КОНТАКТНЫЕ ПРОЦЕССЫ НА ПЕРЕДНЕЙ ПОВЕРХНОСТИ




Рис.1.Два участка трения на передней пов-ти и эпюры распределения sN и tF с помощью разрезного резца

В общем случае поверхность трения на передней поверхности шириной С (рис. 1) состоит из двух участков: участка I (пластического контакта) шириной C1 и участка II (упругого контакта). На участке I расположен заторможенный слой, в пределах которого стружка движется не по передней поверхности, а по заторможенному слою, и сопротивление, оказываемое движению стружки, определяется сопротивлением сдвигу в контактном слое стружки. На этом участке внешнее трение скольжения отсутствует и заменяется „внутренним" трением между отдельными слоями стружки. На участке II стружка контактирует непосредственно с передней поверхностью. Здесь осуществляется внешнее трение скольжения и сопротивление движению стружки определяется силой трения между стружкой и передней поверхностью. Ширина C1 пластического контакта зависит от переднего угла инструмента, толщины срезаемого слоя и коэффициента усадки стружки.

C1 =a [KL(l - tgg)+secg].

Из формулы видно, что C1 растет при увеличении KL, и а и уменьшается при увеличении угла g. Если инструмент имеет угол наклона лезвия, то при увеличении угла l ширина пластического контакта уменьшается. Отношение C1/C не превышает 0,7 и для обычных конструкционных материалов чаще всего составляет 0,5 (рис. 2).

Рис.2.Влияние скорости резания на ширины С и С1 площади контакта (сталь 30Х, g =5о; b = 5мм; а = 0,149 мм)

Рис.3. Эпюры контактных напряжений на передней и задней поверхности

Поляризационно-оптическим методом и с помощью прибора, называемого разрезным резцом, могут быть определены величина и характер распределения контактных напряжений на передней поверхности инструмента. На рис. 3 приведены эпюры контактных напряжений: нормальных sN и касательных tF на передней и задней поверхностях инструмента, полученные поляризационно-оптическим методом при различных отношениях толщины срезаемого слоя к радиусу округления r клина. Эпюра нормальных напряжений непрерывна для площадок контакта С и С2 передней и задней поверхностей, а эпюры касательных напряжений на этих площадках самостоятельны. На рис. 1 приведены те же эпюры, но полученные с помощью разрезного резца без радиуса округления. Разрешающая способность разрезного резца позволяет получить достоверное распределение нормальных и касательных напряжений только на участке передней поверхности, отстоящем от лезвия на расстоянии 0,15 - 0,2 мм. Нормальные контактные напряжения sN имеют наибольшую величину у лезвия инструмента, монотонно убывая до нуля по мере удаления от него. Эпюра касательных контактных напряжений tF имеет экстремальный характер. На участке I вначале по мере удаления от лезвия напряжения tF возрастают, достигают максимума, а затем начинают уменьшаться. На участке II касательные напряжения непрерывно уменьшаются до нуля.

Суммируя в пределах площадки контакта нормальные контактные напряжения, получим среднюю нормальную силу N, которую можно считать приложенной на расстоянии C/4. от лезвия инструмента. Суммируя контактные касательные напряжения, получим среднюю силу трения F.

Рис.4. Система сил, действующих на передней поверхности

При свободном резании с углом l = 0 силы N и F можно определить, если будут известны действующие на срезаемый слой сила Р'z, совпадающая с вектором скорости резания, и сила Р¢х, ей перпендикулярная (рис. 4). Равнодействующая сил P'z и Р¢х является силой стружкообразования R, наклоненной к направлению Р' резания под углом действия w = arctg Р¢х/P'z. На основании рис. 4 имеем

Средний коэффициент трения, вычисленный по закону трения Амонтона,

m = F/N =tg (w + g). (1)

Таким образом, угол трения x на передней поверхности связан с передним углом инструмента и углом действия зависимостью

x = w + g. (2)

Из формулы (2) следует, что при постоянном переднем угле инструмента угол действия увеличивается при росте среднего коэффициента трения (угла трения). Таким образом, интенсивность трения на передней поверхности через угол действия оказывает влияние на деформационные процессы, происходящие в срезаемом слое. На величину среднего коэффициента трения кроме механических и теплофизических свойств обрабатываемого и инструментального материалов основное влияние оказывают передний угол инструмента, толщина срезаемого слоя (подача), скорость резания, применяемая смазочно-охлаждающая жидкость.

