Оценка средних значений коэффициента трения в процессе направленного разрушения резанием при изготовлении деталей горных машин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

--© B.C. Матвеев, K.B. Баннов,

В.А. Кашкевич, 2012

В.С. Матвеев, К.В. Баннов, В.А. Кашкевич

ОЦЕНКА СРЕДНИХ ЗНАЧЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ НАПРАВЛЕННОГО РАЗРУШЕНИЯ РЕЗАНИЕМ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ ГОРНЫХ МАШИН

Рассмотрен новый подход к оценке средних значений коэффициента трения стружки с передней поверхностью инструмента.

Ключевые слова: коэффициент трения, скорость сдвиговой деформации.

Срезаемый слой заготовки, подлежащий удалению, в той или иной степени деформируется и в обязательном порядке доводится до разрушения в окрестностях режущих кромок металлорежущего инструмента.

Таким образом, направления разрушения обрабатываемого металла заранее известны. Они предопределяются геометрией инструмента в плане и задаются кинематической схемой металлорежущего станка. Это и даёт веское основание говорить о направленном разрушении металлов резанием [1].

При изготовлении деталей горно-шахтного оборудования на металлорежущих станках особую актуальность имеет проблема трения, связанная с изнашиванием инструмента, его стойкостью и энергозатратами на процесс. Эти проблемы столь актуальны, что осмыслению значений, в частности, коэффициентов трения обрабатываемого металла с передней и задними поверхностями инструмента всегда будет уделяться повышенное внимание.

Цель данной работы состоит в сравнении количественных оценок коэффициентов трения металлорежущего инструмента со стружкой, рассчитываемых по ряду известных и предлагаемых в этой статье уравнениям.

В Самаре, Томске, Москве и других научных центрах накоплены обширные экспериментальные результаты по указанному вопросу.

В качестве тестовых выбраны независимые экспериментальные результаты, полученные в ЦНИИТ МАШе под руководством H.H. 3орева.[2,3]

Рис. 1. Схема стружкообразования с условной плоскостью действия OB

Существо нового подхода к оценке средних значений коэффициента трения ц стружки с передней поверхностью инструмента связано с введением в анализ итогов стружкообразо-вания представления об условной плоскости действия (УПД).

Введение УПД (прямая OB на рис. 1) значительно расширяет прогностические возможности по сравнению с классической расчетной схемой И.А.Тиме, который в 1869 — 1870г.г. ввел понятие об условной плоскости сдвига (УПС) (прямая ОА) и угле действия ГОА.

В середине XX в. H.H. Зорев ввел иную трактовку угла действия, обозначив его ю, и связав значения ю с углом трения >J и передним углом инструмента У .

Беспристрастная проверка теории А.Н. Ерёмина (ТПИ, г. Томск) и взглядов М.Е. Мерчанта (США), в лаборатории резания металлов ЦНИИТМАШа показала:

Ш4 <р яц+уф-Y) * consf

Значение постоянной зависит от свойств обрабатываемых металлов, отклоняясь на 5° от среднего значения в 45° в обе стороны.

Ориентируясь на среднее значение суммы углов и ~ Ф , получаем выражение для количественной оценки средних значений коэффициента трения стружки с инструментом.

г)

^ =

(1)

1 +

Отметим, что Л.М. Седоков (ТПИ, г. Томск) в 1956 г. в

кандидатской диссертации вывел уравнение для оценки М в виде

р. =

(2)

1 + 18<Ф'У) + 185(ф-г)

После выхода в свет монографии [3] он в емкой полустраничной статье привел без вывода уравнение (3), показав, что оно охватывает большой массив экспериментальных данных, полученных разными авторами.

Вероятно, что на новое уравнение его натолкнул числитель представленного выражения (1). Из всего спектра уравнений (более 10), предложенных разными авторами, остановимся только на указанных.

Из рис. 1 выразим величину угла ГОА, обозначив его Ш.

Поскольку в пределах этого угла размешается стружка, то Ш целесообразно называть углом размешения стружки.

Ц

\

А

-20

20

40

ф-у

Рис. 2. Сопоставление результатов расчета средних значений коэффициента трения стружки с передней поверхностью металлорежущего инструмента по уравнениям (1)...(4)

Рис. 3. Коррекционная схема безламельного стружкообразования

В качестве первого приближения примем расположение УПД совпадающим с биссектрисой угла \А/. Тогда - ч " - и

Из рис. 1 так же следует, что угол трения ТДЕ равен углу ВОТ, это дает равенство углов т" = " , что приводит к

На рис. 2 показано, как уравнения (1)...(4) согласуются друг с другом.

