Контактні процеси на передній поверхні інструменту. Утворення елементної стружки

ЛЕКЦІЯ 6 Контактні процеси на передній поверхні інструменту. уТВОРЕННЯ ЕЛЕМЕНТНОЇ СТРУЖКИ

6.1 Контактні явища на передній поверхні інструменту

В загальному випадку поверхня тертя на передній поверхні інструменту складається з двох ділянок: ділянки I (пластичного контакту) шириною c1 і ділянки II (пружного контакту) (рис. 6.1).

Рисунок 6.1 – Дві ділянки тертя на передній поверхні

та епюри розподілу дотичних і нормальних напружень

На ділянці I розташований загальмований шар, в межах якого стружка рухається не по передній поверхні, а по загальмованому шарі, і опір, що спричиняється рухові стружки, визначається опором зсуву в контактному шарі стружки. На цій ділянці зовнішнє тертя ковзання відсутнє і замінюється “внутрішнім” тертям між окремими шарами стружки. На ділянці II стружка контактує безпосередньо з передньою поверхнею. Тут має місце зовнішнє тертя ковзання і опір рухові стружки визначається силою тертя між стружкою і передньою поверхнею. Ширина c1 пластичного контакту залежить від переднього кута інструмента, товщини зрізуваного шару та коефіцієнту усадки стружки

c1 = a[KL(1 – tg ) + sec ].

Відношення c1/c не перевищує 0,7 і для звичайних конструкційних сталей частіше всього дорівнює 0,5.

Величини і характер розподілу контактних напружень можуть бути визначені поляризаційно-оптичним методом або за допомогою розрізного різця. Епюри контактних напружень – нормальних N і дотичних F – на передній та задній поверхнях інструменту мають наступний вигляд (рис. 6.2). Нормальні контактні напруження N мають найбільшу величину біля кромки інструменту, монотонно зменшуючись до нуля по мірі віддалення від неї. Епюра дотичних напружень має екстремальний характер. На ділянці I спочатку по мірі віддалення від кромки напруження F збільшуються, набувають максимального значення, потім починають зменшуватися. На ділянці II дотичні напруження безперервно зменшуються до нуля.

Складаючи в межах площадки контакту N , будемо мати середню нормальну силу N, яку можна вважати прикладеною на відстані C/4 від кромки інструменту. Складаючи контактні дотичні напруження F, будемо мати середню силу тертя F.

Рисунок 6.2 – Епюри контактних напружень на передній

та задній поверхнях інструменту

При вільному різанні з кутом = 0 сили N і F можна знайти, якщо будуть відомі сили P'z і P'x , які діють на зрізуваний шар (рис. 6.3).

Рівнодіюча сил P'z і P'x є силою стружкоутворення, яка нахилена до напрямку вектора різання під кутом дії

Рисунок 6.3 – Схема сил, які діють на передній поверхні інструменту

Таким чином

N = R cos( + );

F = R sin( + ).

Знайдемо R через P'z

Тоді

; (6.1)

. (6.2)

Середній коефіцієнт тертя, розрахований за законом тертя Амантона

Звідси, кут тертя на передній поверхні залежить від переднього кута і кута дії

= ( + ).

На величину середнього коефіцієнта тертя, як відзначалось раніше, окрім механічних і теплофізичних властивостей оброблюваного та інструментального матеріалів, основний вплив чинять передній кут інструмента, товщина зрізуваного шару (подача), мастильно-охолоджувальне технологічне середовище.

В силу наведених чинників, коефіцієнт тертя, розрахований за законом тертя Амантона, при різанні може вважатись коефіцієнтом тертя ковзання тільки умовно. Адже за законом Амантона коефіцієнт тертя є константою контактуючих пар, яка залежить від природи і стану поверхонь тіл, що труться. При різанні він ні за величиною, ні за фізичною суттю, ні за закономірностями зміни не співпадає з коефіцієнтом зовнішнього тертя. Специфічна поведінка коефіцієнта тертя пов’язана з двоякою природою тертя на передній поверхні леза. Із-за наявності ділянок тертя (пластичного і пружного контактування) середній коефіцієнт тертя неможливо ототожнювати ні з коефіцієнтом внутрішнього тертя при пластичній течії металу, ні з коефіцієнтом зовнішнього тертя.

Для розрахунку коефіцієнта тертя запропоновані різні формули, наприклад:

= 0(N + N0),

де N – нормальна сила;

N0 – рівнодіюча сила молекулярного тяжіння, яка діє на одиниці площини дійсного контакту:

N0 = p0s0.

Тут s0 – площа “істинного” контакту тіл, які стикаються;

0 – “істинний” коефіцієнт тертя, який залежить від молекулярно-атомної шорсткості поверхонь.

Згідно з існуючими уявленнями, основні види зовнішнього тертя при різанні різних металів та значення відповідних коефіцієнтів тертя можна розташувати в наступний ряд (табл. 6.1).

Таблиця 6.1 – Значення коефіцієнтів тертя

№ з/п	Вид тертя	Значення коефіцієнта тертя
1	Тертя ювенільних поверхонь	0,8-6,0
2	Тертя окислених фізико-хімічно чистих поверхонь	0,4-0,8
3	Область рубіжного режиму граничного тертя	0,3-0,6
4	Граничне тертя	0,015-0,4
5	Область рубіжного режиму гідродинамічного тертя	0,005-0,02
6	Гідродинамічне тертя	0,01-0,2

6.2 Утворення наросту

В результаті наявності на передній поверхні зони пластичного контакту в залежності від температури в цій зоні та умов різання може мати місце утворення наросту.