Величина среднего коэффициента трения для трущейся пары стружка - передняя поверхность определяется склонностью к адгезионному взаимодействию обрабатываемого и инструментального материалов. Образование интерметаллических связей между стружкой и инструментом находится в прямой зависимости от способности контактирующих материалов образовывать между собой химические соединения и твердые растворы. Чем сильнее интерметаллические связи, возникшие в результате действия сил адгезии между стружкой и инструментом, тем больше средний коэффициент трения. С повышением механических свойств обрабатываемого материала средний коэффициент трения уменьшается. Но так как при этом одновременно возрастают и средние нормальные и средние касательные контактные напряжения, то при постоянной температуре средний коэффициент трения изменяется сравнительно мало. Например, при резании без смазочно-охлаждающей жидкости при g = 20°, а = 0,15 мм и v = 0,2 м/мин средние коэффициенты трения для таких различных материалов как медь, стали 10, 20Х, 1Х13. Х18Н9Т колеблются в пределах 0,76-0,7.

Интенсивность адгезионного схватывания инструментального материала с обрабатываемым во многом определяется склонностью первого к образованию на нем под действием кислорода воздуха окисных пленок, препятствующих схватыванию. Для инструментальных материалов, склонных к образованию более прочных окисных пленок, средний коэффициент трения меньше. В связи с этим средний коэффициент трения для однокарбидных сплавов больше, чем для двухкарбидных, а для быстрорежущей стали больше, чем для однокарбидных сплавов. С увеличением в твердом сплаве содержания карбидов титана средний коэффициент трения уменьшается.

Если резание происходит с применением смазочно-охлаждающей жидкости, способной образовывать граничный смазочный слой между стружкой и передней поверхностью, то передний угол инструмента и толщина срезаемого слоя на средний коэффициент трения существенного влияния не оказывают.

Если смазочно-охлаждающая жидкость отсутствует, уменьшение переднего угла и увеличение толщины срезаемого слоя уменьшают средний коэффициент трения. Своеобразное действие, оказываемое в этом случае передним углом и толщиной срезаемого слоя на m, связано с изменением среднего нормального контактного напряжения ` sN на передней поверхности. Из рис. 5 видно, что при увеличении ` sN средний коэффициент трения m, уменьшается. Поэтому все те факторы режима резания и геометрические параметры инструмента, которые увеличивают среднее нормальное контактное напряжение, снижают средний коэффициент трения и наоборот.

Экспериментально проверенное влияние g и а на m, при наличии и отсутствии смазочно-охлаждающей жидкости можно объяснить следующим образом. Средний коэффициент трения можно выразить через средние нормальные и касательные контактные напряжения ` sN и `tF на площадке контакта С ´ b:

Если резание производится с жидкостью, создающей граничный смазочный слой, препятствующий образованию интерметаллических соединений, и заторможенный слой на передней поверхности отсутствует, то вся площадка контакта состоит из одного участка II упругого контакта стружки с передней поверхностью. В этом случае трение между стружкой и передней поверхностью является внешним кинетическим трением, подчиняющимся закону трения Амонтона. При внешнем трении средние касательные напряжения пропорциональны нормальным напряжениям `tF = k ` sN, а поэтому средний коэффициент трения не зависит от ` sN, являясь константой для трущейся пары. Поэтому средний коэффициент трения почти не зависит ни от переднего угла, ни от толщины срезаемого слоя. Если образовавшийся заторможенный слой охватывает всю ширину площадки контакта, то внешнего трения нет и средний коэффициент трения будет характеризовать процессы пластической деформации происходящие в контактном слое стружки. Сопротивление движению стружки в этом случае будет определяться величиной касательных напряжений в заторможенном слое, равной или пропорциональной пределу текучести материала стружки на сдвиг. Из рис. 1 видно, что на участке пластического контакта касательные напряжения по величине изменяются сравнительно мало, и в первом приближении их можно считать постоянными. Тогда, принимая tF = const. получим выражение для определения среднего коэффициента трения при наличии заторможенного слоя в виде

m = const/sN

Из выражения следует, что возрастание средних нормальных контактных напряжений уменьшает средний коэффициент трения. Как отмечалось выше, при резании в большинстве случаев имеет место смешанный контакт: упругий и пластический. Поэтому влияние ` sN на m должно быть менее сильным, чем в случае полного отсутствия упругого контакта. Но и в этом случае установленная закономерность между ` sN и m сохраняется.

Влияние скорости резания на средний коэффициент трения представлено на рис. 4. По мере увеличения скорости резания средний коэффициент трения изменяется подобно коэффициенту усадки стружки: вначале уменьшается, затем возрастает и, достигнув при некотором значении скорости резания максимума, опять уменьшается. Так же как и kl, максимальная величина m почти не зависит от толщины срезаемого слоя (подачи), но получает это значение при различных скоростях резания, тем больших, чем тоньше срезаемый слой. Связь между средним коэффициентом трения и температурой резания приблизительно однозначна и не зависит от толщины срезаемого слоя. Средний коэффициент трения при увеличении температуры достигает минимального значения при 300°С и максимального при 600°С.

