Исследование влияния сож iia процесс взаимодействия инструмента ii заготовки при обработке металлов резанием

Т-Т _m , jf-1

~'f ,_(ьЛ m+ij .

_Лч) - ₍₁₆₎

    Уравнение получено для случая контакта инструмента  и заготовки по схеме, показанной на рис. 2.5., б, т.е.£=4 .

    Для случая, когда имеет место смешанная  смазка, т.е. €>{ , уравнение (16) примет вид:

где }(£)>{ .

    В процессе исследований установлено: коэффициент ^^О&ВгупаХ

⁽W^MpHC-^25a)-

    Таким образом, получено уравнение, устанавливающее  связь между заданной стойкостью режущего инструмента (Ти) , допустимым износом

h , шероховатостью контактирующих поверхностей и

условиями контакта: граничное трение или смешанное.

    Разработанная методика позволяет нормировать  вышеперечисленные параметры, исходя из условий эксплуатации режущего инструмента.

 
 
    

Рис. 2.5. Схема контакта поверхностей инструмента и заготовки при наличии СОЖ: а - инструмент без напыления; б - инструмент с напылением.

РОССИЙСКАЯ  ^МОТЬКА

    2.3. Влияние функциональных  свойств СОЖ на  процесс резания

    В большинстве работ, опубликованных в российской и зарубежной печати, посвященных смазочно-охлаждающим  жидкостям (СОЖ) для обработки металлов резанием, рекомендуется разработку новых более эффективных составов производить только по результатам их испытаний на металлорежущих станках.

    Такой метод подбора компонентов требует  большого количества новой СОЖ (примерно 100 - 400 литров) для заливки в станок. Он предполагает, что специалист, занимающийся созданием нового состава, хорошо знает специфику различных операций обработки металлов резанием. На наш взгляд, на первых этапах разработай нового состава СОЖ подбор компонентов целесообразно производить по их функциональным свойствам, что позволит привлечь к разработке СОЖ большой контингент специалистов, занимающихся синтезом новых присадок для автомобильных, авиационных масел, гидравлических жидкостей.

    Механизм  действия СОЖ многообразен. Поэтому  необходимы глубокие всесторонние исследования сложного комплекса различных явлений с использованием оригинальных методик и установок. Специалисты по резанию металлов оценивают эффективность СОЖ для обработки металлов резанием по результатам их испытаний на металлорежущих станках. В процессе сравнительных испытаний анализируется влияние СОЖ на стойкость инструмента, шероховатость обработанной поверхности, силу резания, остаточные напряжения, проверяется возможность увеличения режимов резания.

    В настоящее время нет общепризнанной теории, объясняющей многочисленные аспекты механизма действия СОЖ. Исследование сложных и многообразных процессов, происходящих в зоне резания, затрудняют большие градиенты температур и давлений в тонких поверхностных слоях, высокие скорости деформаций.

    Различают технологические, функциональные, санитарно- гигиенические, эксплуатационные, экологические  свойства. Технологичс- ске свойства СОЖ оценивают по выходным показателям  процесса обработки детали на металлорежущих станках: минимально допустимому машинному времени, качеству поверхности обработанной заготовки, износу режущего инструмента и т.п. Экологические свойства СОЖ влияют на окружающую среду, при этом учитывается возможность их регенерации и утилизации.

    Функциональные свойства - режущие, смазывающие (противоиз- носные, противозадирные), смачивающие, проникающие, охлаждающие, моющие, антикоррозионные - проявляются в:

• уменьшении износа инструмента и сил резания (смазочное действие);
• снижении прочности поверхностных слоев обрабатываемого металла (режущее действие - эффект П. А. Ребиндера);
• проникновении в зону резания (проникающие);
• снижении температуры заготовки и инструмента (охлаждающее действие);
• удалении продуктов резания и износа из зоны обработки (моющее действие);
• уменьшении амплитуды и частоты колебаний инструмента и заготовки (демпфирующее действие);
• предотвращении коррозии заготовки и деталей металлорежущих станков (антикоррозионное действие).

    Разработчикам новых составов лете ориентироваться  не на технологические, а на функциональные свойства СОЖ, так как их можно оценить не только в процессе обработки заготовок на станках, но и косвсн- ным образом - на приборах и установках, позволяющих без снятия стружки моделировать процессы, происходящие в зоне резания.

    Количественная  оценка целого ряда функциональных свойств  на модельных установках регламентируется в России и за рубежом специальными стандартами. Проведение достоверных испытаний функциональных свойств СОЖ является важным этапом процесса направленного выбора высокоэффективных составов. К сожалению, в большинстве печатных работ по СОЖ, или вообще не рассматриваются их функциональные свойства или отсутствуют сведения об их количественной оценке - приводятся лишб качественное описание влияния функциональных свойств на процесс обработки.

    Следует отметить, что значительная часть  исследователей и фирм, занимающихся разработкой новых составов масел, например, для двигателей или коробок передач, отрицательно относится к возможности ранжирования масел по результатам модельных испытаний. Однако до 70 процентов опубликованных работ содержат результаты таких испытаний, проведенных на этапе предварительных исследований [83].

    2.3.1. Смазывающие свойства  СОЖ

    Улучшение смазывающих свойств СОЖ обеспечивает снижение сил трения опорной поверхности  стружки о переднюю поверхность  инструмента и задних поверхностей инструмента о заготовку, снижает общее количество тепла, которое выделяется при резании.

    Смазывающее действие СОЖ препятствует наростообразованию на рабочих поверхностях инструмента, в результате чего снижается шероховатость обрабатываемой поверхности заготовки, повышается точность обработки. В качестве примера приведем работу [68], объясняющую более высокую эффективность рекомендуемого состава СОЖ противоиз- носным действием химически-активных компонентов, которые, «создавая устойчивые защитные пленки на рабочей поверхности инструмента, снижают абразивный и адгезионный износ». Практика показывает, что чем больше скорость резания и толщина среза, тем ниже положительное влияние СОЖ на процесс стружкообразования.

    Механизм  смазывающего действия СОЖ подробно рассмотрен в работах [4 - 7). Суть смазывающего действия СОЖ состоит в уменьшении реакционной способности образуемых в процессе резания ювенильных поверхностей; снижении количества и прочности адгезионных связей между контактирующими поверхностями; в уменьшении площади (длины) контакта стружки с передней поверхностью инструмента и в образовании граничной пленки, защищающей поверхность контакта обрабатываемого и инструментального материалов от физико-химической и механической деструкции.

    Значительный  вклад в научное понимание  физики явлений трения и изнашивания  внесли российские ученые В.Д. Кузнецов, И.В. Крагельский, Б.И. Костецкий, А.С. Ахматов, Н.А. Буше, Н.Н. Давиденков, Ю.С. Терми- насов, И.А. Буяновский, а за рубежом - Д. Арчард, Ф. Боуден, Д. Тейбор, Т. Кун и др.

    При резании металлов схватывание инструментального  и обрабатываемого материалов приводит к изменению условий взаимодействия инструментального и обрабатываемого материала, к большим пластическим деформациям обрабатываемого металла, как менее прочного из контакти- руемых тел, к росту микронеровностей ухудшению качества обработанной поверхности. Отметим, что при трении деталей машин схватывание может привести к их поломке.

    Задача  антифрикционных присадок - снизить  коэффициент трения в условиях граничной  и эластогидродинамической смазок. Модификаторы трения отличаются от противоизносных присадок, хотя некоторые модификаторы совмещают функции и тех и других продуктов.

    Улучшение противозадирных свойств СОЖ  стабилизирует процесс наростообразования, уменьшает величину нароста, прочность  и силу его сцепления с инструментом.

    Для «легких» условий резания в СОЖ  могут использоваться модификаторы трения-соединения, образующие на поверхности контакта ин- струмент-заготовка мономолекулярный слой с очень длинными радикалами. Причем эти радикалы обладают свойством легко деформироваться в направлении приложения силы трения.

    В качестве антифрикционных присадок используют предельные кислоты, спирты и амины, графит, дисульфид молибдена и некоторые другое вещества. Графит и дисульфид молибдена практически не используются в СОЖ, так как они не растворимы в масле и при длительном хранении могут выпасть в осадок.

    Реализация  смазывающих свойств СОЖ при  резании металлов в диапазоне  практически применяемых режимов  резания в условиях, когда на значительной части контактных поверхностей происходят процессы схватывания, рассмотрена в работах [5,31].

    При повышении смазочных свойств  СОЖ улучшаются следующие параметры  обработки:

• уменьшается шероховатость и волнистость обработанной поверхности заготовки;
• стабилизируется процесс наростообразования, уменьшается размер нароста, прочность и сила его сцепления с инструментом;
• снижаются фрикционный нагрев и температура в зоне резания, силы трения и расход энергии;
• увеличивается стойкость инструмента вследствие уменьшения износа и задира лезвийного инструмента;
• возрастает производительность обработки.

    Однако  увеличение смазывающих действий СОЖ  может иметь и отрицательные  последствия в тех случаях, когда:

• введенные присадки усиливают коррозийно-механическое изнашивание инструмента;
• нарост оказывает защитное действие (например, при обработке сталей на сравнительно невысоких режимах резания инструментами из быстрорежущей стали);
• в зоне контакта инструмент-деталь образуются граничные пленки, которые имеют более высокую прочность, чем металл заготовки. Это приводит к возрастанию сил резания;
• увеличивается количество зерен, скользящих по обрабатываемой поверхности и не участвующих в процессе резания, при внутреннем шлифовании в условиях недостаточной жесткости технологической системы. Это снижает производительность и качество алмазно-абразивной обработки.

    Силу  трения на поверхностях контакта инструмент-деталь можно рассчитать по формуле Боудена-Тейбора:

/V=F_A/a+F_c(l-a), (18)

где F_M - сила трения на поверхности контакта;

а - доля от общей поверхности, на которой  осуществляется

    металлический контакт;

F_c - сила трения на площадях контакта с граничной пленкой.

    В случае образования нароста на рабочих  поверхностях инструмента создается дополнительная сила сопротивления F_nf, связанная с «пропахиванием» поверхности заготовки. Таким образом, в условиях наросто- образования сила трения будет определяться по формуле:

F_T =F,/z+F_c(\-a)+F_np. ₍₁₉₎

    Добавление  поверхностно-активных веществ (ПАВ) и  химически- активных компонентов в  СОЖ изменяет влияние функциональных свойств.

    В общем случае сила трения fjp при наличии СОЖ описывается уравнением [24]:

/тр  ⁼$п^тп ⁺ S_y Ту + S_npr_{np э} (20)

где S_n - площадь контакта инструмента и заготовки, покрытая граничной пленкой;

    г_п - среднее напряжение сдвига граничной пленки;