Трение и контактные явления в зоне резания.

Экспериментальные данные показывают, что только за счет образования новой поверхности в пределах площадки контакта стружки с передней поверхностью лезвия в секунду возникает около 10¹⁵ свободных связей. И хотя продолжительность их существования в несвязанном состоянии 10^12 с, на передней поверхности лезвия успевает образоваться так называемый граничный слой. Этот чрезвычайно тонкий слой возникает благодаря мгновенному процессу схватывания двух разнородных материалов и сопровождающих его явлений адгезии и диффузии. В условиях действия внешней среды к этим явлениям присоединяются также адсорбция (поглощение вещества из газовой или жидкой среды поверхностным слоем твердого тела) и химические реакции вновь возникающих при резании поверхностей с внешней средой. В связи с тем, что поверхности лезвия и стружки не идеально гладкие, а имеют микро- и субмикронеровности, трещины, они контактируют не по плоскости, а лишь в локальных точках фактического и физического контактов. Эти точки являются активными центрами взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов с наиболее высокой свободной энергией, и именно здесь начинается образование граничного слоя.

Граничный слой в свою очередь состоит из нескольких слоев – переходного между поверхностями инструмента и обрабатываемого материала и последующих. В пределах переходного слоя наблюдается большое количество пор, образовавшихся между выступающими зернами инструментального материала и внутри сильно деформированного обрабатываемого металла. Граничный слой формируется в результате действия явления переноса – перенесения одного материала на поверхность другого в результате твердофазных взаимодействий между ними. Перенос – явление чрезвычайно сложное и проявляется на макро- (налипы, обволакивание, намазывание), микро- и субмикроскопическом уровнях. Для него характерны неоднородность рельефа контактной поверхности вследствие различных скоростей схватывания и разрушения пары инструментальный – обрабатываемый материалы на различных участках контакта; фазовые превращения, обусловленные взаимодействием данной пары между собой и внешней средой; наличие текстуры; образование различных микро- и субмикроструктур и др. В связи со сложностью строения и названными свойствами граничного слоя он в отличие от обрабатываемого и инструментального материалов значительно хуже травится, почему и получил название «белый слой». Граничный слой служит своего рода основой, влияющей на другие контактные процессы. Например, он может сохранять свою малую толщину или служить первоосновой для образования наростов значительной высоты; защищать площадки контакта от изнашивания или, наоборот, способствовать ему; изменять условия трения и т.д. Основными особенностями трения при резании являются различное физико-механическое состояние контактирующих поверхностей; интенсивное схватывание обрабатываемого и инструментального материалов; сложный характер распределения нормальных напряжений на контактных площадках; малая продолжительность контакта инструмента со стружкой и деталью при постоянном обновлении зоны контакта и др. Площадка трения на передней поверхности инструмента шириной С (рис. 4.1) состоит из участков пластического контакта шириной С_п и упругого. На участке С_п стружка движется по заторможенному слою, и сопротивление, оказываемое движению стружки, определяется сопротивлением сдвигу в контактном слое стружки. При этом внешнее трение скольжения отсутствует и заменяется внутренним трением между отдельными слоями стружки. На участке за пределами С_п внешнее трение скольжения и сопротивление движению стружки определяются силой трения между стружкой и передней поверхностью инструмента. Ширина площадки контакта зависит от переднего угла , толщины срезаемого слоя, коэффициента утолщения стружки K_а, скорости резания и других факторов. На коэффициент трения оказывают влияние физико-механические и теплофизнческие свойства обрабатываемого материала, передний угол , толщина среза а, скорость резания v и применяемая СОЖ. Для трущейся пары стружка – передняя поверхность инструмента средний коэффициент трения обусловливается склонностью к адгезионному взаимодействию инструментального и обрабатываемого материалов. Возникновение связей между стружкой и инструментом определяется их способностью образовывать между собой химические соединения и твердые растворы. Чем сильнее эти связи, возникающие в результате сил адгезии между стружкой и инструментом, тем больше средний коэффициент трения. С повышением механических свойств обрабатываемого материала средний коэффициент трения уменьшается, однако при этом возрастают средние нормальные и касательные напряжения. Если температура резания изменяется мало, средний коэффициент трения остается практически неизменным. На контактных поверхностях инструмент – стружка под действием кислорода воздуха образуются оксидные пленки, препятствующие схватыванию материалов и уменьшающие средний коэффициент трения. Самый большой средний коэффициент трения отмечается для быстрорежущих сталей, далее (в порядке его уменьшения) следуют однокарбидные и двухкарбидные твердые сплавы. Большое влияние на средний коэффициент трения оказывает СОЖ, особенно с хорошим смазочным действием. В случае применения таких СОЖ значения  и а практически не влияют на средний коэффициент трения. Если же резание ведется без СОЖ, то при увеличении переднего угла и толщины срезаемого слоя уменьшается средний коэффициент трения, так как увеличивается среднее нормальное контактное напряжение на передней поверхности инструмента. При использовании СОЖ различаются два случая контакта стружки с передней поверхностью инструмента. Если СОЖ создает на поверхности контакта слой жидкости, препятствующий появлению заторможенного слоя, на поверхности контакта наблюдается внешнее кинетическое трение, подчиняющееся закону трения Амонтона – Кулона, При внешнем трении средние касательные напряжения пропорциональны нормальным напряжениям = K , а поэтому  не зависит от и является константой для трущейся пары. Именно поэтому значения  в этом случае не зависят от переднего угла и толщины срезаемого слоя. Резанию многих материалов при определенных условиях сопутствует явление, называемое наростообразованием. Под наростом понимают клиновидную, относительно неподвижную область материала, расположенную на передней поверхности лезвия вдоль его режущей кромки (рис. 4.8). Нарост – сложное по химическому составу агрегатное состояние металла, состоящее из продуктов взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов и окружающей среды. Он состоит из слоев сильно деформированного обрабатываемого материала с включениями оксидов и карбидов обрабатываемого и инструментального материалов, а также кобальта, входящего в состав твердого сплава [6]. Строение нароста сложное: основная его часть – это «третье тело», прочно соединенное с поверхностью инструмента, на которое наращиваются последующие слои сходящей стружки; остальные части нароста расположены на основной, имеют иное происхождение и являются частью застойной зоны. («Третье тело» – частицы, образующиеся в зоне контактирования двух трущихся тел, отличающиеся от них составом и свойствами.)

