастотной киносъемки было установлено, что нарост не является полностью стабильным телом, а постоянно и чрезвычайно быстро изменяет свои размеры. В сотые доли секунды нарост возникает, увеличивает свою высоту до максимальной, а затем частично или полностью разрушается.
Частота возникновения и срывов нароста растет с увеличением скорости резания и при V = 40…60 м/мин составляет
4000…6000 циклов в 1 мин (рис. 83).
По экспериментальным данным проф. Н.С. Штейнберга, полученным в 1947 году, за 1 с резания происходит 100–250 срывов нароста.
В наросте различают следующие зоны (см. рис. 82, а): зону 1, где скорость движения материала изменяется от нуля до скорости движения стружки, и зону 2, где материал полностью неподвижен. Вследствие клиновидной формы и твердости, более высо-
124
кой, чем твердость обрабатываемого материала, нарост какое-то время выполняет функцию режущего клина, и образующаяся стружка вначале перемещается не по передней поверхности инструмента, а по наросту. Из-за того, что вершина нароста свешивается за лезвие инструмента, действительная толщина срезаемого слоя становится больше номинальной на величину а.
Рис. 83. Влияние скорости резания V на частоту n разрушений нароста в 1 мин
Физическая природа наростообразования чрезвычайно сложна и до настоящего времени полностью не изучена. Однако в трудах ряда ученых установлено, что для образования нароста необходимы следующие условия: 1) передняя поверхность инструмента на некоторой части площадки контакта должна быть полностью очищена от адсорбированных масляных и окисных пленок; 2) температура и нормальные контактные напряжения на передней поверхности должны быть такими, при которых в контактном слое стружки создается напряженное состояние, соответствующее невыполнению условия пластичности.
Процесс образования нароста схематично можно представить следующим образом. На ювенильных (химически чистых) поверхностях стружки и инструмента при определенных температуре и давлении создаются условия для адгезионного схватывания (соединения) материалов стружки и инструмента. В результате сил адгезии (сил молекулярного прилипания) происходит прочное присоединение контактного слоя стружки к передней поверхности
125
и образование заторможенного слоя, служащего фундаментом для нароста. При скольжении стружки по заторможенному слою происходит аналогичное схватывание и образование следующего слоя нароста, приводящее к увеличению его высоты. Вследствие большей шероховатости образовавшегося слоя создаются благоприятные условия для проникновения кислорода воздуха и его диффундирования в поверхностные слои материала. Окисные пленки уменьшают трение между стружкой и поверхностью нароста, а поэтому каждый следующий нарощенный слой становится короче предыдущего и нарост приобретает клиновидную форму. Высота нароста растет до тех пор, пока его прочность не станет недостаточной для восприятия нагрузки со стороны стружки, и нарост разрушается. Разрушению нароста способствует и то, что после достижения им определенной высоты стружка не полностью облегает нарост, а между наростом, стружкой и поверхностью резания появляются зазоры, в результате чего тело нароста перестает находиться в условиях всестороннего сжатия.
βфакт |
|
|
А |
||
|
|
|
β1
Рис. 84. Изменение угла сдвига 1 и процесса пластического деформирования
стружки при образовании нароста
Обычно нарост разрушается не весь, а только его верхняя, менее прочная область. Одна часть разрушенного нароста уносится стружкой, а вторая – поверхностью резания. После разрушения нарост вновь возрастает до предельной для конкретных
126
условий резания высоты, опять разрушается и т.д. Изменение переднего угла приводит к изменению деформационных процессов в зоне стружкообразования. При этом фактический угол сдвига 1 увеличивается, а процесс пластического деформирования стружки замедляется (рис. 84).
2.3.3. Влияние условий обработки на высоту нароста
На размеры нароста основное влияние оказывают род и механические свойства обрабатываемого материала, скорость резания, толщина срезаемого слоя (подача), передний угол инструмента и род применяемой смазочно-охлаждающей жидкости. Все материалы можно разделить на не склонные и склонные к наростообразованию. К первым можно отнести медь, латунь, бронзу, олово, свинец, большинство титановых сплавов, белый чугун, закаленные стали, легированные стали с большим содержанием
хрома и никеля; ко вторым – |
|
|||
конструкционные, углероди- |
|
|||
стые и большинство легиро- |
|
|||
ванных сталей, серый чугун, |
|
|||
алюминий, силумин. Если |
|
|||
материал склонен к наросто- |
|
|||
образованию, то размеры на- |
|
|||
роста Н |
возрастают |
при |
|
|
уменьшении твердости и по- |
Рис. 85. Влияние скорости |
|||
вышении |
пластичности |
ма- |
||
резания и твердости заготовки |
||||
териала (рис. 85) и при более |
||||
на высоту нароста |
||||
высоких скоростях резания.
