книги из ГПНТБ / Вульф А.М. Резание металлов

упругих напряжениях трещины меняют свое направление, ото­

При высоких скоростях распространения трещин это отобра­ жение обладает высокой разрешающей способностью, т. е. позво­ ляет изучать быстро изменяющиеся процессы (прохождение крат­ ковременных импульсов или ультразвуковых колебаний), и на­ оборот, если известны упругие волны, отклоняющие трещины, оставляя след на поверхности разрыва (модулирование этой поверхности).

Впроцессе резания в результате элементного характера

к направлению удара. При очень сильном ударе поверхность разрыва образует прямой угол с направлением удара.

Высказанные здесь соображения помогут физически объяс­ нить ряд еще непонятных технологических явлений и тем способ­ ствовать повышению производительности и качества процесса резания.

мере определяет деформацию снимаемого слоя и, следовательно, нагрузку на инструмент, его стойкость и качество обработанной поверхности.

Естественно ожидать, что интенсивность износа резца в про­

ционально квадрату коэффициента трения, однако известны

явления, когда при малом коэффициенте трения (у металлов с гек­ сагональной кристаллической решеткой) происходил значитель­

определяемое совокупностью разнообразных механических и фи­ зико-химических процессов. Эти процессы могут протекать раз-

20

личным образом в зависимости от рода трущихся пар, окружающей среды, температуры и многих других параметров.

«Законы трения при резании еще более усложняются, поскольку контактные процессы протекают при изменяющихся в большом диапазоне нагрузках, скоростях, пластических деформациях и других явлениях кинематического и динамического порядка. Это способствует тому, что поверхностное скольжение соп­ ровождается внутренним плас­ тическим течением и, следова­ тельно, при резании возможно большое сопротивление движе­ нию стружки и поверхности резания по инструменту, т. е.

очень высокие коэффициенты внешнего трения.

больших скоростях резания, когда между стружкой и перед­ ней гранью инструмента образуется тончайшая прослойка рас­ плавленного металла, закономерности трения значительно услож­ няются. Считают, что при толщине жидкостной прослойки не менее 0,1 мкм получается жидкостное трение, подчиняющееся закону Ньютона: сила трения пропорциональна градиенту ско­

природы жидкой среды и температуры (коэффициент внутреннего трения или вязкости среды).

21

При более тонкой смазочной прослойке имеет место граничное

тела. При движении неровности зацепляются друг за друга и под­ вергаются упругим или пластическим деформациям. В этом случае полагали, что сила трения равна произведению прочности (на сдвиг) более сдйбого металла трущейся пары на величину площади, на которой происходит сдвиг [30].

Трение гладких поверхностей объясняют схватыванием (адге­ зией) поверхностей, вызванным молекулярным притяжением частиц тела, когда требуется применять значительную силу, чтобы разъ­ единить сцепленные подобным образом поверхности.

При наличии упругого и пластического контакта трущейся пары, учитывая фрикционные свойства поверхностей, И. В. Кра-

ствии нормального давления; Рг — фактическое давление на кон­ такте; р — коэффициент, характеризующий повышение прочности на срез при увеличении нормального давления; k — коэффициент, зависящий от микрошероховатости поверхности и вида контакта

Первые два члена формулы (2) характеризуют адгезионную составляющую коэффициента трения, последний — деформацион­ ную составляющую при пластическом контакте.

Общую гипотезу о механизме трения развивает Б. В. Дерягин [26]. Он считает, что оба фактора — сравнительно грубая шероховатость и адгезионные силы молекулярного притяжения способны вызвать только дополнительное увеличение силы тре­ ния, которое нарушает известный закон Амонтона о пропорцио­ нальности силы трения F нормальной нагрузке. Б. В. Дерягин утверждает, что внешнее трение, подобно внутреннему — явление молекулярное, вытекающее из дискретной атомно-молекулярной структуры материи, т. е. трение в основном вызвано молекуляр­ ной шероховатостью, присущей всякой поверхности вследствие атомного строения тел.

Из этого следует ряд полезных заключений. Например, в зоне умеренных температур, когда тело еще не размягчается и, следо­ вательно, размад тепловых колебаний атомов меньше межатом-

22

ных расстояний, коэффициент трения мало или совсем не будет зависеть от температуры (если с температурой не меняются при­ рода и состояние трущихся поверхностей, например не происхо­ дит размягчения их или образования окисных пленок).

Таким образом, истинный коэффициент трения зависит от молекулярной шероховатости, а также от сил атомно-молекуляр- ного взаимодействия поверхностей трения. Отсюда понятно, по­ чему и для полированных поверхностей коэффициент трения сохра­ няет .высокое значение. Учитывая силы атомно-молекулярного взаимодействия, закон Амонтона выражают в обобщенном виде:

не будет величиной постоянной; он увеличивается, как показывает опыт, с уменьшением нормальной силы. Необходимо учесть, что с изменением нормальной нагрузки будет изменяться площадь действительного контакта и, следовательно, сила трения может значительно отклоняться от некоторого среднего значения. Учиты­ вая, что равнодействующая сил молекулярного притяжения N0 равна площади истинного контакта между трущимися поверхно­ стями 5 0 , помноженной на р 0 — силу молекулярного притяжения, действующую на единицу площади действительного контакта, обобщенный закон трения выражается формулой

F = vl(N + S0 po).

Отмечаемое этим уравнением равноправное участие в формиро­ вании силы трения истинной площади трения и нормального

с закономерностями трения, связанными с физико-механическими

По данным автора, при исследовании коэффициента трения различных инструментальных материалов о сталь и чугун было замечено, что более твердые и плотные режущие пластины имеют пониженные коэффициенты трения. Исследование и опыт пока­ зывают, что коэффициент трения является не только показателем фрикционных свойств исследуемых материалов, но еще в большей

23

степени выражением физико-механических свойств трущихся металлов и, следовательно, их структурного состояния.

Строение кристаллической решетки оказывает решающее влия­ ние на фрикционные свойства и молекулярное схватывание (адге­ зию) моно- и поликристаллических металлов. Считают, например, что металлы с гексагональной решеткой имеют низкие коэффициенты трения и адгезию сравнительно с металлами с кубической гране- и объемно-центрированной решеткой, так как гексагональные металлы обладают наименьшим количеством систем скольжения. Правда, антифрикционные свойства их высокоанизотропны: наи­ меньшие коэффициенты трения наблюдаются при скольжении

а тем самым и адгезия (схватывание) более значительна у метал­ лов с кубической гранецентрированной решеткой вследствие наличия у них многих систем скольжения [124 ]. К этому надо добавить, что адгезия уменьшается у трущейся пары с различными кристаллическими решетками. Эффект взаимного притяжения контактирующих поверхностей (поверхностная энергия), усиливаю­

с величиной коэффициента трения; здесь имеют место более слож­ ные закономерности.

Различают износ твердых тел в условиях упругого контакти­ рования неровностей, пластического деформирования поверхност­ ного слоя и микрорезания.

В случае упругого контактирования площадь фактического касания поверхности трения составляет незначительную часть номинальной площади контакта. При скольжении площадь фак­ тического контакта постепенно увеличивается, пока не устано­ вится в результате приработки шероховатость поверхностей, оптимальная для данных условий трения; время приработки зависит от удельной нагрузки. Используя микрогеометрические и физико-механические характеристики трущейся пары можно рассчитать фрикционные процессы при установившемся движе­ нии 125].

При трении твердых тел в условиях пластического контакта их поверхностные слои находятся в сложном напряженном состоя­ нии и пластически деформируются. Здесь происходит зарождение, движение и взаимодействие дислокаций, чем и обусловливаются

24

Практически в условиях пластического контакта износостой­ кость трущихся материалов связывается не только с величиной коэффициента трения, но и с их прочностными характеристиками (произведением твердости и относительного удлинения при разрыве и характером кривой усталости в условиях жесткого нагружения).

При микрорезании, когда имеется непосредственный контакт острой режущей кромки и поверхности резания, решающим для стойкости лезвия является соотношение твердостей трущихся материалов. Утверждают [47], что при переходе от износа при упругом контактировании к износу микрорезанием интенсивность износа может возрасти на несколько порядков. Это объясняет появление борозд на режущей кромке инструмента.

Необходимо отметить, что процесс резания при некоторых

При высоких скоростях скольжения и соответственно высокой температуре на величину износа могут существенно влиять вели­ чина и знак ускорения. На участках разгона возможны заметное увеличение растягивающих напряжений и, наоборот, сжимающие напряжения на участках замедления. Все это в результате контакт­ ного взаимодействия трущихся поверхностей может отразиться на их износе. Подобный эффект вероятно будет лишь при очень

ских), действующих на наклонных поверхностях напряженного тела. На этом основании определяют предельные значения коэф­ фициентов трения при резании металлов (и, = 0,5-^0,577) по соот­ ношениям между главными касательными или октаэдрическими напряжениями и пределом текучести обрабатываемых материалов независимо от условий протекания процесса. Это не оправдано с точки зрения природы явлений, происходящих при резании металлов [70].

тел. Общеизвестно, что чем больше металлы отличаются по при­ роде, тем лучше они противостоят износу при взаимном относитель­ ном движении. Трение в однородных парах особенно резко воз-

25

растает при отсутствии защитных окисных пленок на трущихся

При осуществлении процесса резания в нейтральной среде (жидкого воздуха, газообразного водорода) значительно усили­

ного газа усилие шлифования возрастало в 20 раз в результате повышения трения на поверхностях абразивных зерен и связки. Вместе с тем процесс резания можно облегчить при использовании органических охлаждающих средств. Металл является катализа­ тором, разлагающим органические среды, чему способствует боль­ шая химическая активность чистых (ювенильных) вновь образуе­ мых поверхностей.

Скорость химических реакций значительно увеличивается при высоких температурах и давлении и особенно при наличии сильно деформированной поверхности. В результате реакций из органи­ ческой среды выделяются водород, кислород, азот и другие эле­ менты, поглощаемые металлом в зоне резания. Здесь атомы водо­ рода охрупчивают металл, снижая удельную работу резания, и тем значительнее, чем пластичнее металл. При насыщении металла углеродом и азотом повышается местная прочность в зоне резания и тогда процесс резания не облегчается, а затруд­ няется.

Исключительная способность ювенильных поверхностей к хи­ мическим реакциям в обычных условиях (без нейтральной среды) даже при комнатной температуре приводит к тому, что на поверх­ ности резания и стружки моментально образуются окисные пленки (скорость образования моноатомного слоя окислов составляет

компоненты обрабатываемого сплава, а некоторые из них имеют

другие металлы, наоборот, образуют плотные окислы, что соот­

лов. Например, упрочненный вольфрам окисляется только при красном калении й при этом получается неустойчивая пленка. Титан, наоборот, отличается большим сродством с кислородом

26

и имеет очень прочную окисную пленку, образующуюся только при температуре от 600° С. Однако при температуре ~1000° С она легко скалывается и теряет защитные свойства. У алюминия очень прочная пленка образуется уже при комнатной температуре и т. д. Наличием на поверхностях трущейся пары прочных защит­ ных пленок, вероятно, можно объяснить известное утверждение Келя и Зибеля, что в условиях сухого трения при определенной

обработке некоторых металлов при определенной скорости реза­ ния (а, следовательно, и температуре) износ режущего инстру­ мента приостанавливается в течение длительного времени, хотя условия работы при этом не способствуют образованию защитного нароста.

Однако образование окисных пленок не всегда обеспечивает снижение силы трения, а тем самым и износа трущихся поверх­ ностей. Износ часто определяется специфическими свойствами окисных пленок и характером связи их с металлом. Эта связь получается тем устойчивее, чем ближе по своему химико-кристал­ лическому состоянию пленка и металл. Пленки подавляют силы молекулярного взаимодействия трущихся ювенильных поверхно­ стей, заменяя их силами вандерваальсовского взаимодействия, ко­ торые слабее молекулярных в несколько сот раз. Известно, напри­ мер, что двухкарбидные титано-вольфрамовые сплавы обрабаты­ вают сталь успешнее, чем однокарбидные вольфрамовые. Это объясняют тем, что окись титана имеет ту же кристаллическую решетку, что и самый карбид титана (TiC) или смесь карбидов TiC + WC, и потому окисные пленки прочно держатся на резце, предохраняя его от усиленного износа. Между тем у карбидовольфрамовых сплавов образующаяся окись вольфрама скорее отпадает, так как она своей триклинной кристаллической решеткой сильно отличается от гексагональной решетки карбидов воль­ фрама [128].