Таким образом, влияние возрастающей вследствие увеличения скорости температуры на kl и m одинаково и может быть изображено принципиальными зависимостями на рис. 4. При увеличении температуры q фазы кривых 1 и 2 kl = f1(q) и m = f2(q) совпадают: kl и m имеют минимальное значение при q = 300° С и максимальное при 600°С. Таким образом, при одинаковом переднем угле режимам одинаковых температур соответствуют одинаковые значения коэффициента усадки стружки и среднего коэффициента трения.

Рис.4. Влияние температуры q на kl, gф и средний коэф. трения m.

Однако, если определение среднего коэффициента трения вести не по переднему углу заточки g инструмента, а по фактическому переднему углу gф, образованному наростом, то фазы кривых kl, и m не совпадают. Кривой 4 изображена зависимость изменения среднего коэффициента трения ` m, рассчитанного по формуле ` m = tg(w+gф). Как видно из сравнения кривой 4 с кривой 3, изображающей изменение фактического переднего угла инструмента, максимальная величина коэффициента трения соответствует температуре 300° С, при которой высота нароста и фактический передний угол достигают максимума.

Несмотря на очень большое давление, оказываемое стружкой на переднюю поверхность, окружающая среда и смазочно-охлаждающая жидкость могут проникнуть на большую часть площадки контакта. Объясняется это рядом обстоятельств. Передняя поверхность инструмента после заточки и поверхность стружки покрыты неровностями, в результате чего между ними нет сплошного контакта. Свежеобразованная химически чистая контактная поверхность стружки обладает исключительно высокой поверхностной и химической активностью, что способствует мгновенному проникновению под стружку смазочно-охлаждающей жидкости или окружающей среды. В результате этого на части площадки контакта образуется граничный слой смазки или пленки окислов, нитридов, гидридов и т. п. и устанавливается режим полусухого трения. Граничный смазочный слой 1 полностью или частично устраняет действие сил адгезии, и сопротивление движению стружки по передней поверхности определяется не механическими свойствами обрабатываемого материала, а свойствами смазочно-охлаждающей жидкости или образовавшегося химического соединения. Частицы смазочно-охлаждающей жидкости в первую очередь проникают в ту часть площадки контакта, где нормальные напряжения невелики, и тем самым сдвигают участок пластического контакта ближе к лезвию инструмента, одновременно уменьшая ширину площадки контакта.

По природе активности смазочно-охлаждающие жидкости можно разделить на две группы: химически активные (например, вода, четыреххлористый углерод и др.) и поверхностно-активные (например, минеральное масло, олеиновая кислота, этиловый спирт и т. д.). Химически активные жидкости, вступая в химические реакции с материалами стружки 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 (g = 20°; а = 0,2 мм; v = 0,75 м/мин): 1) вода и олеиновая кислота: m = 0,36; 2) четыреххлористый углерод: m = 0,19; 3) без жидкости: m = 0,77.

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 реагируют 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-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-механической теории трения сила трения выражается зависимостью

F = m(N+No),

где N - нормальная сила. No = poSo - равнодействующая сил молекулярного притяжения между трущимися поверхностями (ро - сила молекулярного притяжения, действующая на единице площади действительного контакта; So - площадь истинного контакта соприкасающихся тел); (mо - «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 = moN + mоNо,

где moNo = А - часть силы трения, обусловленная действием сил адгезии между трущимися поверхностями, зависящая от условий резания. Тогда

F = moN+A.

Средний коэффициент трения при резании, равный отношению средней силы трения к средней нормальной силе,

m = mo = A/N.

Так как А = `tFСb; N = `sNCb то

m = mо + `tF/`sN.

Отношение ` tF/`sN = mA средних контактных касательного и нормального напряжений может быть названо адгезионной составляющей среднего коэффициента трения. Тогда

m = mo + mA

Таким образом, средний коэффициент трения при резании состоит из постоянной механической составляющей mо и переменной адгезионной составляющей mA, уменьшающейся при увеличении среднего контактного нормального напряжения. Через свою адгезионную составляющую коэффициент m 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 поверхностно и химически активных смазочно-охлаждающих жидкостей адгезионное взаимодействие между стружкой и инструментом отсутствует, адгезионная составляющая равна нулю и средний коэффициент трения становится постоянным, не зависящим от условий резания.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-04-29 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: