книги из ГПНТБ / Маслов, Е. Н. Теория шлифования материалов

Заменяем коэффициенты трения через углы трения:

tg (у + 2Ѳ) = Ц — = ctg (ф + ф,) = 'tg (ф + ф7)’

у + 2Ѳ = 90° — (ф + ф'),

откуда

Ѳ= 45° — , (78)

В уравнения (75) и (76) толщина снимаемого слоя не входит. Необходимо установить, учитывают ли эти урав­ нения зависимость давления резания от толщины снимае­ мого слоя. На поставленный вопрос следует ответить утвердительно, так как в названные уравнения входит фактический передний (отрицательный) угол, величина которого зависит от толщины снимаемого слоя.

При прочих равных условиях увеличению толщины снимаемого слоя соответствует уменьшение фактического угла резания, а следовательно, снижение: деформирова­ ния металла, условного напряжения резания и силы реза­ ния, необходимой для отделения стружки. Таким образом, в соответствии с уравнениями (75) и (76), увеличению тол­ щины снимаемого слоя соответствует снижение условного напряжения резания. В зоне особо тонких снимаемых слоев, для которых фактический угол резания (царапа­ ния) является максимальным, происходит сминание этих слоев движущимся царапающим элементом. Это сминание произойдет для некоторой толщины слоя ах (см. рис. 5), величина которого зависит от отношения а!р, т. е. от фак­ тического угла резания и пластических свойств царапае­ мого металла.

Экспериментальное исследование силовых зависимо­ стей при микрорезании. В процессе микрорезания металл доводится до местного разрушения, т. е. до образования срезов. Работа царапания пластичных металлов состоит в основном из работы, затрачиваемой на пластическое деформирование металла, и работы трения.

Поперечный профиль царапания всегда имеет в сере­ дине след от округленной части алмаза и навалы (выступы) по краям, подобно тому, как это указано на рис. 48. Эти навалы, расстояние между серединами которых равно р, расположены по краям царапины шириной b и являются' результатом пластического деформирования металла.

81

Общая ширина внешне наблюдаемой деформированной зоны в поперечном сечении п является «полной» шириной

Рис. 49. Отношение сил PyiPz при мик­ рорезании различ­ ных металлов в за­ висимости от тол­

щины среза:

стях. Для исследования был использован прибор Мартенса, который был снабжен передвижной кареткой. Обрабаты­ ваемыми материалами были: сталь 40 (закаленная и отож­ женная), сталь ШХ15 (закаленная), чугун, бронза, медь,

82

силумин и сплав из свинца и олова. Царапины наносились на пластины из указанных металлов при следующих вели­ чинах сил Ру. 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 и 100 гс.

Сила микрорезания определялась как разность между об­ щей силой перемещения каретки прибора и силой трения, вызываемой перемещением каретки на холостом ходу. Ширина царапины определялась с помощью металло­ графического микроскопа.

Из опытов следует, что при микрорезании: 1) увеличе­ нию прочности обрабатываемого материала и толщины среза а соответствует повышение сил резания Ру и Рг\ 2) нормальная сила Ру всегда больше тангенциальной силы Рг.

При данном р (рис. 49) увеличению толщины среза со­ ответствует уменьшение отношения сил РуІРг в связи с уменьшением фактического угла микрорезания, опреде­ ляемого уравнением (3). В зоне особо тонких срезов уве­ личению толщины среза соответствует повышение услов­ ного напряжения резания (рис. 50). Например при цара­ пании деталей из закаленной стали ШХ15 алмазным кону­ сом с р = 6 мкм это повышение происходит до толщины снимаемого слоя а ^ 1 мкм, после чего условное напряже­ ние резания снижается. Такой переход связан с измене­ нием характера пластической деформации. В зоне особо тонких снимаемых слоев (несколько микрон и ниже) царапание происходит под максимальными углами, при которых резание оказывается невозможным и металл сминается. В этом случае получается смятая канавка, а разрушение, характерное для царапания, отсутствует. При царапании металл подвергается срезанию со снятием стружки и претерпевает деформирование в вертикальном направлении (за линией среза). При сминании происходит сжатие металла без снятия стружки, поэтому металл под­ вергается большему деформированию в вертикальном на­ правлении. В этом случае, в соответствии с законом поЛитропического сжатия, большей высоте сминаемого (сжи­ маемого) слоя металла соответствует большая величина внешней силы.

