2.2.5. Методы завивания и дробления сливной стружки

Образование сливной стружки часто сопровождается нежелательными и опасными последствиями. Выход стружки в виде ленты из-под резца может привести к травме рабочего (порезу на теле или руках). Образование клубка запутанной сливной стружки на станке с ЧПУ без вмешательства рабочего может привести к заклиниванию резца, заготовки, поломке режущего инструмента и приспособлений. В практике обработки резанием применяют различные методы борьбы с этими явлениями.

1. Образование радиусных поверхностей на передней поверхности резца. В результате стружка завивается в виде спирали и под действием собственного веса опускается в корыто станка или обламывается на отдельные спиральные отрезки. Радиусные поверхности образуются в процессе изготовления при спекании неперетачиваемых пластинок или при заточке на заточных станках.

2. Установка стружколомов на передней поверхности резца. В результате сливная стружка резко изгибается поверхностью стружколома и ломается на отдельные кусочки, которые ссыпаются в корыто станка.

3. Виброподача резца. На станке в резцедержателе устанавливается виброголовка, имеющая продольные, вдоль оси заготовки, колебания. В результате продольных колебаний резца в момент подачи сливная стружка имеет переменное поперечное сечение. В местах наименьшего сечения стружка ломается и в виде сегментов падает в корыто станка.

2.3. Контактные явления, трение и наростообразование при резании материалов

2.3.1. Контактные явления и трение на передней и задней поверхностях инструмента

В общем случае поверхность трения на передней поверхности шириной с (рис. 56 и 57) 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

Рис. 56. Два участка трения на передней поверхности и эпюры распределения нормальных и ка­сательных напряжений, получен­­ные с помощью разрезного резца	Рис. 57. Схема сил, действующих на передней поверхности инстру­мента

«внутренним» трением между отдельными слоями стружки. На участке II стружка контактирует непо­средственно c 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. Н.Г. Абу­ладзе предложил формулу определения ширины пластического контакта

с₁ = a [K_L(1 – tg ) + sec ],

из которой видно, что с₁ растет при увеличении K_l и а и уменьшается при увеличении угла . Если инструмент имеет угол наклона лезвия, то при увеличении угла  ширина пластического контакта уменьшается. Отношение не пре­вышает 0,7 и для обычных конструкционных материалов чаще всего составляет 0,5.

Э

Рис. 58. Эпюры контактных напряжений на передней _N, _Fп и задней _Fз поверхнос-

­тях инст­румента

пюр касательных контак­тных напряжений _Fп имеет экстремальный характер (рис. 56 и 58). На участке I вначале по мере удаления от лезвия напря­жения _Fп 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 с/4 от лезвия инструмента. Суммируя контактные касательные напряжения, получим среднюю силу трения F (см. рис. 57).

При свободном резании с углом  = 0 силы N и F можно определить, если будут известны действующие на срезаемый слой сила совпадающая с вектором скорости резания, и сила ей перпендикулярная (см. рис. 57). Равнодействующая сил и является силой стружкообразования Р, наклоненной к направлению резания под углом действия  = arctg . На основании рис. 57 имеем

,

.

Средний коэффициент трения  вычисляется на основании закона трения Амонтона:

F = /N tg( + ).

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

 =  + .

Из формулы 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 технологическая среда.

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  = 20°, а = 0,15 мм и S = 0,2 м/мин средние коэффициенты трения для таких различных материалов, как медь, стали 10, 20Х, 1Х13, Х18Н9Т, колеблются в пределах 0,76…0,78.

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 технологической среды, 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 технологическая среда 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 , связано с изменением среднего нормального контактного напряжения _N на передней поверхности. При увеличении _N средний коэффициент трения  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  и а на  при наличии или отсутствии смазочно-охлаждающей технологической среды можно объяснить следующим образом. Средний коэффициент трения можно выразить через средние нормальные и касательные контактные напряжения _N и _F на площадке контакта с·b:

Если резание производится с жидкостью, создающей смазочный слой, препятствующий образованию интерметаллических соединений, и заторможенный слои 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 _F = k_N, а поэтому средний коэффициент трения не зависит от _N, 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. 56 видно, что на участке пластического контакта касательные напряжения по величине изменяются сравнительно мало, и в первом приближении их можно считать постоянными. Тогда, принимая _F = const, получим выражение для определения среднего коэффициента трения при наличии заторможенного слоя в виде  = сonst/_N.

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 _N на  должно быть менее сильным, чем при полном отсутствии упругого контакта. Но и в этом случае установленная закономерность между  и _N сохраняется. Влияние скорости резания на средний коэффициент трения cказывается следующим образом. 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 K_l, максимальная величина  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 K_l и  одинаково.

Н

Рис. 59. Граничный смазочный слой на части площади контакта перед-

ней поверхности

есмотря на очень большое давление, оказываемое стружкой на переднюю поверхность, окружающая среда и смазочно-охлаждаю­щая технологическая среда 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 технологической или окружающей среды. В результате этого на части площадки контакта образуется граничный слой смазки (рис. 59) или пленки окислов, нитридов, гидридов и т.п. и устанавливается режим полусухого трения. Граничный смазочный слой 1 полностью ли частично устраняет действие сил адгезии, и сопротивление движению стружки по передней поверхности определяется не механическими свойствами обрабатываемого материала, а свойст­вами смазочно-охлаж­дающей технологической среды 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 технологические среды 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 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: 1) вода и олеиновая кислота:  = 0,36; 2) четыреххлористый углерод:  = 0,19; 3) без жидкости:  = 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 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-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 = _o(N + N_o),

где N – нормальная сила; N_o = p_os_o – равнодействующая сил молекулярного притяжения между трущимися поверхнстями; p_o – сила молекулярного притяжения, действующая на единице площади действительного контакта; s_o – 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 + _oN_o,

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.

Так как

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

 = _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 поверхностно 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.