Наиболее сложно на размеры нароста влияет скорость резания (рис. 86). При очень малых скоростях резания (зона I) нароста нет (Н = 0). При повышении скорости резания от V1 до V2 высота нароста Н вначале растет, достигая максимального значения при некотором значении скорости V2, затем начинает уменьшаться (зона II). В зоне III при любой скорости резания, большей V3, нарост отсутствует. При резании среднеуглеродистых конструкционных сталей зона I соответствует скоростям резания менее
0,5…1 м/мин, а зона III – более 80…100 м/мин.
127
Рис. 86. Схема влияния скорости резания на температуру резания, высоту нароста и фактический передний угол:
ф; Н; – – –
Максимальную высоту нарост имеет при скоростях резания 15…30 м/мин. Экспериментально установлено, что при наиболее распространенных условиях резания сталей нарост имеет максимальную высоту при таком значении скорости резания, при котором температура = 300 °С, и исчезает при значении скорости, при которой температура = 600 °С. Уменьшение размеров нароста при температурах более 300 °С объясняется значительным снижением сопротивления материала нароста пластическому сдвигу. На рис. 87 на микрошлифах корней стружек наглядно представлено изменение высоты наростаприизменениискоростирезанияприточениистали45.
а |
б |
в |
Рис. 87. Корни стружки с наростом, полученные при точении, стали 45 со скоростью резания:
а – 13 м/мин; б – 28 м/мин; в – 55 м/мин
128
По мере увеличения скорости резания с 13 до 50 м/мин (температура на передней поверхности растет) уменьшаются не только размеры нароста, но его форма. При скоростях резания, меньших V2, форма нароста характеризуется большим показателем H/l и большой величиной угла ф. По мере уменьшения высоты нароста отношение H/l и угол ф также уменьшаются, нарост становится относительно тоньше и шире и постепенно вырождается в слой, параллельный передней поверхности инструмента.
На рис. 88 показано влияние скорости резания на высоту нароста при различных передних углах и толщинах срезаемого слоя (подачах). Независимо от величины переднего угла и толщины срезаемого слоя кривые Н = f(V) имеют горбообразную форму, но при меньших передних углах и больших толщинах срезаемого слоя высота кривых больше, а основание меньше. Кроме того, чем меньше передний угол и больше толщина срезаемого слоя, тем при меньшем значении скоростей резания высота нароста достигает максимума. Это понятно, так как при уменьшении угла и увеличении толщины а скорость резания должна быть меньше, чтобы температура резания достигла значений 300 и 600 °С. Из рис. 88 видно, что для скоростей резания, соответствующих восходящим ветвям кривых, высота нароста уменьшается при уменьшении толщины срезаемого слоя и увеличении переднего угла инструмента. Если передний угол > 40…45°, то при любых условиях обработки нарост не образуется.
Рис. 88. Схема влияния скорости резания на высоту нароста при различных передних углах и толщинах а срезаемого слоя
129
Все то, что может уменьшить силы адгезии на передней поверхности инструмента, уменьшает размеры нароста. Поэтому применение смазочно-охлаждающих жидкостей, образующих при адсорбции на материале инструмента прочные смазочные пленки и снижающих коэффициент трения, уменьшает высоту нароста.
2.3.4. Положительное и отрицательное влияние нароста
Возникновение нароста изменяет условия работы инструмента. Поскольку нарост выполняет функции режущего клина, инструмент работает с фактическим передним углом ф, значительно большим, чем угол заточки , причем, чем больше высота нароста (см. рис. 82), тем больше разность ф – . Как будет показано ниже, увеличение фактического переднего угла уменьшает степень деформации срезаемого слоя и силы резания.
Эксперименты показывают, что при определенных скоростях резания нарост выполняет защитные функции по отношению к инструменту. Перемещаясь по наросту, стружка отодвигается от лезвия, изнашивая переднюю поверхность на значительно большем расстоянии от лезвия, чем в том случае, когда нарост отсутствует. Свешивающаяся вершина нароста предохраняет заднюю поверхность инструмента от соприкосновения с поверхностью резания. Таким образом, нарост препятствует изнашиванию контактных поверхностей инструмента.
В зоне скоростей резания, соответствующих максимальной высоте нароста, наблюдается резкое увеличение шероховатости обработанной поверхности. При периодическом разрушении вершины нароста, связанной со срезаемым слоем, на поверхности резания и обработанной поверхности образуются надрывы и борозды, а часть нароста внедряется в обработанную поверхность. Все это увеличивает шероховатость обработанной поверхности, и, таким образом, зона II скоростей резания (см. рис. 86) становится менее благоприятной для чистовой обработки. При росте нароста, его разрушении и последующем возрастании происходит периодическое изменение фактического переднего угла инструмента и, как следствие, периодические изменения силы резания (рис. 89).
130