8. Применение научных положений трибологии к описанию контактных явлений при резании

(по Лоладзе) Между стружкой и передней поверхностью инструмента имеют место два вида трения, различных по характеру. В первой зоне, примыкающей к режущей кромке инструмента, силы трения настолько значительны, что напряжения трения превышают пре­дел текучести на сдвиг материала контактных слоев стружки. Поэтому перемещение стружки относительно передней поверх­ности инструмента осуществляется за счет внутренних сдвигов в ее прирезцовых слоях с образованием продольной текстуры, т. е. за счет контактной пластической деформации. При наличии значительного трения на контактных поверхностях дефор­мация срезаемого слоя не заканчивается в зоне стружкообразования. При движении вдоль поверхностей инструмента тонкие кон­тактные слои стружки и обработанной поверхности получают весьма значительную дополнительную деформацию и упрочнение.

Во второй зоне, удаленной от режущей кромки, где нормальные давления меньше, перемещение стружки происходит за счет внешнего скольжения по передней поверхности инструмента, и здесь имеет место внешнее трение.

В общем случае деформацию срезаемого слоя можно разбить на две стадии: 1) деформацию срезаемого слоя в зоне стружкообразования, где деформируются весь срезаемый слой и часть обрабатываемой детали; 2) местную деформа­цию стружки в зоне трения, где деформируется только контактный, прирезцовый слой стружки. В результате второй стадии деформа­ции получается искривление линий текстуры в прирезцовом слое стружки.

Характерными особенностями контакта стружки с передней по­верхностью инструмента являются:

1) неравномерное распределение контактных напряжений на пе­редней поверхности. У режущей кромки они достигают высо­ких значений и падают до нуля в точке отрыва стружки от пе­редней поверхности;

2) изменение температуры контакта в широких пределах — от ком­натной до температуры плавления обрабатываемого материала

3) различная химическая чистота поверхностей контакта, которые могут быть химически чистыми или покрыты пленками различ­ных химических соединений, исключающими металлический контакт.

Из-за этих особенностей скольжение стружки происходит в ус­ловиях граничного трения без существенных вторичных пласти­ческих деформаций контактного слоя стружки (резание с малой скоростью в химически активных средах) или «схватывания» с ин­тенсивной пластической деформацией. Встречаются смешанные ус­ловия контакта: прилегающая к режущей кромке длина части кон­такта находится в условиях граничного трения.

Характер контакта обрабатываемого материала с инструмен­том в различных условиях обработки позволяет судить о меха­низме процесса трения и действии смазочно-охлаждающих жидко­стей, а также об условиях формирования поверхностного слоя обрабатываемой детали и их влиянии на чистоту и качество по­верхности.

Изучение характера контакта при низких скоростях резания показало, что между трущимися поверхностями происходит ме­стная адгезия — возникают пятна схватывания. В процессе реза­ния по всей площади контакта непрерывно образуются и сре­заются пятна схватывания. Срез происходит в наиболее слабом месте, чаще всего в толще обрабатываемого материала. Срезанные частицы прилипают к более твердой поверхности инструмента и в дальнейшем сами являются основой новых очагов схватыва­ния, так как когезия между частицами обрабатываемого мате­риала проявляется сильнее, чем адгезия между материалами детали и инструмента. В процессе периодического схватывания и среза отдельных частиц между стружкой и передней поверхностью, а также обра­батываемым материалом и зад­ней поверхностью режущего инструмента образуются по­ры — контакт не является сплошным.

Если в условиях резания с подогревом обрабатываемый материал сильно разупрочняется, то нормальные напряже­ния, действующие на передней поверхности, уже будут недо­статочны для получения сплош­ного контакта и вдоль всей длины контакта по передней поверхности может иметь место точечный контакт.

Е. М. Трент отмечает наличие почти сплошного контакта между поверхностями быстрорежущего инструмента и обрабаты­ваемой заготовки из мягкой стали вдоль большей части всей площади взаимодействия. Согласно данным Е. М. Трента сплошной контакт также имеет место при резании чугуна и сплавов на никелевой основе. Здесь же отмечается, что обрабатыва­емый материал настолько сильно прилипает к передней поверх­ности инструмента, что после прекращения резания или быстрого вывода резца из зоны резания отрыв обрабатываемого материала происходит в пределах толщи стружки близко от поверхности резца.