Очевидно, по этой же причине при современном высокоэффек­ тивном методе повышения износостойкости твердосплавных рез­ цов группы ТК на их поверхности, содержащей TiC, осаждаются тончайшие пленки TiC, что обеспечивает прочную связь.

Исследования [182] показали, что свойства тончайших пленок, образуемых на контактных поверхностях режущего инструмента и стружки, зависят от раскисления стали при расплаве. Так, углеродистые стали, раскисленные кальцием, обрабатывались лучше, чем кремнистые раскисленные: уменьшались зона контакта стружки и резца, силы резания и износ инструмента, при этом толщина пленки зависит от температуры. Следовательно, техноло­ гическая родословная металла также важна для его обрабаты­ ваемости.

Повышенное трение часто вызывается тем, что в результате перегрузки (так называемого критического давления) нарушается

27

сплошность пленки и происходит молекулярное сцепление отдель­ ных участков трущихся поверхностей. Это происходит также и вследствие пластической деформации поверхностного слоя, сопро­ вождающейся разрушением пленки, что приводит к резкому уве­ личению коэффициента трения и значительному износу. Замечено, что критическое давление, при котором резко возрастает трение, зависит от физико-механических свойств металла; оно будет тем выше, чем больше предел текучести и температура плавления трущихся металлов.

Нагрев трущихся поверхностей оказывает значительное влия­ ние на коэффициент трения. По данным С. И. Губкина и его со­ трудников, максимум коэффициента трения наблюдается при температурах ~500 и ~ 8 0 0 ° С и понижение его при 700° С. По­ добная картина наблюдалась автором и при трении твердого сплава и минералокерамики о сталь при разных скоростях и, следова­ тельно, при разных температурах. К этому надо добавить, что величина коэффициента трения заметно снижалась с увеличе­ нием плотности материалов трущейся пары. До настоящего вре­ мени нет точного объяснения указанного явления, но можно пред­

металлов, при которых изменяется физико-механическое состоя­ ние поверхности.

Иногда в процессе резания в результате воздействия высоких контактных температур образуются металлические пленки, влия­ ние которых сильно напоминает влияние смазочных жидкостей. Металлические пленки значительно снижают трение и уменьшают износ трущихся поверхностей при условии, что по толщине они превосходят обычный смазочный слой. При обработке стали ОХМ минералокерамическим резцом с высокими скоростями резания автор наблюдал на передней поверхности инструмента мельчай­ шие шарики расплавленного металла, свидетельствующие об обра­

28

8. ДЕЙСТВИЕ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ СРЕДСТВ (СОС)

Пластические деформации и трение, возникающие в процессе резания, вызывают очень высокие давления и температуры в зоне контакта обрабатываемой детали, стружки и режущего инстру­ мента. В ряде случаев этот нагрев играет положительную роль, смягчая обрабатываемый металл в зоне резания, на поверхности контакта его с режущим инструментом и тем облегчая процесс резания. Иногда, как это бывает при работе пил трения, быстродвижущиеся (80—120 м/с) тонкий диск или лента [сильно раз­ мягчают и даже расплавляют (благодаря теплу, выделяющемуся при трении) слой металла и выбрасывают его из прорези в виде снопа искр; здесь отсутствует процесс резания.

Но обычно на поверхности контакта при постоянной нагрузке создаются лишь тончайшие слои смазки и возникает физикохимическое взаимодействие поверхности обрабатываемой детали, стружки и инструмента с окружающей средой. Образуются физи­ ческие, химические, механические пленки в зависимости от содер­ жания СОС и режима резания. Эффективность СОС зависит от степени их реактивности с обрабатываемым материалом, метода подвода и количества СОС. Действие последних можно изобразить следующей схемой.

К этому необходимо добавить моющее действие СОС для уда­ ления стружки и различного рода частиц — элементов разруше-

29