загрузка...
 
1.3.1.1. Адгезійні процеси при різанні
Повернутись до змісту

1.3.1.1. Адгезійні процеси при різанні

Як ми вже відзначали, навіть найгладкіші металеві поверхні в субмікроскопічному масштабі є шорсткуватими і при зіткненні контактують своїми виступаючими ділянками. На цих ділянках локальні тиски стають достатніми для забезпечення пластичної деформації. Внаслідок цієї пластичної деформації оголюються нові поверхні, метали безпосереднбо контактують хімічно чистими поверхнями й між ними встановлюються адгезійні зв'язки.

Примітка. Адгезія (від лат. аdhaesio - прилипання) це злипання (схоплювання, зварювання) контактних ділянок твердих тіл, що з’єднуються своїми поверхнями. Адгезія обумовлена міжмолекулярною й міжатомною взаємодією

Авторадіофотограми відносно нерухомих поверхонь під навантаженням, спрямованим нормально до площини поділу, показують, що в тому випадку, коли металеві поверхні притискаються одна до одної, при певних умовах можуть утворюватись містки зв’язок (з’єднання) (рис. 1.23а), які складаються із контактуючих матеріалів (нова формація).

           D:рис. для зношуванняа.jpg            D:рис. для зношуванняб.jpg

        а                                                    б

Рисунок 1.23 - Схема утворення та руйнування адгезійних містків зв’язок

При роз'єднанні поверхонь ці містки зв'язок можуть руйнуватися або безпосередньо по новій формації, або з відокремлюванням її з якоїсь із контактуючих поверхонь (рис. 1.23б). Таким чином, руйнування містків адгезійних зв’язок може супроводжуватись перенесенням з однієї поверхні на іншу металевих часток, величини яких значно більші в порівнянні з розмірами атомів. Подібні експерименти свідчать про те, що в області контакту завжди утворюються адгезійні зв'язки, які розриваються при розділенні поверхонь. Для виникнення адгезії («містків» міцних металевих зв'язків) необхідно, по-перше, достатнє зближення поверхонь, щоб почали діяти атомні й молекулярні сили і, по-друге, щоб шляхом пластичної деформації була вилучена поверхнева плівка, що складається з окислів і зміцненого (наклепаного) металу, і в результаті цього відбулося стикання чистих металів. Адгезія є результатом утворення інтерметалічних зв'язків між контактуючими тілами і залежить від їхньої здатності утворювати між собою хімічні сполуки й тверді розчини. Чим більше спорідненість (за хімічним складом) контактуючих матеріалів, тим (за інших рівних умов) імовірність адгезії вища.

Час, при проходженні якого частинки оброблюваного матеріалу перебувають у контакті з інструментом у зонах ІІ (частково) і ІІІ (рис. 1.19),  при традиційних швидкостях різання становить не більше 3-10с, що значно менше часу, необхідного для формування плівок окислів на заново утворених поверхнях стружки й заготовки (різання й обробленої). З іншого боку, механічна взаємодія стружки і, наприклад, поверхні різання, що рухаються щодо передньої й задньої поверхонь леза інструменту, відповідно призводить до руйнування значної частини крихких поверхневих плівок окислів на них.

При низьких температурах дійсні адгезійні зв'язки на одиницю площі можуть бути значно меншими, ніж при підвищених температурах. При зміні температури змінюється і дійсна межа міцності контактуючих матеріалів. Тому при достатньо високих температурах уся площа контакту може бути охоплена адгезійними зв'язками, однак питома сила адгезії (де Fа – абсолютна сила відриву, S – площа поверхні відбитка) виявиться значно меншою, ніж при більш низькій температурі. Тому адгезійну взаємодію контактуючих тіл прийнято характеризувати коефіцієнтом інтенсивності адгезії Кад, що являє собою питому силу адгезії Fп, віднесену до межі міцності ?в оброблюваного (випробовуваного) матеріалу:

.

На рис. 1.24 наведені криві зміни коефіцієнта інтенсивності адгезії Кад залежно від зміни температури, з яких випливає, що для всіх пар спостерігається однаковий характер зміни інтенсивності адгезії.

Creat0016

Рисунок 1.24 - - Температурні залежності коефіцієнта адгезії корунду (крива 1), кубічного нітриду бору (крива 2) і алмазу (крива 3) до заліза Армко (а) і титану (б); твердих сплавів Т15К6 (в) та ВК8 (г) до сталі 12Х18Н10Т (крива 4), титану (крива 5) і заліза Армко (крива 6)

Зі збільшенням температури спостерігається зростання інтенсивності адгезії, і після температури фазових перетворень спостерігається спад кривих (винятками є пари з металокерамічними твердими сплавами). Фактично спад після досягнення Кад = 1 не повинен спостерігатися в тому випадку, якщо немає дифузійної взаємодії контактуючих пар.

Однак при контакті алмазу й карбіду кремнію із залізом Армко (технічно чисте залізо) при температурі вище 900?С відбуваються фазові перетворення й утворення на границі поділу шару зі зміненою структурою, межа міцності якого має більші значення. Тому значення Кад необхідно визначати до температури фазових перетворень. Що ж стосується кубічного нітриду бору й корунду, то у зв'язку з відсутністю фазових перетворень спостерігається збереження значення Кад=1. Рівність одиниці цього відношення природно, тому що якщо при суцільному контакті вся номінальна площа охоплена адгезійними зв'язками,  питома сила адгезії повинна дорівнювати межі міцності оброблюваного матеріалу при даній температурі.

Слід зауважити, що достовірним на наведених сімействах кривих є те, що, починаючи з температури 500?С, спостерігається тенденція до зростання Кад до температури фазових перетворень a - ? - титану. Проведені дослідження показали, що інтенсивність адгезійної взаємодії досліджених матеріалів зі збільшенням температури суттєво змінюється. Ці дані також дають певне пояснення явищам адгезійного зношування різальних інструментів (див. розд. 1.3.4.2). Наприклад, мала інтенсивність адгезійних зв'язків у парі «залізо Армко – сплав Т15К6» у порівнянні з парою «залізо Армко – сплав ВК8» свідчить про те, що карбід титану в сплаві Т15К6 є інгібітором адгезійних зв'язків, і тому титано - вольфрамо - кобальтові сплави мають більшу різностійкость у порівнянні з вольфрамо - кобальтовими сплавами.

Примітка. Інгібітор (від лат. inhibeo – затримую) – речовина, що гальмує процес

Відразу можна відзначити, що сплави на основі титано - вольфрамових карбідів не повинні мати особливих переваг з погляду адгезійного зношування при обробці сплавів на основі титану.

Значний вплив на процес схоплювання чинить застосування змащувальних рідин. У випадку контакту твердих металів за наявності змащення перенесення металу, як правило, зменшується, але не завжди усувається повністю.

При різанні в середовищах води, масел, чотирихлористого вуглецю, різних спиртів і т.д. залежно від властивостей інструментульного й оброблюваного матеріалів адгезія може як зменшуватися, так і збільшуватися.

На рис. 1.25 показана передня поверхня різця із загартованої сталі 40 після короткочасного різання сталі 18Х2Н4ВА в середовищі повітря. Видно прилиплі в результаті адгезії до передньої поверхні частинки оброблюваної сталі.

Рисунок 1.25 - Передня поверхня різця після короткочасного різання сталі 18Х2Н4ВА

(сталь 18Х2Н4ВА - сталь 40 загартована; v = 8,3мм/с; а = 0,07 мм; b = 4 мм; g = 10°; a = 10?)

  

            а)                                            б)

Рисунок 1.26 - Корінь стружки при різанні сталі 20Х у середовищах бензолу (а) і ССl4 (б)

(сталь 20Х - Р18; v=13,2 м/хв; а=0,1 мм; b=2мм; ?=10?)

На рис. 1.26 наведені знімки кореня стружки при різанні в середовищі бензолу С6Н6 (а) і в середовищі чотирихлористого вуглецю ССl4 (б). На рис. 1.26а спостерігається інтенсивна пластична деформація контактних шарів: лінії текстури контактних шарів стружки викривляються й стають практично паралельними передній поверхні. При різанні в середовищі ССl4 лінії текстури в контактних шарах стружки майже не викривляються, що свідчить, що різке зниження як адгезійних зв’язків, так і тертя (рис. 1.26б).

Подібний вплив на процес адгезії й тертя виявляють і інші змащувальні рідини. Однак в області високих тисків поблизу різальної кромки на площі, трохи більшій перетину зрізуваного шару, змащення не в змозі повністю усунути адгезію.

Існують різні точки зору на те, яким чином рідина проникає в зону контактуючих тіл. Найбільш достовірним можна вважати, що рідина проникає між контактними поверхнями внаслідок нещільного контакту завдяки наявності мікро- та субмікровиступів і пор. Для того щоб пересвідчитись у цьому, можна провести наступний експеримент. Плексигласовий різець із полірованими поверхнями може різати олово, свинець та інші м'які матеріали. Наносячи краплю пофарбованої води або чотирихлористого вуглецю на поверхню різання (при малих швидкостях), можна помітити, як рідина, швидко всмоктуючись, проникає в контакт і змочує його поверхню. Цей дослід наочно показує, що виступи і дрібні пори на поверхні контакту цілком достатні для проникнення рідини. Чим менша в'язкість рідини, тим швидше вона проникає в контакт. Наприклад, чотирихлористий вуглець і вода швидше проникають у контакт, ніж масло.

Рисунок 1.27 - Замальовки з мікрошліфів зони контакту при різанні в різних середовищах (сталь 20Х - Р18; v = 0,2 мм/з; а = 0,1 мм; g=10?)

На рис. 1.27 схематично наведені результати дослідження процесу різання сталі 20Х у різних рідинах і газоподібних середовищах, які показують, що однаковий і найбільш сильний ефект із зменшення довжини контакту, усадки і сил різання дає застосування чотирихлористого вуглецю й чистого хлору, що мають найбільшу хімічну активність. Однаковий ефект застосування рідини й газу свідчить про те, що головним є створення на контактних поверхнях захисної плівки тим або іншим реагентом внаслідок хімічної реакції.

Найбільш інтенсивна адгезія спостерігається при різанні у вакуумі. Усе це свідчить про те, що зменшення адгезії стружки з інструментом є результатом хімічної взаємодії середовища з ювенільною поверхнею металу. Продукти хімічної взаємодії у вигляді солей, окислів та ін., перебуваючи в процесі різання між оброблюваним металом і інструментом, зменшують адгезію.

Слід підкреслити, що не всяка рідина зменшує адгезію. Наприклад, бензол, проникаючи в контакт, інтенсифікує адгезію (див. рис. 1.26а) при різанні сталі, тому що, будучи інертним стосовно сталі, він виключає проникнення хімічно активного кисню повітря в зону контакту і формування захисної окисної плівки.

Адсорбція інертних газів нехтовно мала, тому досліди в середовищі цих газів (гелію, аргону й ін.) рівноцінні дослідам у вакуумі. Ті гази, які інтенсивно реагують із оброблюваним матеріалом і різальним інструментом і утворюють захисні плівки з окислів або солей, знижують адгезію й поліпшують чистоту оброблення (сірководень, хлор, кисень і деякі інші).

Високі контактні тиски, що виникають при різанні, виключають гідродинамічний режим змащення при використанні звичайних мастильних матеріалів. Змащення видавлюється, і на поверхнях контакту зберігається тільки тонка плівка з декількох молекулярних шарів. Жирні кислоти, реагуючи з металевими поверхнями, утворюють захисну плівку милоподібних сполух, що мають більшу температуру плавлення, ніж жирні кислоти (порядку 200?С). Саме здатністю утворювати на контактних поверхнях тверді мастильні плівки й пояснюється перевага жирних кислот перед парафінами й спиртами. Для досягнення ефективного змащення при більш високій температурі в змащувальну рідину вводяться добавки, що містять сірку, хлор або те й інше разом. Ці добавки, взаємодіючи з металевою поверхнею, утворюють сульфіди або хлориди, із яких і складаються плівки, що захищають нижчі шари металу від адгезії. Для залізних сплавів сульфіди зберігають свою ефективність до 800?С, а хлориди - тільки до 400?С. Там, де температура тертя не дуже велика, краще проявляють себе хлоровані добавки.

Значний вплив на змащувальний ефект виявляє швидкість різання. Зі збільшенням швидкості різання адсорбовані на поверхні плівки після руйнування при відносному переміщенні, наприклад, стружки і передньої поверхні, не встигають відновлюватися в контактній зоні, умови різання поступово наближаються до умов тертя у вакуумі або в середовищі інертних газів, і інтенсивність адгезії збільшується. Крім того, у точках контакту виникають температурні спалахи, середня температура в зоні тертя підвищується, контактні шари розм'якшуються, виступи і пори в контакті зменшуються або зовсім зникають і з появою суцільного контакту змащення й повітря не проникають у контакт. Тому з підвищенням швидкості різання ефективність змащення і взагалі вплив різних середовищ на адгезійні процеси, а відповідно і на тертя різко знижується.



загрузка...