Ясно, что проникновение жидкости в зону трения при сплош­ном контакте невозможно. Различные реагенты могут проникать только путем диффузии сквозь металл, поэтому действие смазы­вающих жидкостей при высоких скоростях резания весьма ограничено. Наблюдения за характером контакта показывают, что при высоких скоростях резания на большей части зоны трения контакт сплошной, а около выхода стружки с передней поверх­н ости и также на задней поверхности имеются участки с точечным контактом. Это происходит там, где нормальное давление недоста­точно для заполнения неровностей инструмента обрабатываемым материалом. Схема контакта при низких и высоких скоростях резания представлена на рис. 74.

Появление точечного или сплошного контакта связано с вели­чиной нормального давления и с состоянием контактных слоев инструментального и обрабатываемого материалов. Если давление достаточно для заполнения всех неровностей твердого металла мягким, контакт получается сплошным, и наоборот. Как уже говорилось, нормальное давление на режущей кромке соответ­ственно при максимальном трении и при отсутствии трения при­ближенно определяется формулами Принимая наименьший практически применяемый передний угол γ= - 30°, получаем соответственно и σ n

Наличие сплошного контакта приводит к ряду специфических особенностей при резании металлов. При сухом и полусухом трении металлов вследствие адгезии образуются площадки схва­тывания, которые периодически срезаются и возобновляются.

Сила трения есть сумма элементарных сил, необходимых для срезания этих площадок и пропахивания неровностей на пути скольжения. Чем больше суммарная площадь схватывания, т. е. чем больше истинная площадь соприкосновения, тем больше сила трения. Можно считать, что сила трения пропорциональна истин­ной площади соприкосновения, величина которой зависит от нормальной нагрузки. Для несплошного контакта наиболее ве­роятно, что истинная площадь контакта пропорциональна нор­мальной нагрузке. Поэтому сила трения пропорциональна нор­мальной нагрузке и не зависит от номинальной площади сопри­косновения, т. е. справедлив закон Кулона — Амонтона В случае сплошного контакта сила трения представляет собой сопротивление пластическому сдвигу менее твердого материала. Абсолютное значение силы трения пропорционально площади контакта и пределу текучести материала на сдвиг: где Ак — площадь контакта; тк — напряжение сдвига.

Если площадь контакта постоянна, то сила трения зависит от нормальной нагрузки лишь постольку, поскольку нормальное напряжение влияет на сопротивление пластическому сдвигу, т. е. будет зависеть от коэффициента внутреннего трения. Так как коэффициент внутреннего трения для пластичных материалов мал, то эта зависимость слаба и можно считать, что сила трения при наличии сплошного контакта не зависит от нормальной нагрузки и закон Кулона — Амонтона для случая резания на высоких скоростях неприменим.

Характер контакта может указывать на другие особенности процесса резания. При сплошном контакте уменьшается скорость относительного скольжения. Во впадинах неровностей, заполнен­ных обрабатываемым материалом, движение будет прекращено. Материал может перемещаться только над выступающими точками. При наличии сплошного контакта и схватывания появляется воз­можность химической реакции и диффузии между трущимися материалами, так как адсорбированные на поверхности защитные пленки окислов солей и газов отсутствуют.

В общем случае зона контактной пластической деформации является вытянутой по ходу стружки с убывающей по мере удаления от режущей кромки толщиной. Схематически прирезцовый слой изображается криволинейным или прямолинейным клином, прямоугольником или состоящим из усеченного клина и прямоугольника (рисунок 4.1).

Расчетные формулы для определения длины пластически деформированной контактной зоны получены, исходя из различных допущений, но, как правило, не связанных с формой приконтактного слоя. Одним из таких допущений является ограничение пластического контакта стружки с резцом линией, проведенной из точки сопряжения стружки со срезаемым слоем под углом 45° к передней поверхности резца. Используя это допущение, Н.Г. Абуладзе получил:

, (4.1)

где - коэффициент усадки; а – толщина среза.