Основная часть нароста после формирования выполняет функции передней поверхности инструмента. Вследствие этого сокращается длина контакта стружки с передней поверхностью, т.е. происходит «укорочение» последней. При воздействии укороченной передней поверхностью инструмента на срезаемый слой в переходной пластически деформируемой зоне возникает объемная пластическая деформация. Металл деформируется не только в плоскости стружкообразования, но и вдоль режущих кромок инструмента. При металлографическом анализе застойная зона имеет вид эквидистантных полос, приближающихся по форме к эллиптическим, причем каждая из них замыкается на давящей поверхности инструмента, роль которого выполняет основная часть нароста. При интенсивном схватывании обрабатываемого и инструментального материалов и высоком пределе прочности на сдвиг сформированных в застойной зоне вторичных структур может происходить трансформация застойной зоны или части ее в нарост.

Процесс образования нароста схематично можно представить следующим образом. При определенных температурах и высоких давлениях в зоне резания химически чистые (ювенильпые) поверхности стружки и инструмента подвергаются адгезионному схватыванию – происходит прочное присоединение контактного слоя стружки к передней поверхности инструмента и образование заторможенного слоя. Обтекание этого слоя стружкой способствует возникновению новых заторможенных слоев металла, которые наращиваются друг на друга, пока нарост не достигнет максимально возможных размеров при данных условиях; шероховатая поверхность каждого вновь образующегося заторможенного слоя создает благоприятные условия для проникновения кислорода воздуха и его диффундирования в поверхностные слон металла. Оксидные пленки уменьшают трение между стружкой и поверхностью нароста, и каждый последующий заторможенный слой становится короче предыдущего, что приводит к образованию нароста клиновидной формы. При достижении определенной высоты его прочность оказывается недостаточной и он разрушается. Разрушению нароста способствует и то, что он не полностью охватывается стружкой, т.е. между наростом, стружкой и поверхностью резания появляются зазоры, в результате чего он перестает находиться в условиях всестороннего сжатия.

Разрушенный нарост частично уносится стружкой, частично поверхностью детали. Так как сходящая стружка скользит не по вершине резца, а по передней поверхности нароста, действительный передний угол лезвия _д = _н увеличивается, что способствует облегчению процесса резания. Вследствие высокой твердости нароста, он, выполняя функции режущего лезвия, отчасти предохраняет переднюю и заднюю поверхности инструмента от истирания их сходящей стружкой и обработанной поверхностью и уменьшает нагревание. Это приводит к уменьшению изнашивания инструмента, т.е. к повышению периода его стойкости. Наличие нароста увеличивает шероховатость обработанной поверхности, поскольку при разрушении нароста часть его уносится стружкой, а часть остается на обработанной поверхности детали.