Для материалов, имеющих меньшую пластичность (закаленная сталь), процесс сминания металла прекра­ щается при меньших толщинах снимаемых слоев по сравне­ нию с металлами более пластичными (незакаленная сталь). Характерно, что царапина часто состоит из нескольких более мелких рисок, число которых может возрастать по

83

мере углубления зерна в материал, что подтверждает на­ личие у зерна нескольких микрокромок. Поперечный про­ филь царапины соответствует профилю зерна.

Процесс микрорезания происходит в результате вне­ дрения вершин зерна в граничный слой обрабатываемого

Рис. 50. Зависимость условного напряжения микрорезания от тол­ щины среза:

материала. При малом давлении на материал (при малой силе Ру) возможно только скольжение зерна по поверх­ ности материала, когда

Р г = р Р у ,

84

где р — коэффициент трения контактирующих поверх­ ностей; Рг — сила, затрачиваемая на относительное пере­ мещение указанных поверхностей.

При возрастании силы Ру поверхностный слой под зерном вначале упруго и пластически деформируется и за­ тем начинается процесс снятия стружки.

Для рассматриваемого случая изменение условного напряжения резания можно характеризовать кривой АБВ. На этой кривой можно отметить два принципиально от­ личных участка: АБ и БВ. На участке АБ происходит упругое и пластическое деформирование материала зер­ ном, когда справедлива закономерность

где h и ад — сечение и толщина деформированного слоя. Закономерность (79) показывает, что на участке АБ деформирующая сила Рг возрастает в связи с ростом тол­ щины деформированного слоя'. Сказанное следует и из

закона политропического сжатия твердого тела.

На участке БВ происходит микрорезание, и в этом слу­ чае имеет место зависимость

где аг — толщина слоя, снимаемого зерном. Закономерность (80) указывает на снижение условного

напряжения при возрастании нагрузки (силы Ру) до опре­ деленной величины в результате срезания деформируемого элемента. Объяснение данной закономерности следует искать в неоднородных элементах, составляющих работу резания.

При наличии срезания элемента материала контакти­ рующим выступом и изменения толщины слоя затрачи­ вается различная величина работы: — на диспергиро­ вание обрабатываемого материала; и 2— на диспергиро­ вание абразивных зерен; и3— на трение; м4 — на упру­ гое деформирование; иъ— на пластическое деформирова­ ние и др.

При шлифовании происходит' процесс диспергирова­ ния (размельчения) поверхностного слоя твердого тела, причем образующиеся мельчайшие частицы — стружки обладают громадной поверхностью по сравнению с той

85

частью твердого тела, из которого эти стружки получены. На диспергирование твердого тела затрачивается опреде­ ленная работа, зависящая от ряда факторов и прежде всего от механических свойств материала разрушаемого твердого тела. Работу диспергирования обрабатываемого материала, т. е. работу, затрачиваемую на образование его новых поверхностей (поверхностную энергию), при­ ближенно можно определить по формуле

снятого слоя в м2/м3; G — масса снятого материала в Н; Pj — плотность материала в кг/м3; Q — объем снятого материала в м3.

Как видим, удельная поверхностная энергия опреде­ ляется работой, приходящейся на единицу площади сня­ того слоя или силой, которую надо приложить к единице длины для разрушения материала (твердого тела). Удель­ ная поверхность снятого слоя является отношением пло­ щади деформируемого поверхностного слоя к объему разрушенного материала.

Независимо от свойств обрабатываемого материала, основным условием, необходимым для отделения тончай­ шей стружки, является определенная величина отноше­ ния а/р.

Отмеченная закономерность подтверждена и развита исследованием Н. И. Богомолова [12], показавшим, что процесс микрорезания во многом зависит также от формы передней поверхности и субмикрорельефа царапающего острия, деформирование которого происходит в результате пластической деформации и разрушения микропрофиля трущейся поверхности.

С повышением пластичности сплавов возрастает доля пластически оттесненного металла по краям царапины и уменьшается доля металла, удаленного в виде микростружки, что приводит к ухудшению обрабатываемости шлифованием. Для количественной оценки влияния та­ кого оттеснения на обрабатываемость введен показатель kc— коэффициент стружкообразования:

К = ѵ (81)

О

86

частиц на поверхность зерна сила микрорезания возрас­ тает в 3—4 раза по сравнению с обработкой чистой абра­ зивной поверхностью (рис. 52).

О коэффициенте трения при скольжении и микрореза­ нии. При опытном определении коэффициента трения на малой скорости применялись скользящие элементы: из закаленной стали 40 (р = 800 мкм) и электрокорунда

М

Рис. 53. Коэффициенты трения при скользящем элементе из закален­ ной стали 40:

(р — 780 мкм). Испытуемый материал был в виде пластинок с торцами, полированными до зеркального блеска. Вели­ чины коэфіфициентов трения приведены на рис. 53. Иссле­ дования показали следующее: 1) коэффициенты трения при скольжении невелики, например, для незакаленной стали 40 при скользящем штифте из закаленной стали 40 средняя величина р я» 0,11; 2) скользящий штифт из за­ каленной стали 40 создает меньшие величины коэффициен­ тов трения по сравнению со скользящим штифтом из элек­ трокорунда; 3) сталь ШХ15, сталь 40 и бронза создают меньшие коэффициенты трения по сравнению с такими вязкими металлами, как красная медь или силумин,

88

При определении коэффициента трения по шлифованной стали 40 и при скользящем штифте из электрокорунда величина коэффициента трения повысилась с 0,11 до 0,13, Между царапающим элементом и металлом будет трение

скольжение в случае, если Р2 = 0.

Из выражения (75) следует, что Рг = 0 будет при усло­ вии cos ymax — \i sin ymax = 0, откуда

= 0,01-н0,14#, чему соответствует угол утах = 58° 20'. Отношение сил РуІРг = о о и Рг = 0 будет при утах = = 58° 20' и коэффициенте трения р = 0,5 (см. рис. 47). Таким образом, величина коэффициента трения при микро­ резании всегда значительно больше его величины при ма­ лых удельных нагрузках, не сопровождающихся разруше­ нием твердого тела. Сказанное во многом объясняется на­ личием смятия металла в зоне особо малых трещин сни­ маемых слоев. При скорости до 5 м/с коэффициент трения имеет сложную зависимость и при больших скоростях он снижается, что приводит к уменьшению тангенциальной составляющей силы резания.

Процесс микрорезания на повышенных и высоких ско­ ростях. Процесс тонкого высокоскоростного микрорезания шлифующим зерном сопровождается значительным повы­ шением температуры деформируемого металла, что обеспе­ чивает повышение его пластичности. Результирующее влияние условий резания (царапания) на процесс и сопро­ вождающие его явления зависят от температурно-скорост­ ного фактора деформирования.

Скорость деформации, определяемая степенью деформи­

рования в единицу времени ^ , значительно

влияет на пластические свойства металлов. Это влияние является сложным, так как высокие скорости микроре­ зания, обеспечивающие высокие скорости деформации, вызывают: 1) упрочнение металла и снижение его пластич­ ности, если увеличение скорости деформации не сопровож­ дается повышением температуры; 2) разупрочнение ме­ талла и повышение его пластичности, если увеличение скорости деформации сопровождается большим количе­ ством теплоты во время деформирования.

89

Результирующий эффект влияния высокой скорости деформирования (микрорезания) на пластичность металла зависит от отношения (по абсолютной величине)

званное повышением температуры; при Да = 1,0 пластич­ ность остается без изменений; при Да > 1 ,0 пластич­ ность снижается; при До <<1,0 пластичность повышается.

Процессу пластического деформирования предшествует упругая деформация, распространяющаяся со скоростью звука (для железа 5130 м/с), однако на протекание пласти­ ческой деформации, обеспечивающей перемещение частей кристаллитов, требуется большее время. При больших скоростях деформации пластическая деформация проте­ кает частично.

Температурный фактор оказывает большое влияние на пластичность металла. Перевод металла из пластичного состояния в хрупкое возможен не только повышением ско­ рости деформации, но и понижением температуры. Для стали с понижением температуры ниже 20° С пластичность снижается и тем сильнее, чем ниже температура. При тем­ пературе —200° С мягкая сталь оказывается совершенно хрупким материалом, разрушающимся без каких-либо остаточных деформаций.

Повышению температуры соответствует возрастание пластичности металла. При увеличении температуры от 20 до 300° С возрастает предел прочности (640, 650, 737, 773 МН/м2) и снижается относительное удлинение, за исключением температуры 300° С, каковой соответствует увеличение относительного удлинения (19,0; 14,7; 13,2; 23,3%).

При возрастании температуры от 300 до 500° С резко снижается предел прочности (773, 590, 387 МН/м2) и зна­ чительно увеличивается относительное удлинение (23,3; 28,4; 32%), чему соответствует возрастание пластичности металла.

Нарушение закономерности изменения свойств стали при 300 и 900° С объясняется наличием в стали полиморф­ ных превращений, сопровождающихся изменением кри­ сталлической решетки. С увеличением температуры ско­ рость разупрочняющих процессов (отдыха, рекристалли-

90