В дальнейшем, для лучшего совпадения экспериментальных данных с расчетными значениями длины контакта стружки, Н.Г. Абуладзе в формулу (4.1) вводит эмпирический коэффициент, преобразуя ее к виду:

(4.2)

М.Ф. Полетика рекомендует рассчитывать длину контакта стружки с резцом по степенной зависимости: , (4.3) где х = 1,5 при х =1,3 при

Формулы имеют чисто эмпирический характер и поэтому не связаны ни с одной физической моделью процесса резания. Основным недостатком формулы (4.3) является скачкообразное изменение показателя степенной функции при значениях коэффициента усадки стружки близких к четырем.

М.И. Клушин, принимая закономерность определения давления по передней поверхности инструмента в виде треугольника, получил следующую формулу для определения длины контакта стружки с инструментом:

(4.4)

Не останавливаясь на правомерности такого допущения, отметим, что кроме угла сдвига в формулу (4.4) входит ещё одно неизвестное – угол трения стружки о резец.

В отличии от формулы М.Ф. Полетики (4.3) эта формула получена из рассмотрения сил, действующих в модели с одной плоскостью сдвига.

В работах П.Б. Оксли и И. Шакрабарти было сделано допущение, что граница пластического контакта стружки с резцом определяется точкой пересечения передней поверхности с линией, проведенной из места сопряжения стружки со срезаемым слоем не под углом 45°, а параллельно результирующей силе резания. Полученная ими формула: (4.5)

Соответствует также одноосному напряженному до предела текучести состоянию материала стружки, но при различных касательных напряжениях, действующих по контактной поверхности.

Применительно к модели с одной плоскостью сдвига с использованием элементов теории пластичности в работе была получена связь между коэффициентом усадки и длиной пластического контакта стружки с резцом, которую можно представить в виде:

(4.6)

Эта формула дает довольно грубую аппроксимацию действительного деформированного состояния зоны резания, так как получена при допущении постоянства касательных напряжений на передней поверхности инструмента, равенства контактных касательных напряжений и напряжений, действующих по плоскости сдвига, независимости касательных напряжений от условий резания и др.

В этой связи более предпочтительной является формула, полученная аналогичным методом В.С. Кушнером и учитывающая различные величины касательных напряжений, действующих по передней поверхности инструмента и по плоскости сдвига. Ниже эта формула приведена в удобной для сопоставления с уравнением (4.6) в форме: , (4.7)

где m – отношение касательных напряжений, действующих в плоскости сдвига к контактным касательным напряжениям.

Уменьшение трения по передней поверхности инструмента до бесконечно малых величин согласно формуле (4.7) влечет к неограниченному возрастанию длины пластического контакта, реализация которого является сомнительным. Кроме того, формула (4.7), равно как и формула (4.6), вызывают возражение в области значений усадки стружки близких к единице, так как при этом независимо от толщины срезаемого слоя и других условий резания длина контакта стружки с резцом стремится к нулю, что является неправдоподобным.

Рассмотренные выше формулы (4.5-4.7) получены исходя из жесткопластической схемы деформации без учета изменения физико-механических свойств обрабатываемого материала в процессе резания. В работе П.Б. Оксли одифицировал формулу (4.5) путем введения в нее изменения напряжения текучести при сдвиге. Это дало следующую зависимость:

(4,8)

где c – постоянная обрабатываемого материала;

n – показатель деформационного упрочнения.

Отметим, что при выводе этого уравнения П.Б. Оксли исходил из предположения, что градиент напряжения текучести нормальный к плоскости сдвига зависит только от соответствующего градиента деформации без нарушения сплошности структуры. Такое решение является шагом вперед, но является справедливым только для условия образования сливной стружки.

В.К. Старков для определения длины контакта срезаемого слоя металла с передней поверхностью резца решил задачу взаимного упругого сжатия стружки конечных размеров с полуплоскостью инструмента. В результате решения получена формула: (4.9)

где - упругая постоянная двух соприкасающихся тел; Е₁ – модуль упругости материала стружки; b_c – ширина стружки; a_c – толщина стружки.

Сложностью применения этой формулы является необходимость предварительного определения Е₁, особенно при ярко выраженной несплошности стружки.

(4.10)

где А – параметр, характеризующий изменение напряжения в материале в результате потери его сплошности; угол наклона условной плоскости сдвига; передний угол.