2.1. Теоретические основы повышения эффективности процесса резания за счет применения оптимальных составов СОЖ
Долговечность деталей и узлов машин в значительной степени зависит от качества их рабочих поверхностей. Получение оптимальных параметров качества этих поверхностей в процессе резания представляет определенные трудности.
Следует учитывать, что влияние значительного количества параметров качества поверхности на долговечность в настоя-щее время изучено недостаточно.В процессе эксплуатации деталей машин формируются параметры качества поверхностного слоя, которые зависят от конкретных условий работы. Так, например, независимо от исходной шероховатости поверхности по мере работы механизма наблюдается воспроизводимость той шероховатости, которая наиболее рациональна для данной трущейся пары [57].
Обработка металлов резанием является наиболее распространенным способом получения поверхностей деталей машин с заданными физико- механическими свойствами. Необходима разработка математической модели, описывающей условия контакта рабочих поверхностей инструмента и заготовки и изучение влияния условий обработки, в том числе состава СОЖ, на физико-химические процессы в зоне резания.
Процесс резания имеет двойственную природу. С одной стороны, большое количество факторов обеспечивает непрерывность процесса резания металла и снятие с обрабатываемой поверхности стружки. С другой стороны - процесс резания, в определенной степени, является дискретным (прерывистым), что связано с влиянием большого количества случайных факторов.
Дискретность процесса резания подтверждается видом стружки, неоднородной шероховатостью и волнистостью обработанной поверхности, значительным рассеиванием параметров, характеризующих физико- механические свойства поверхностного слоя металла, частотно- амплитудными характеристиками контакта инструмент-заготовка, колебаниями сил резания (Р ) и др.
Соотношение между параметрами, определяющими постоянство процесса резания, и параметрами, характеризующими дискретность, зависит от ряда факторов: материалов заготовки и режущего инструмента, снимаемого припуска, режимов резания, используемой СОЖ, применяемого оборудования, технологической оснастки и т.п.
Так, например, толщина снимаемого припуска при продольном точении характеризуется изменением соотношений между постоянной Епн дискретной составляющей Ed (рис. 2.1., а), где Еп и Ed являются некоторой интегральной величиной таких параметров, как сила резания, состав СОЖ, затрачиваемая мощность, количество движения, тепловыделение.Наиболее благоприятная зона глубины резания (рис. 2.1., а) находится в интервале Af— /|э что соответствует оптимальному соотношению между Еп и Ed (точка а). Сказанное подтверждается достаточно большим количеством работ, например [58], по изменению силы резания в зависимости от толщины снимаемого слоя (рис. 2.1., б). Несмотря на разные условия обработки, в частности, величины переднего угла резания
/ , при толщине срезаемого слоя /—>0 для всех случаев имеет место постоянство силы Р19 значение которой соответствует силе трения в зоне контакта инструмент-деталь.
Рис. 2.1. Влияние глубины резания на интегральный параметр процесса
резания: а) изменение соотношения между постоянной Еп и дискретной
составляющей Ed; б) влияние толщины снимаемого слоя на силу
резания. Аналогичные зависимости можно привести и для других параметров, характеризующих процесс резания [60,61], например:
Урез =f{En>Јd)
Рис. 2.2. Схема воздействия инструмента на обрабатываемую поверхность
через "третье тело1
м
Высказанное положение о возникновении в зоне контакта (режущая кромка - обрабатываемая поверхность) микрообъема третьего тела находит подтверждение в ряде экспериментальных работ [59-61]. Уста-
Важным вопросом при изучении влияния СОЖ на процесс резания являются физико-механические явления, протекающие в поверхностной зоне контакта инструмент-деталь. Можно предположить, что при резании на воздухе (без СОЖ) для случая установившегося процесса контакта двух тел (инструмент-обрабатываемая поверхность) создается третье тело, которое по своим физико-механическим свойствам принципиально отличается от обрабатываемой заготовки и инструмента.
Такое тело возникает в тонком поверхностном слое заготовки в результате силового, теплового и деформирующего воздействия режущей кромки на обрабатываемую поверхность. При этом, видимо, происходит квазиквантовое изменение микрообъема обрабатываемого металла (рис. 2.2.).новлено, что по мере увеличения скорости резания коэффициент трения изменяется так же, как и коэффициент усадки стружки: вначале уменьшается, затем возрастает и, достигнув при некотором значении ^максимума, опять уменьшается (рис. 2.3., а). Интересным при этом является то, что коэффициент трения практически не зависит от подачи S , но каждой подаче соответствует определенное значение V^, когда коэффициент трения принимает максимальное значение (рис. 2.3., б) [60,62].
Таким образом, при малых скоростях (зона 1, рис. 2.3., а) процесс резания в большей степени дискретен, то есть протекает с частым скалыванием стружки. По мере возрастания V^ и, соответственно, увеличения срезаемого объема металла в единицу времени, происходит увеличение коэффициента трения (зона 2, рис. 2.3., а).
Такие условия характерны для зоны 3, когда объем снимаемого металла и параметры, сопровождающие процесс резания, достаточны для образования микрообъема материала, состояние которого близко к квази- расплавленному состоянию, или состоянию, характерному для двойнико- вания кристаллов. Этим объясняется снижение коэффициента трения и его постоянство при дальнейшем увеличении , поскольку доля дискретных факторов, влияющих на процесс резания, уменьшается. Сказанное подтверждает целесообразность применения высоких режимов резания. При этом стабильность и устойчивость процесса резания при прочих равных условиях возрастают.
I I ! I
120 v м/мин
Рис. 2.3. Влияние скорости резания и подачи на коэффициент трения между инструментом и заготовкой
Состав СОЖ, физико-химические процессы, протекающие в зоне контакта инструмент-заготовка, в значительной степени определяют характер механических колебаний в данной системе, которые также влияют на выходные технологические параметры процесса резания. Вопросам колебаний в технологических системах при резании посвящено достаточное количество работ [61,63, 64].
Большинство исследователей отмечает, что для установившегося процесса резания возможность возникновения автоколебаний в системе инструмент-деталь является исключением. Это объясняется тем, что накопленный опыт по назначению режимов резания позволяет выбрать те параметры, которые в наибольшей степени влияют на геометрические па- раметры обработанной поверхности, стойкости инструмента, стабильность технологического процесса.