Цей процес полягає в тому, що на передній поверхні леза затримується шар металу, який безпосередньо прилягає до передньої поверхні, причому цей шар збільшується за об’ємом, приймаючи різну форму і розміри в залежності від умов деформації (рис. 6.4).

Рисунок 6.4 – Наріст на різці

В подальшому процес різання виконується наростом. Це нашарування металу настільки ущільнене, що має значну твердість, яка перевищує в 3-3,5 разу твердість початкового металу, і в зв’язку з цим за структурою відрізняється від структури металу, із якої воно утворилося. Наріст змінює умови різання, впливає на зношування інструменту, тому що при наявності наросту змінюється форма передньої поверхні, передній кут, змінюється стан поверхні тертя, а також умови теплопередачі. Наріст погіршує параметри шорсткості обробленої поверхні, внаслідок утворення задирів на обробленій поверхні; при його зриванні він залишається на обробленій поверхні, погіршуючи її шорсткість, погіршує точність оброблення. Завдяки цьому при чистовому обробленні він є шкідливим.

Разом з цим, при чорновій обробці, коли якість поверхні і точність оброблення нас не цікавлять, наріст корисний, тому що, прикриваючи передню поверхню, він захищає її та задню поверхню від зношування, а збільшуючи передній кут, зменшує сили різання.

Явище утворення наросту вперше відкрив і дав правильне йому пояснення Я.Г.Усачов. Згідно Усачову наріст – це застій металу в час його деформації, подібний тому, який виникає при вдавлюванні пуансона з незакругленим кінцем. Він також показав, що наріст може утворюватись періодично, а також, що наріст не затримується на різці під час оброблення малопластичних матеріалів, при переривчастому різанні та при великих швидкостях різання.

Необхідно підкреслити, що єдиного погляду на причини виникнення наросту і його стан під час різання немає. Існуючі пояснення механізму утворення наросту такі :

наріст утворюється із часток оброблюваного металу, спресованого під тиском стружки, що сходить, в клиноподібне тіло, яке прилипає до передньої поверхні леза інструменту;
наріст – це застійна зона металу стружки, яка міцно приєднана до передньої поверхні леза інструменту;
наріст є результатом схоплювання оброблюваного та інструментального матеріалів при їх пластичному деформуванні, а також механічного зачеплення стружки за нерівності передньої поверхні леза інструменту; з підвищенням температури схоплювання виникнення наросту відбувається при менших пластичних деформаціях і тисках;
наріст утворюється внаслідок гальмування стружки на передній поверхні леза інструменту.

На основі досліджень, виконаних А.І. Ісаєвим і Т.М. Лоладзе, процес утворення наросту можна представити спрощено наступною схемою (рис. 6.5).

В позиції I, яка відповідає першому миттєвому положенню різця при різанні, наросту ще немає; в позиції II наріст вже є, а в позиції III він значно збільшився в розмірах, внаслідок чого став проникати в оброблювану поверхню і частково сходити зі стружкою; в позиції IV наріст досягає найбільших розмірів; в позиції V сходить зі стружкою та обробленою поверхнею.

Після цього процес утворення наросту знову повторюється. Але знову утворені нарости не є подібними попереднім. Їх форма різноманітна і довільна.

Рисунок 6.5 – Динаміка утворення наросту під час оброблення

В залежності від фізико-механічних властивостей оброблюваного матеріалу та умов різання, є зона швидкостей, при якій спостерігається найбільше утворення наросту (рис. 6.6). Відсутність наросту при малих швидкостях різання пояснюється низькою температурою в зоні контакту стружки з інструментом, а відсутність наросту при високих швидкостях – високою температурою, при якій метал стає більш пластичним і сили тертя зменшуються.

Рис 6.6 – Вплив швидкості різання на висоту наросту

Способи боротьби з наростом:

збільшення переднього кута інструменту;
використання мастильно-охолоджуючих рідин;
оброблення на високих швидкостях різання;
ретельна доводка передньої поверхні леза інструменту.

6.3 Процес утворення елементної стружки

Утворення елементної стружки вивчено значно гірше, ніж зливної.

Вивчення процесу утворення стружки за допомогою швидкісної кінозйомки дозволяє зробити висновок, що перетворення зрізуваного шару в елемент стружки проходить таким чином (рис. 3.20).

При переміщенні інструменту на відстань L передня поверхня леза інструменту діє на деякий об’єм зрізуваного шару, що обмежений паралелограмом m0mn0n.

Коли напруження стискування перебільшать межу текучості матеріалу оброблюваної деталі, починається його течія по передній поверхні і точка m0 виявиться не в точці q1, куди б вона попала при утворенні зливної стружки, а в точці q. Одночасно відбудеться скорочення сторони паралелограму m0n0 до розміру pq.

Рисунок 6.7 – Схема утворення елементної стружки

Внаслідок цього паралелограм m0mn0n зрізуваного шару перетвориться в елемент стружки mnpq. Коли запас пластичності оброблюваного матеріалу буде вичерпано, матеріал зруйнується по площині сколювання і сколотий елемент переміститься по передній поверхні леза. Чим більша ступінь деформування зрізуваного шару, тим більш відрізняється по довжині сторони m0n0 та pq і тим більш форма елементної стружки наближається до трикутної. Стискуючі напруження викликають значні розширення основи елементу стружки, набагато більші, ніж розширення зливної стружки.

Контактні процеси на передній поверхні інструменту. Утворення елементної стружки