Размеры нароста зависят от соотношения сил трения между образующейся стружкой и передней поверхностью лезвия инструмента и сил сцепления (сопротивления сдвигу) обрабатываемого и инструментального материалов; чем больше сила трения превышает силу сцепления, тем больше размеры нароста.

С помощью скоростной киносъемки установлено, что в большинстве случаев нарост – образование нестабильное. В каждой точке режущей кромки нарост возникает, увеличивается до максимальной высоты, затем частично или полностью разрушается, причем частота срывов может достигать 1000 или даже 2000 Гц.

Следует отметить, что нарост никоим образом не следует путать с налипами. Налипы на передней поверхности появляются при резании практически всегда. По имеющимся данным, они представляют наслоения, вытянутые вдоль направления схода стружки, длиной до 10 мкм, высотой 3...5 мкм, шириной 5...10 мкм. При резании с наростом вблизи него возникают налипы в 2 – 3 раза крупнее указанных размеров. Отличительной особенностью налипов является соответствие их структуры структуре обрабатываемого материала.

Все материалы, подвергаемые обработке резанием, можно разделить на две группы: не склонные и склонные к наростообразованию. К первой группе относятся медь и ее сплавы, большинство титановых сплавов, белый чугун, закаленные стали, стали с большим содержанием хрома и никеля, ко второй – углеродистые и большинство легированных сталей, серый чугун, алюминиевые сплавы. При обработке этих материалов для снижения шероховатости обработанной поверхности необходимо: 1) работать в такой зоне скоростей, когда нарост не образуется, например, в зоне очень низких скоростей резания. Однако это влечет за собой снижение производительности обработки. Поэтому выгоднее работать в зоне высоких скоростей, когда образовавшийся нарост не задерживается на лезвии инструмента; 2) снижать шероховатость передней поверхности режущего инструмента, применяя доводку при его заточке; 3) изменять физико-химические свойства поверхностных слоев контактных площадок инструмента за счет нанесения тонкопленочных покрытий или микролегирования (см. ниже); 4) по возможности увеличивать передний угол лезвия . Например, при  = 45 нарост почти не образуется; 5) применять смазочно-охлаждающие жидкости, уменьшающие трение на передней поверхности лезвия инструмента; 6) уменьшать пластичность обрабатываемого материала за счет применения специальной термической обработки или использовать стали с присадками. Например, применение автоматной стали с пониженным содержанием марганца и повышенным содержанием серы, а также нормализация обрабатываемых сталей дают возможность уменьшить шероховатость обработанной поверхности.

Условия резания по-разному влияют на деформационные и контактные процессы в зоне резания. Это влияние может быть непосредственным или косвенным. Например, изменение  приводит к увеличению или уменьшению средних контактных нормальных напряжений на передней поверхности инструмента, что вызывает изменение среднего коэффициента и угла трения. Последнее оказывает влияние на угол действия, изменение которого вызывает изменение угла сдвига и работы стружкообразования.

Параметры процесса резания делятся на внутренние и внешние: к внутренним относятся угол действия, температура на передней поверхности инструмента, действительный передний угол с учетом нароста, ширина площадки контакта, средний коэффициент трения и др.; к внешним – физико-механические свойства обрабатываемого и инструментальных материалов, геометрические параметры инструмента, параметры режима резания и свойства СОЖ.

Непосредственное и наиболее сильное влияние на процесс резания оказывают угол действия, передний угол инструмента, скорость резания и свойства обрабатываемого материала. Влияние остальных факторов на процесс резания косвенное, из них наибольшее оказывает толщина срезаемого слоя.

От угла сдвига  зависят коэффициент укорочения стружки, относительный сдвиг и работа стружкообразования. Угол сдвига непосредственно зависит от угла действия (см. формулу К.А.Зворыкина, параграф 4.2). Изменения угла действия можно достигнуть, изменяя средний коэффициент трения в результате применения СОЖ или за счет снижения шероховатости передней поверхности при заточке. С увеличением угла действия угол сдвига уменьшается (рис. 4.13), что приводит к увеличению степени деформации срезаемого слоя и работы стружкообразования.

При обработке металлов без образования нароста косвенное влияние переднего угла инструмента на процесс формирования стружки связано только с изменением угла действия вследствие изменения ориентации передней поверхности и среднего коэффициента трения. С уменьшением  угол действия увеличивается вследствие изменения положения передней поверхности и уменьшается из-за уменьшения среднего коэффициента трения. Первое воздействие является преобладающим.

При обработке с образованием нароста влияние  на процесс формирования стружки менее ощутимо, поскольку чем меньше передний угол инструмента, тем больше высота нароста и больше действительный передний угол.