19_Posvatenko.doc Розвиток уявлень про контактні явища та тертя в процесах різання матеріалів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 127 Посвятенко Е.К., Посвятенко Н.І., Національний транспортний університет, м. Київ, Україна РОЗВИТОК УЯВЛЕНЬ ПРО КОНТАКТНІ ЯВИЩА ТА ТЕРТЯ В ПРОЦЕСАХ РІЗАННЯ МАТЕРІАЛІВ Стан питання Теплові явища відіграють важливу роль у процесі різання, оскільки, визначають температуру в зоні різання, що впливає на характер пластичної деформації, утворення стружки, наріст, усадку стружки, силу різання і мікроструктуру поверхневого шару. Ще більш істотно температура різання впливає на ін- тенсивність зношування інструмента і період його стійкості [1]. Так, основні інструментальні матеріали задовільно працюють у процесі різання до досягнення наступних температур: вуглецеві та леговані ін- струментальні сталі – 200 - 220 ºС; швидкорізальні сталі – 500 - 550 ºС; тверді сплави – 850 - 1050 ºС; си- нтетичні і природні алмази – 800 ºС; кубоніт – 1100 ºС; мінералокераміка – 1050 - 1150 ºС. Джерелом виділення теплоти при знятті стружки є механічна робота, яка витрачається на її зрі- зання, при чому до 99,5 % цієї роботи перетворюється у тепло. Механічна робота, а отже і виділення теп- ла відбувається у зоні пластичної деформації, ділянках тертя по передній та задній поверхнях. Експери- менти показують, що при обробці звичайних конструкційних сталей зі швидкостями до 40 м/хв відносна кількість теплоти становить: 60 - 70 % тієї, що переходить у стружку, 3 % - у інструмент; 30 - 40 % – у деталь; 1 - 2 % – у навколишнє середовище [1]. Н.Й. Рєзніков серед кількох джерел утворення теплоти при різанні виділяє механічну роботу те- ртя, що виникає між різцем і стружкою внаслідок їх контакту по передній грані інструменту, а також – механічну роботу тертя між виробом і різцем в зоні їх контакту по задній грані останнього [2]. У роботі Г.І. Грановського та ін. [3] відзначається наступне. Якщо враховувати тільки головні джерела тепла, то можна стверджувати, що вони розміщені на трьох поверхнях. Першим джерелом є зона максимальних зсувів, або зона найбільших деформацій. Другим джерелом тепла є поверхня, по якій відбувається тертя стружки по передній грані інструмента. Третім джерелом тепла є контактна площадка задньої гарні ін- струмента, що треться по заново сформованій обробленій поверхні. Прийнято вважати, що ділянка тертя по передній поверхні складається з двох частин: ділянки пластичного контакту і ділянки пружного контакту. На першій ділянці розташований загальмований шар, у межах якого стружка рухається не по передній поверхні, а по загальмованому (привареному) ша- ру, і опір, здійснюваний рухом стружки, визначається опором зсуву у контактному шарі стружки з ура- хуванням температури цих шарів. На цій ділянці зовнішнє тертя ковзання відсутнє і заміняється більш енергетично вигіднішим внутрішнім тертям між окремими шарами стружки. На другій ділянці стружка контактує в умовах зовнішнього тертя ковзання і опір руху стружки визначається силою тертя між стру- жкою і передньою поверхнею інструмента. Результати дослідження Питанням тертя в період становлення науки про різання матеріалів приділялось вкрай мало ува- ги. Учені, що започатковували обробку матеріалів різанням як науку, мали створювати власну базу екс- периментальних методик та приладів. До середини ХІХ ст. обробка матеріалів різанням залишалась, го- ловним чином, справою практики майстрів і механіків, а знання і досвід передавались ними із покоління в покоління. Першим і єдиним основним довідником і підручником з металообробки була книга Р. Буханана, яка була опублікована у першому десятилітті ХІХ ст. Перші найбільш глибокі дослідження в галузі обробки матеріалів різанням були проведені російським та українським вченим професором І.А. Тіме(1838 - 1920 рр.). Системне експериментальне дослідження професором І.А. Тіме стало науко- вою основою процесу різання, причому найважливіші результати цього дослідження наступні: - вперше висловлено припущення про спільність закономірностей різних за кінематикою проце- сів різання (точіння, стругання тощо); - доведено, що різання є послідовним сколювання (зсувом) окремих елементів оброблюваного матеріалу, тобто вперше вірно визначена сутність процесу; - вперше введено поняття про площину сколювання (зсуву) та кут нахилу цієї площини і показа- но, що основне деформування матеріалу при різанні відбувається в межах цієї площини; - експериментально визначено, що сума кутів різання і нахилу площини сколювання знаходиться у порівняно вузькому діапазоні (145° - 155°); - вперше виявлено явище усадки стружки і введено поняття коефіцієнту усадки; - дана класифікація видів стружки; - введено поняття “коефіцієнта різання” як сили різання, віднесеної до 1 мм2 поперечного пере- різу зрізуваного шару, і досліджено його залежність від кута різання та механічних властивостей оброб- люваного матеріалу; PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Розвиток уявлень про контактні явища та тертя в процесах різання матеріалів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 128 - отримано перше (приблизне) рівняння для визначення сили різання без урахування сили тертя; - показана періодичність сили різання, яка викликається утворенням окремих елементів стружки. Таким чином, пріоритет професора І.А. Тіме, як першого дослідника механіки процесу різання матеріалів, є незаперечним [4]. Зауважимо, що О.М. Розенберг пізніше розрахував середній коефіцієнт тертя стружки по перед- ній поверхні різця у схемі процесу різання І.А. Тіме, який виявився рівним 0,46. При цьому допускалось, що зсув відбувається у площині, паралельній силі, що діє на стружку [5]. Аналізуючи механіку сил, що діють в процесі різання на стружку та інструмент, а також врахо- вуючи сили тертя на передній та задній поверхнях різця, К.О. Зворикін сформулював умови пластичності при різанні металів і аналітично визначив напрямок площини зсуву матеріалу. він отримав наступне рів- няння для визначення кута зсуву Φ, що визначає напрямок єдиної площини зсуву оброблюваного матеріалу: CФ =γ−Θ+2 , (1) де Θ – кут тертя на передній поверхні інструмента; γ – передній кут інструмента; С – постійна величина, що приблизно дорівнює 80 . Аналізуючи наступну формулу К.О. Зворикіна для визначення положення площини зсуву через кут зсуву 1β : 2 90 11 α+ϕ+ϕ −=β , (2) де α – кут різання; ϕ= tgf і 11 tgϕ=f – відповідно коефіцієнти тертя стружки по різцю ( ϕ – кут зовнішнього тертя) і внутрішнього тертя, що залежить від пружно-пластичних властивостей обробленого матеріалу ( 1ϕ – кут внутрішнього тертя), О.М. Розенберг знаходить для заліза і сталі f = 0,44, а 1f = 0,34. При цьо- му якщо кут різання α = 75º (передній кут 15º), то 1β = 31º30', а α + 1β = 148º30'. На підставі такого аналізу О.М. Розенберг робить висновок, що кут зсуву залежить лише від кута різання і властивостей об- роблюваного матеріалу [5]. Наукова значимість рівняння (1), яке не зазнало суттєвих змін і по сьогодні, полягає в тому, що вперше було поєднано усі основні фактори механіки процесу різання при стружкоутворенні: явища в площині зсуву і в зоні контакту стружки з передньою поверхнею інструмента і з геометрією різального клина. С.С. Рудник відзначає: «Дослідження ХІХ ст. виразно показали, що теоретичним шляхом не мо- жна обґрунтувати закони різання: треба було зробити багато точних ретельних дослідів, щоб зібрати до- статній матеріал для формулювання законів різання. Першій зразок такого емпіричного дослідження бу- ла робота проф. Зворикіна, другий – величезного обсягу – клясичні дослідження Фред. Тейлора»[6]. Тейлор протягом більш ніж чверть століття (1880 - 1906 рр.), у виробничих умовах заводів США виконав понад 50 тис. дослідів, знявши 365 т стружки. Він уперше в математичній формі дав основні за- кони швидкості, зокрема, залежність стійкості різця від швидкості різання (закон Т–v). У 1912 р. під керівництвом проф. Георга Шлезінгера в технологічній лабораторії – дослідниць- кій станції для металообробних верстатів Берлінського політехнічного інституту (Versuchfeld fűr Werkzeugmaschinen – VfW) досліджено стійкість швидкорізальних різців німецьких та англійських фірм, на основі чого запропоновано новий критерій затуплення інструменту [6]. С.С. Рудник, теоретично аналізуючи сили, напруги та деформації у процесі різання, користуєть- ся поняттями «елементарні сили зовнішнього тертя fN», що виникають в наслідок нормального тиску N при русі стружки по передній грані, а також кутом тертя ϕ , коефіцієнтом тертя f ( ϕ= tgf ) і силою те- ртя ( / cosQ N= ϕ ). Дослідник застосовує також поняття «внутрішнє тертя» між матеріалом стружки та нерухомої поверхні виробу, при чому коефіцієнт внутрішнього тертя дорівнює 11 tgϕ=f , де 1ϕ – кут внутрішнього тертя. Для кута зсуву Θ Рудник отримав спрощену залежність останнього від кута різання δ : δ−=Θ 6,073o , (3) яка по суті є різновидом формул К.О. Зворикіна (1), (2). О.М. Розенберг показав, що в основі зміни всіх явищ процесу різання лежать зміни температури на передній грані інструмента, від якої залежить наявність і стан наросту на передній грані, величина ко- ефіцієнта тертя між стружкою і передньою гранню, напрямок рівнодійної сили на передній грані. Зна- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Розвиток уявлень про контактні явища та тертя в процесах різання матеріалів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 129 чення коефіцієнта тертя при обробці конструкційної сталі 40 в діапазоні швидкостей різання 20 - 140 м/хв знаходиться в межах 0,4 - 1,7 [7]. О.О. Виноградов на основі своїх експериментальних досліджень [8] дійшов висновку, що сума кутів дії γ−η=ω і зсуву Φ у великому практично використовуваному діапазоні умов різання дорів- нює 40 - 50º. Це підтвердило висновки К.О. Зворикіна, С.С. Рудника і М.М. Зорєва. Згідно з результатами досліджень М.М. Зорєва та М.Ф. Полетики [9] питома сила тертя Fq на передній поверхні однозначно залежить від дійсного опору розриву kS : 0, 28k kq S= , (4) а довжина пластичного контакту стружки з передньою поверхнею, де діє внутрішнє тертя, приблизно до- рівнює половині довжини загального контакту. Висновки і перспективи За 120 років, коли вперше К.О. Зворикіним було введено в механіку процесу різання поняття те- ртя, зокрема, внутрішнього, провідними вченими було виконано багато теоретично-експериментальних досліджень цього процесу. Було встановлено, що коефіцієнт тертя у зоні контакту «стружка–інструмент» сягає величин 0,5 - 1,7, що на порядок вище коефіцієнта тертя в машинах і механізмах. Фундаментально досліджено процеси внутрішнього тертя, які пов’язані з пружно-пластичними деформаціями і наростоут- воренням. Проте останнє явище вимагає додаткових досліджень з метою визначення заходів для бороть- би з ним, а також для корисного його використання. Література 1. Мазур М.П. Основи теорії різання матеріалів: підручник [для вищих навч. закладів] / М.П. Мазур, Ю.М. Внуков, В.Л. Доброскок, В.О. Залога, Ю.К. Новосьолов, Ф.Я. Якубов; під заг. ред. М.П. Мазура. – Львів: Новий Світ-2000, 2010. – 422 с. 2. Резников Н.И. Учение о резании металлов: учебник / Н.И. Резников. – М.: Машгиз, 1947. – 588 с. 3. Грановский Г.И. Резание металлов: учебник / Г.И. Грановский, П.П. Грудов, В.А. Кривоухов, М.Н. Ларин, А.Я. Малкин. – М.: Машгиз, 1954. – 368 c. 4. Жорнік Н.І. Історичні межі періоду становлення науки про різання матеріалів / Н.І. Жорнік // Резание и инструмент в технологических системах. Междунар. науч.-техн. сб. – Харьков: НТУ «ХПИ». – 2004. – Вып. 66. – С. 47-60. 5. Розенберг А.М. Экспериментальное исследование процесса образования металлической стружки / А.М. Розенберг // Известия Сибирского Технологического института. – Томск, 1929. – Т.51, вып. IV. – 58 с. 6. Рудник С.С. Теорія різання металів: підручник / С.С. Рудник. – Київ: ОНТВУ–Машбудвидав, 1932. – 240 с. 7. Розенберг А.М. Элементы теории процесса резания металлов / А.М. Розенберг, А.Н. Еремин. – М.: Машгиз, 1956. – 320 с. 8. Виноградов А.А. Физические основы процесса сверления труднообрабатываемых металлов твердосплавными сверлами / А.А. Виноградов. – Киев: Наук. думка, 1985. –263 с. 9. Полетика М.Ф. Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента / М.Ф. Полетика. – М.: Машиностроение, 1969. – 148 с. Надійшла 24.04.2012 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com