Выводы из сопоставления результатов расчета ц по четырем уравнениям:

Уравнения (1) и (3) пересекают ось 1Ф ~ Т) и уводят ц в область отрицательных значений, что для стационарных процессов противоестественно.

Уравнения (2) (4) приводят к кривым, которые не пересекают ось 'Ф - Т). Это выгодно отличает их от большинства известных уравнений.

В дополнение укажем на путь коррекции уравнения (4), связанный с рассмотрением гидродинамических аспектов. В процессе направленного разрушения металлов резанием формируется особая контактная область обтекания клина вязкой медоподобной средой с наличием лобового и хвостового участков. По этим участкам происходит течение обрабатываемого металла в двух стадиях процесса.

На первой стадии происходит накопление энергии действия на лобовом участке ОМ обтекания клина обрабатываемым металлом, доведенным до состояния его текучести. Добовой участок контактной пластической зоны сравнительно невелик, но именно на нем формируется зона направленного разрушения обрабатываемого металла резанием (ЗНР). И именно здесь, с нашей точки зрения наиболее велики энергозатраты на процесс направленного разрушения металлов резанием. ЗНР имеет наростообразную форму ОШМ. В этой зоне развивается до огромных значений гидростатическое давление, достигая (1...10ГПа). Оно сжимает обрабатываемый металл и доводит его до своеобразного плавления. В момент разрушения металла происходит мгновенный сброс накопленной энергии в виде образования полосы локализации сдвигов с границами ШШЧ и ММ4 параллельными УПС.

Лобовой участок ОМ имеет отрицательное значение переднего угла ¿Ул относительно передней грани инструмента. Хвостовой участок МГ наклонен к передней поверхности под дополнительным положительным передним углом ¿У» . Для оценки величины среднего значения коэффициента трения

стружки с инструментом, приняв для определенности 1 ,

получаем выражение: 86

Таблица.1

Изменение величины /< от значения — г хв

АУхв 0 4 7 10 20 30 40

0,41 0,5 0,577 0,64 0,916 1,303 1,921

Представленная на рис. 3 схема стружкообразования близка к экспериментальной картине преобразования координатной сетки, зафиксированной на больших скоростях резания с помошью взрывного вывода резца из контакта с обрабатываемой стальной заготовкой [3].

Проанализируем выражение (5).

Отечественные и зарубежные профессионалы высказывают недоумение по поводу возрастания значений И при увеличении У . Наши эксперименты с большими V указывают на такой же результат. В то же время известно, что при больших У значение ф приближается к значениям У и, согласно (5), М стремится к 0,4142 при ¿Уе= и пренебрежимо малом значении

■!: . Наличие даже небольших значений Аухв приводит к заметному увеличению о чем свидетельствует табл. 1.

Из данных таблицы видно, что вплоть до ^Уш = , сохраняется допустимый теоретический предел, согласно воззрениям известных зарубежных специалистов (Томсона, Яма, Ко-бояши). Из отечественных ученых профессор Г.И. Епифанов, отстаивая свою позицию на Всесоюзной конференции в Тбилиси еше в 1958 г., утверждал, что при резании металлов

должны наблюдаться обычные значения И , характерные для трения контактируюших друг с другом тяжелонагруженных тел. Коррекционная схема такой результат позволяет «увидеть».

Представленная схема коррекции безламельного стружко-образования позволяет прийти и к ряду других выводов:

Размер плошадки ОМ предопределяет толшину зоны локализации сдвигов обрабатываемого металла, при преобразовании срезаемого слоя в стружку. По данным [3] толшина зоны локализации сдвигов, близка к половине длины УПС. Ими же установлено, что скорость сдвиговой деформации достигает максималь-

ных значений до УПС. В нашей схеме этому соответствует затемненная полосочка 00NA"ANA0 в обшей полосе локализации ШШ\АчМчМООч сдвиговой деформации. Оба указанных вывода экспериментально подтверждают ранее высказанное математиком В.И. Садчиковым положение о форме зоны локализации сдвигов с границами, параллельными УПС. Сегодня эту концепцию развивает его ученик и последователь В.С. Кушнер [5].

