Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Поверхность раздела между стружкой и инструментом

03.11.2018

Процесс стружкообразования, определяемый деформацией, сосредоточенной в области условной плоскости сдвига, является одним из аспектов механики процесса резания, привлекающим наибольшее внимание исследователей, занимающихся изучением процессов механической обработки. Изучение характера перемещения стружки и деформированного материала заготовки относительно передней и задней поверхностей резца и вдоль режущей кромки имеет большое значение для понимания как обрабатываемости материалов, так и характеристик режущего инструмента. В большинстве аналитических исследований эти процессы рассматриваются с позиции классической теории трения, согласно которой силы трения препятствуют перемещению материала по поверхности резца, а сами силы рассматриваются в функции коэффициента трения u между инструментом и материалом заготовки. Однако подробное изучение явлений, происходящих на поверхности раздела между инструментом и заготовкой, показывает несостоятельность такого подхода для большинства условий резания металла. На этой стадии необходимо объяснить, почему классическая теория трения неприменима, и предложить более приемлемую модель для анализа этих процессов.

Общее представление о коэффициенте трения дано в работах Амонтона и Кулона, которые показали, что во многих общих случаях скольжения одной твердой поверхности по другой сила F, потребная для осуществления или сохранения скольжения, пропорциональна силе N, направленной по нормали к поверхности раздела, по которой происходит скольжение:

Коэффициент трения u зависит только от этих сил и не зависит от площади контакта двух поверхностей. В работах Боудена, Тейбора, Арчарда и многих других показано, что такая пропорциональность является следствием микрогеометрии реальных твердых тел, контактирующих только вершинами выступов, тогда как впадины разделены зазором.

Сила трения в этом случае является силой, необходимой для разделения или пластического деформирования площадок фактического контакта на вершинах выступов. При нагружении, обычном для условий скольжения, фактическая площадь контакта очень мала, зачастую меньше одной тысячной части номинальной площади контакта перемещающихся поверхностей. С ростом силы, действующей по нормали к поверхности, площадь контакта на вершинах выступов увеличивается пропорционально нагрузке. Поэтому сила трения, необходимая для пластического деформирования площадок контакта, также возрастает прямо пропорционально нормальной силе. Таким образом, представления о скольжении, трении и коэффициенте трения необходимы для решения многих практических задач, в которых напряжения на поверхностях малы по сравнению с пределом текучести материалов.

Когда нормальная сила возрастает до величины, при которой фактическая площадь контакта составляет большую часть номинальной, то фактическая площадь контакта больше не возрастает пропорционально нагрузке. В предельном случае, когда две поверхности контактируют по всей площади, фактическая площадь контакта не зависит от нормальной силы. В этом случае сила, необходимая для относительного перемещения, равна силе, необходимой для деформирования менее жесткого поверхностного слоя по всей площади. Величина этой силы почти не зависит от нормальной силы, но прямо пропорциональна номинальной площади контакта — зависимость, прямо противоположная зависимости, определяемой классической теорией трения.

Следовательно, важно знать условия контакта на поверхности раздела между инструментом и материалом заготовки при резании. Это является сложной областью для исследования. Очень мало важных наблюдений может быть проведено непосредственно во время процесса резания, поэтому заключение о характере контактных процессов можно сделать после остановки процесса резания и изучения поверхности раздела, а также на основании измерения напряжения и температуры. Выводы, представленные в данной книге, сделаны на основании изучения, в основном при помощи оптической и электронной микроскопии, поверхности раздела между материалом заготовки и инструментом после обработки с различными режимами резания. Данные получены на основании изучения изношенных резцов, микрошлифов корней стружек и самих стружек.

Наиболее важным выводом, вытекающим из проведенного исследования, является установление того, что фактическая площадь контакта инструмента и материала заготовки настолько приближается к номинальной, что при большинстве условий резания скольжение на поверхности раздела невозможно. Ниже рассмотрены данные, послужившие основанием для такого утверждения.

Когда резание прекращается путем выключения подачи и отведения резца, то слои материала заготовки чаще всего (но не всегда) остаются на изношенной поверхности инструмента. Их можно увидеть на микрошлифах этих поверхностей раздела. Необходимы специальные металлографические методы для предупреждения закругления режущей кромки в том месте, где инструмент контактировал с более мягким тонким слоем материала заготовки.

На рис. 3.5 приведена микрофотография (х1500) сечения по режущей кромке твердосплавного инструмента при обработке стали. Белая зона — налипший слой обрабатываемой стали на режущей кромке (незначительно закругленной), на передней поверхности резца (горизонтальной) и на изношенной задней поверхности резца. Оба слоя остаются прочно сцепленными во время шлифования и полирования металлографического шлифа. При таком увеличении можно было бы увидеть на микрофотографии любой зазор больше 0,1 мкм, однако его не видно. Наличие зазора маловероятно, так как смазочно-охлаждающая жидкость, применяемая при полировании, впоследствии не выделялась. На рис. 3.6 представлена электронная микрофотография отпечатка сечения по передней поверхности резца из быстрорежущей стали с налипшим материалом заготовки (сверху). Инструмент применялся для обработки стали с очень низким содержанием углерода с высокой скоростью резания (200 м/мин). Налипшая на инструмент сталь претерпела рекристаллизацию, и фактическая площадь контакта двух поверхностей равна номинальной, несмотря на неровную поверхность инструмента, что делает скольжение невозможным.

Многие исследования свидетельствуют о сцеплении двух поверхностей, налипший металл проникает как в большие, так и в малые неровности на поверхности инструмента. На рис. 3.7 виден никелевый сплав, проникший глубоко в трещину на передней поверхности твердосплавного инструмента. Можно было бы ожидать, что при резании серого чугуна адгезия будет много меньше, чем при обработке стали или никелевого сплава, вследствие меньших сил резания, наличия стружки надлома и присутствия графита в сером чугуне. Однако микрошлифы показывают наличие аналогичного обширного схватывания. Сечение по изношенной задней поверхности параллельно передней поверхности твердосплавного инструмента для обработки пластинчатого серого чугуна со скоростью 30 м/мин приведено на рис. 3.8. В налипшем материале заготовки видна трещина, возможно, образовавшаяся при полировании шлифа. При наличии зазора на поверхности раздела образовалась бы трещина. Отсутствие трещины свидетельствует о неразрывности и прочности сцепления материала заготовки и инструмента. Аналогичное сечение по изношенной кромке твердосплавного инструмента на основе карбидов титана, карбидов вольфрама и кобальта приведено на рис. 3.9. Виден полный контакт между налипшим материалом и всеми зернами обеих карбидных фаз, присутствующих в структуре инструмента.


Данные оптической и электронной микроскопии свидетельствуют о сцеплении или «схватывании» исследуемых поверхностей в Такой степени, что обычное скольжение поверхностей по контактирующим выступам невозможно. Часто наблюдаемый устойчивый контакт на всех стадиях шлифования, притирки и полирования микрошлифов свидетельствует о частичном сваривании поверхностей. Отмечаются, однако, значительные колебания прочисти такого соединения, зависящие от материала инструмента и заготовки и условий резания. В одних случаях во время шлифования и притирки материал заготовки отрывается вдоль всей поверхности раздела или частично. В других случаях стружка целиком пристает к инструменту, даже при мгновенном прекращении процесса резания, когда инструмент отводится за счет энергии взрыва порохового заряда (рис. 3.10). Мгновенное прекращение резания может также привести к тому, что тонкий слой материала заготовки останется на инструменте, например, при обработке низкоуглеродистой стали (рис. 3.11). В этом случае соединение настолько прочное, что разделение во время мгновенного прекращения резания происходит за счет вязкого разрушения стружки при растяжении вблизи поверхности инструмента. Характер такого разрушения виден на рис. 3.12, на котором показана часть поверхностного слоя, приведенного на рис. 3.11, при большом увеличении.


Такого рода доказательства свидетельствуют о существовании на поверхности раздела механического взаимодействия и сваривания (независимо либо совместно) при нормальном процессе резания. При этих условиях перемещение материала заготовки по поверхности резца не может быть адекватно описано с применением терминов «скольжение» и «трение» в их обычном понимании. Понятие коэффициента трения непригодно для рассмотрения взаимосвязи между силами, возникающими в процессе резания, по двум причинам: во-первых, нет простой зависимости между силами, нормальными и параллельными поверхности резца, и во-вторых, сила, параллельная поверхности резца, зависит от площади контакта, являющейся очень важным параметром процесса резания металла. Условия, при которых происходит сцепление или соединение двух поверхностей, рассматриваются здесь как условия схватывания в отличие от условий скольжения на поверхности раздала.

Теперь следует определить обобщение, касающееся схватывания на поверхности раздела инструмент-заготовка. Огромное разнообразие условий резания, встречающихся в производственной практике, была рассмотрено, и определены условия, при которых отмечается скольжение на поверхности резца. Это было продемонстрировано при очень низких скоростях резания (несколько сантиметров в минуту), и при этих скоростях применение активной смазочно-охлаждающей жидкости способствовало скольжению. Скольжение на поверхности раздела возникает, например, возле центра сверла, где резание заменяется пластической деформацией. Даже при наличии соответствующих условий схватывание редко происходит по всей поверхности контакта. Вышесказанное иллюстрируется схематически (рис. 3.13) на примере токарного резца. Исследование резцов после обработки свидетельствует о наличии схватывания на передней поверхности резца возле режущей кромки, площадка BECF на рис. 3.13, с шириной ВС, значительно превышающей подачу. Вне этой площади часто можно видеть зону EHDKFC, в которой, судя по визуальным наблюдениям, контакт прерывистый. Трудно, определить, в какой степени схватывание является полным и непрерывным на изношенной задней поверхности резца (площадка BG), однако, судя по данным, приведенным на рис. 3.5, 3.8 и 3.9, схватывание имеет место и на задней поверхности, особенно вблизи режущей кромки.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: