1.3.1. Контактні процеси на робочих поверхнях леза інструменту

1.3.1. Контактні процеси на робочих поверхнях леза інструменту

Рисунок 1.18 - Схема сил, що діють на передній поверхні інструменту

Відомо, що різання являє собою процес впровадження різального клину (леза) у заготовку з утворенням нової поверхні за рахунок відділення від заготовки зрізуваного шару. У результаті такої взаємодії на контактних поверхнях виникають сили опору ковзанню, які прийнято характеризувати нормальними  і дотичними  напруженнями (рис. 1.18, 1.19). Велика кількість виконаних експериментальних робіт дозволяє скласти уявлення про процеси, що відбуваються на контактних поверхнях (передній та задній) леза інструменту.

Нормальні напруження , обумовлені величиною дотичних напружень , що  діють у зоні первинних деформацій (в умовній площині зсуву ОА (рис. 1.18)):

,

де - сила зсуву в площині ОА, Н; b – ширина зрізуваного шару, мм.

Процес утворення стружки почнеться в тому випадку, коли, де - границя текучості оброблюваного матеріалу на зсув.

Вважається встановленим, що нормальні контактні напруження  (рис. 1.19а, 1.20а) мають найбільшу величину біля різальної кромки інструменту, монотонно спадаючи до нуля в міру віддалення від неї. В області різальної кромки вони можуть досягати в різних умовах (2-3), свідчачи про те, що стружка в області різальної кромки перебуває в стані загальної пластичної текучості.

 

             а)                                                                б)

Рисунок 1.19 - Характерний розподіл контактних напружень,  і відносної швидкості ковзання  на контактних поверхнях леза (а) та зони контакту стружки з передньою поверхнею леза інструменту (б)

Що стосується епюри дотичних контактних напружень на передній поверхні , то їх на певній ділянці контакту стружки з нею прийнято вважати постійними (рис. 1.20а) й такими, що дорівнюють межі міцності на зсув матеріалу стружки (приблизно 0,6). При подальшому віддаленні від різальної кромки дотичні напруження зменшуються до нуля. У загальному випадку дотичні напруження на передній поверхні пропорційні нормальним в області найбільшого віддалення границі площадки контакту від різальної кромки, де нормальні напруження незначні. У той  же час дотичні напруження не залежать від нормальних напружень в області біля різальної кромки, де нормальні напруження досягають своєї максимальної величини.

 

     а                                        б

Рисунок 1.20 - Форма епюри дотичних контактних напружень (а) і розподіл температури в зоні контакту стружки з передньою поверхнею леза інструменту (б)

На ділянці зовнішнього тертя (зони І та ІІ (частково) на рис.  1.19) дотичні напруження безупинно зменшуються до нуля (рис. 1.20а). Температура на поверхні інструменту в області його контакту зі стружкою й заготовкою також розподілена нерівномірно (рис. 1.20а,б), маючи максимум поблизу середини цієї області, тобто С1?0,5С (рис. 1.19).

Примітка. Температура поверхневих шарів стружки та інструменту різна в одному й тому ж місці поверхні контакту, оскільки нагріву піддаються увесь час одні й ті ж шари інструменту, а контактні поверхні стружки й заготовки безупинно оновлюються. Тому якщо в практичних умовах максимальна температура на поверхні інструменту не повинна перевищувати температуру теплостійкості інструментульного матеріалу, то максимальна температура в поверхневих шарах стружки може бути як меншою за неї, так і більшою та навіть досягати температури плавлення оброблюваного матеріалу

Рисунок 1.21 - Епюри контактних напружень на передній і задній поверхнях леза інструменту

На рис. 1.21 наведені епюри контактних напружень: нормальних  і дотичних  на передній і задній поверхнях леза інструменту з радіусом округлення ? різального леза, отримані поляризаційно-оптичним методом. Епюра нормальних напружень безперервна для площадок контакту l1 і l2 передньої й задньої поверхонь, а епюри дотичних напружень на цих площадках індивідуальні.

Це дало підстави М.М. Зореву описати залежність нормальних  напружень на передній поверхні степеневою функцією:

,де ; ;

 - середнє контактне навантаження (тиск) на передній поверхні;  – відстань від різальної кромки до розглянутої точки (0 ? х ? l1); а – товщина зрізу; Ка - коефіцієнт усадки стружки; g- передній кут; ? – кут дії (див. рис. 1.18).

Сучасні уявлення про розподіл напружень на контактних площадках робочих поверхонь леза інструменту наведені на

рис. 1.19а. У загальному випадку область контакту стружки з передньою поверхнею леза інструменту на довжині площадки контакту 3 можна розділити на пружну (І), перехідну (ІІ) і пластичну (ІІІ) зони (рис. 1.19). На ділянці пружного контакту І стружка контактує безпосередньо з передньою поверхнею. Тут здійснюється зовнішнє тертя ковзання, й опір руху стружки визначається силою тертя між контактуючими тілами. На ділянках пластичного контакту ІІІ й частково ІІ (частково на ширині площадки контакту С1) розташований загальмований шар (застійна зона), у межах якого стружка рухається не по передній поверхні, а по загальмованому шару, і опір руху стружки визначається опором зсуву в контактному шарі стружки. На цих ділянках зовнішнє тертя ковзання відсутнє і заміняється «внутрішнім» тертям між окремими шарами стружки. При такій схемі на площадці контакту, який має області пружного й пластичного контактів практично хімічно чистих (ювенільних) поверхонь, в умовах високих температур і тисків різко інтенсифікуються адгезійні (див. розд. 1.3.1.1) та дифузійні (див. розд. 1.3.1.2) процеси.

Величина площадки контакту С залежить від переднього кута ?, товщини зрізуваного шару а, ступеня деформації стружки, швидкості різання й інших факторів. Для її визначення використовуються формули багатьох авторів, серед яких найбільше застосування знайшла модифікована формула Н.Г.Абуладзе

,

з якої видно, що С зростає при збільшенні коефіцієнта усадки стружки Ка, товщини зрізу а зменшується при збільшенні переднього кута ?. Установлено, що при збільшенні кута нахилу різальної кромки ? довжина контакту стружки з передньою поверхнею С також зменшується.

Процес тертя на робочих поверхнях інструменту має як подібні ознаки, так і відмінності із процесом, що виникає при ковзанні будь-яких металевих поверхонь.

Щоб зрозуміти відмінності між цими процесами, розглянемо спочатку загальну механіку тертя-ковзання.

Рисунок 1.22 - Схема контактування двох  поверхонь

У загальному випадку тверді поверхні мають просторові дефекти, які перевищують за розмірами атомні відстані. При накладенні однієї поверхні на іншу за рахунок того, що контактування відбувається по окремих виступаючих нерівностях (рис. 1.19 б, 1.22), дійсна площа контакту fr звичайно становить незначну частку від ідеальної площі f. При збільшенні навантаження на поверхнях, що з'єднуються, площа контакту збільшується - спочатку за рахунок пружних деформацій, однак уже при подальшому відносно незначному зростанні навантаження деформація нерівностей стає пластичною, і дійсна площа контакту збільшується прямо пропорційно прикладеному навантаженню незалежно від реальної або ідеальної площ поверхонь, що контактують. Таким чином,

,

де N – нормальна сила на передній поверхні;  - границя текучості.

Сила тертя в цьому випадку є силою, необхідною для розподілу або початку пластичного деформування вершин виступів, формуючи площадки фактичного контакту. Із зростанням сили, що діє по нормалі до поверхні, площа контакту на вершинах виступів збільшується пропорційно навантаженню. Тому сила тертя F на передній поверхні (див. рис. 1.18), яка необхідна для початку пластичного деформування виступів на площадках контакту, також зростає прямо пропорційно нормальній силі на передній поверхні N (силі нормального тиску). Їхнє відношення в умовах зовнішнього ковзання є величиною, приблизно постійною, і називається коефіцієнтом тертя ковзання, який розраховується за законом тертя Амонтона

.

Такі уявлення про ковзання, тертя та коефіцієнт тертя прийнятні для розв‘язання багатьох практичних задач, у яких напруження на поверхнях малі в порівнянні із границею текучості матеріалів.

Разом з тим, коли нормальна сила зростає до величини, при якій фактична площа контакту становить більшу частину номінальної, фактична площа контакту більше не зростає пропорційно навантаженню, тобто у граничному випадку, коли дві поверхні контактують по всій площі, фактична площа контакту вже не залежить від нормальної сили. У цьому випадку сила тертя, що виникає при відносному переміщенні поверхонь, дорівнює силі, необхідній для деформування менш жорсткого поверхневого шару по всій площі. Величина цієї сили майже не залежить від нормальної сили, але прямо пропорційна номінальній площі контакту - залежність, прямо протилежна залежності, яка обумовлена класичною теорією тертя. Відомо, що така схема контакту твердих тіл, які рухаються відносно один одного в умовах, характерних для процесу різання (ювенільно чисті контактуючі поверхні, високі тиск і температура), характерна для переважної більшості видів механічного оброблення й обумовлена характером перебігу різних процесів (механічного руйнування, теплових, адгезійних, дифузійних та ін.), що супроводжують процес тертя леза інструменту зі стружкою і поверхнями на заготовці.