Наличие лобового участка некоторой толшины обеспечивает его зависание над реальной вершиной клина и служит жесткой опорой для формирования «наростообразной» зоны направленного разрушения обрабатываемого металла резанием. Вершина ЗНР выходит влево от поверхности резания. Поскольку ЗНР «дышит» в процессе резания, то это неизбежно будет сказываться на продольной шероховатости обработанных поверхностей вдоль следа «движения» главной, переходной и вспомогательной режуших кромок резца в плане.

Если условия резания таковы, что на лобовом участке контактной пластической области происходит устойчивое адгези-онно-когезионное схватывание, то образуется нарост. Форма нароста полностью соответствует форме ЗНР. Нарост, как явление самоорганизации процесса резания, берет на себя функцию самостоятельного режушего клина. Вершина нароста расположена левее и выше реальной вершины номинального клина, зашишая режуший инструмент от износа [6]. Ось нароста располагается вдоль вектора силы лобового сжатия. Попутно отметим, что первым о сжатии металла при резании высказал Н. Треска в 1873 г., а позже эта концепция была развита в Томске под руководством В.Д. Кузнецова. Идею гидродинамики в анализ процесса резания металлов ввел сотрудник Харковского авиационного института М.М. Ёамм в 30-х годах ХХ в.

Касаясь величины коэффициента трения обработанной поверхности с задней гранью металлорежушего клина, можно высказать предположение о близости его значений 1. Это предположение основано на том, что обрабатываемый металл в окрестностях режуших кромок находится в вязком (расплавленном) состоянии под большим гидростатическим давлением и металл будет давить на заднюю грань и течь вдоль нее приблизительно с одинаковыми усилиями N» и Pit . Иными словами и F3r должны быть близки друг другу по величине, что и будет обеспечивать зг близким к 1. При этом с увеличением степени деформации металла, движушегося по передней поверхности в виде

рождающейся стружки, будет увеличиваться и гидростатическое давление и, следовательно, и ^г также должны возрастать.

Именно такие тенденции и выявлены в экспериментальных исследованиях, проведенных под руководством М.Ф. Полети-ки [7]. Отклонения Мзг в этих опытах укладываются в диапазон от-15 % до+15 %.

Изложенная в статье концепция зоны стружкообразования с условной плоскостью действия позволяет иначе взглянуть не только на количественную оценку коэффициента трения в процессе направленного разрушения металлов резанием, но и на длины контакта безламельной стружки с передней гранью металлорежущего инструмента и на ряд других аспектов сложнейшего и важнейшего в жизни развитых государств процесса

массового и повсеместного применения [1___9]. Но это уже

предмет дальнейшей работы авторов.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Градобоев A.B., Скаков М.К., Матвеев B.C., Баннов К.В. Оценка объема зоны направленного разрушения при обработке металлов резанием // Материалы Международного симпозиума «Наноматериалы для защиты промышленных и подземных конструкций» XI Международной конференции «Физика твердого тела» (ФТТ — XI) 9-12 июня 2010 г. — Усть-Каменогорск: ВКГТУ, 2010. 620 с.

2. Зорев H.H., Полетика М.Ф., Бобров В.Ф., Грановский Г.И. и др. Развитие науки о резании металлов. — М.: Машиностроение, 1967 — 480 с.

3. Зорев H.H. Вопросы механики процесса резания металлов. — М.: Машгиз, 1956 — 367 с.

4. Куфарев Г.Л. Окенов К.Б., Говорухин B.A. Стружкообразование и качество обработанной поверхности при несвободном резании -Фрунзе: Мектеп, 1970 — 171 с.

5. Кушнер B.C., Бурганова О.Ю. Теория стружкообразования -Омск: ОмГТУ, 2011 — 174 с.

6. Ерёмин A.H. Физическая сущность явлений при резании стали. — М: Свердловск: Машгид, 1951 — 227 с.

7. Полетика М.Ф. Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента - М.: Машиностроения, 1969 — 151 с.

8. Старков В.К. Физика и оптимизация резания материалов -М: Машиностроение, 2009 — 640 с.

9. Ярославцев В.М. Новое о процессе резания. Наука и образование. Электронное научно-техническое издание МГТУ им. Баумана. Июль 2011 — 19 с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Матвеев B.C. — доцент, Баннов KB. — ассиситент, Кашкевич B.A. — студент,

Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета.