5.5. Особенности трения в зоне контакта стружки с передней поверхностью инструмента

Коэффициент трения - второй фактор, величину которого необходимо знать, так как он также влияет на все параметры процесса резания.

Возможность осуществления в процессе резания непосредственного контакта физически чистых поверхностей стружки и инструмента, с одной стороны, и неравномерное распределение нормальных напряжений на передней поверхности, характеризующееся резким уменьшением напряже­ний при удалении от режущей кромки, с другой, - обусловливают большую специфику трения при резании.

Коэффициент трения обычно определяется как частное от деления силы трения F на силу нормального давления N:

, (5.17)

В действительности, вследствие того, что в различных точках площади контакта между стружкой и передней поверхностью инструмента условия контакта сильно различаются, из соотношения (5.17) определяется некоторое среднее значение коэффициента трения.

В различных условиях резания закономерности изменения коэффициента трения принципиально различны. В связи с этим необходимо отдельно рассмотреть следующие два случая.

1-й случай. Между стружкой и передней поверхностью инструмента на различных участках имеют место два вида трения, различных по своей природе. В первой зоне, примыкающей к режущей кромке инструмента, силы трения столь значительны, что касательные напряжения , развиваемые ими, оказываются большими, чем предел текучести на сдвиг материала стружки в слоях, примыкающих в прирезцовой ее стороне. В связи с этим перемещение всей массы стружки относительно передней поверхности инструмента осуществляется за счет внутренних сдвигов в прирезцовых ее слоях, т.е. за счет пластической деформации. Во второй зоне, удаленной от режущей кромки, где нормальные напряжения значительно меньше, перемещение стружки сопровождается внешним скольжением ее поверхности относительно передней поверхности инструмента, т. е. здесь осуществляется кинетическое трение двух упругих тел.

Рассмотрение корня стружки, зафиксированного в условиях резания, соответствующих первому случаю трения, показывает, что поперечная текстура стружки в основной ее толщине переходит в продольную, принимая в пределе направление, параллельное передней поверхности. Замечено, что у самой режущей кромки направления деформаций зерен имеют меньшее искривление, но по мере перемещения стружки вдоль передней поверхности искривление в направлении, обратном направлению ее движения, возрастает.

На расстоянии от режущей кромки, равном примерно одной четвертой части длины контакта стружки с инструментом, изменения в направлении линий максимальных деформаций зерен прекращаются. Это указывает на то, что деформации, приводящие к образованию продольно текстурованного слоя, заканчиваются уже в начальной стадии движения стружки по передней поверхности, за исключением микропластических деформаций зерен, которые сопровождают процесс сухого трения и которые, очевидно, происходят по всей площади соприкосновения.

Коэффициент трения в каждой данной точке контакта можно выразить отношением:

, (5.18)

Путем сравнения размеров зерен в недеформированной массе металла и толщины продольных полос в граничном слое стружки установлено, что степень деформации в них исключительно высокая.

При таких степенях деформации способность материала к упрочне­нию исчерпывается, и величина практически превращается в константу, т.е. , поэтому

, (5.19)

т.е. средний коэффициент в зоне пластического контакта является функцией удельного нормального давления.

В зоне упругого контакта коэффициент трения от нормального дав­ления не зависит.

Так как большая часть нагрузки сосредоточена в той части контакта стружки с инструментом, которая примыкает к режущей кромке ин­струмента, то усредненный коэффициент трения, определяемый из соотношения F/N, также сильно зависит от величины общей нормальной силы N, уменьшаясь с ее увеличением. Это обстоятельство и определяет большую часть закономерностей изменения среднего коэффициента трения.

Кроме нормального давления, на величину коэффициента трения вли­яет температура на контактных поверхностях инструмента, стружки и обрабатываемой детали. Эта зависимость ( ) , как показывают эксперименты, характеризуется тем, что при некотором значении , находящемся близко к 300° С, приобретает максимальное значение. При более высокой и более низкой температурах коэффициент трения уменьшается.

Установлено, что для описываемых условий резания, характеризующихся наличием пластического контакта между стружкой и инструментом, средний коэффициент трения сильно зависит от переднего угла инструмента ( уменьшается, если уменьшается ); от скорости резания ( уменьшается, если V увеличивается - это верно при условии, что >300° С), от толщины среза ( уменьшается, если а возрастает). Такое влияние , V и а на объясняется главным образом тем, что при уменьшении , увеличении V и а растут удельные нормальные давления .

2-й случай. Перемещение стружки относительно передней поверхности инструмента сопровождается только их внешним скольжением. Возникающие силы трения не вызывают пластической деформации приконтактного слоя стружки и появления на передней поверхности заторможенных слоев металла. На микрошлифе стружки выявляется только поперечная текстура стружки, возникшая при первичной деформации срезаемого слоя, и отсутствует продольная текстура, возникающая при вторичной деформации стружки. Во втором случае коэффициент трения не зависит от удельных нормальных давлений и по этой причине практически не зависит от переднего угла инструмента и толщины среза.

Условия резания, которые отнесены нами ко второму случаю, имеют место при резании с применением смазочно-охлаждающих жидкостей, обладающих высокими смазочными свойствами. При резании без смазочно-охлаждающих жидкостей чаще имеют место условия резания, отнесенные к первой группе. В этих условиях /I группа/ при обработке углеродистых легированных машиноподелочных сталей коэффициент трения можно определить из следующих эмпирических зависимостей:

, (5.20)

при резании твердым сплавом марки Т5К10;

, (5.21)

при резании быстрорежущей сталью.

В формулах (5.20) – (5.21) подставляется в градусах.

На величину коэффициента трения влияют также свойства материала режущей части инструмента, а именно: уменьшается при увеличении содержания в сплаве карбидов титана. Поэтому при резании твердым сплавом марки Т15К6 коэффициент трения составляет 0,9 от той величины, которая определена для случая резания сплавом марки Т5К10.