2.3 Особенности трения при резании вольфрама

При резании имеет место внешнее трение передней поверхности инструмента и сходящей стружки и задней поверхности инструмента о поверхность резания и обработанную поверхность. Работой сил трения на передней и задней поверхностях инструмента обусловлен износ этих поверхностей. Значительная часть теплоты, выделяющейся при резании, обусловлена процессами трения. Величина силы трения на передней поверхности инструмента определяет величину усадки стружки и силы резания. С другой стороны, трение, в свою очередь, зависит от условий в зоне резания: от температуры, величины и характера напряжений, состояния материала и т. д. Трение при резании металлов значительно отличается от внешнего трения в сопряжениях деталей машин и осуществляется при очень высоких нормальных нагрузках (до 200—500 кгс/мм2). Температура на трущихся поверхностях при резании достигает 1000°С; трущиеся поверхности скользят с большой скоростью относительно друг друга.

Процесс трения при резании протекает между двумя относительно чистыми поверхностями: ювенильной, только что образованной поверхностью стружки, и поверхностями инструмента, непрерывно очищающимися сходящей стружкой и обработанной поверхностью.

Скольжение стружки по передней поверхности резца в большинстве случаев сопровождается пластическими деформациями в контактном слое стружки. При этом на передней поверхности одновременно протекают два процесса: процесс внешнего трения и процесс пластического сдвига в контактном слое стружки. Существование двух контактных процессов обусловливает двойственный характер коэффициента силы трения, которая является суммой сил пластического сдвига контактного слоя стружки и сил внешнего трения; при этом силы пластического сдвига преобладают. Известно, что средний коэффициент трения уменьшается с увеличением нормальных напряжений в зоне сдвига и с уменьшением сопротивления сдвигу контактного слоя стружки при повышении температуры.

При резании вольфрама трение на контактных поверхностях будет происходить, вероятно, иначе, чем при резании других металлов. Прежде всего на эти процессы должны оказывать влияние отличительные свойства вольфрама: наименьший коэффициент сжимаемости, хорошая теплопроводность. Сравнение коэффициентов трения вольфрама, молибдена, ниобия [44] свидетельствует о том, что он не связан с температурой плавления этих металлов.

На рис. 14 приведены результаты определения коэффициента трения для пар трения вольфрам - сталь Р18 и вольфрам -

сплав ВК8 при различных скоростях трения и температурах образца при постоянной нагрузке, равной 60 кгс [44]. Для пар трения W-P18 и W-BK8 до скорости 5—6 м/мин характерно интенсивное снижение коэффициента трения, в дальнейшем он изменяется незначительно. Нагрев образца до 180° С уменьшает коэффициент трения пары W-P18 меньше, чем нагрев образца до 400° для пары W-BK8. Такое влияние нагрева образца согласуется с уменьшением прочности вольфрама и его твердости с ростом температуры.

Рис. 14 Зависимость коэффициента трения от скорости трения:

1 – W-P18 при 20 С;

2 – W-P18 при 180 С;

3 – W-BK8 при 20 С;

4 – W-BK8 при 400 С;

Истирающая способность вольфрама при взаимодействии с различными инструментальными материалами также разная. Так, при истирании образца (и = 60 м/мин) в паре с резцом из сплава ВК8 при 20° С она в 2,5 раза выше, чем для пары W-P18 при тех же условиях. Повышение температуры испытаний для пары W-BK8 до 400° С также уменьшает истирание образца почти в 3 раза. Однако для пары W-P18 нагрев до 200° С уменьшает истирание на 30% [44].

Рассмотренные выше кинематические особенности процесса резания с наложением тангенциальных колебаний оказывают влияние и на процесс трения. При резании с колебаниями так же, как и при обычном резании, на рабочих гранях инструмента существуют два участка: участок пластического сдвига и участок внешнего трения. Однако если для какого-то режима обычного резания устанавливаются определенные величины участков пластического сдвига и внешнего трения, то при резании с колебаниями периодическое изменение параметров процесса вызывает изменение во времени как величины контакта, так и соотношения между участками пластического сдвига и внешнего трения.

При резании с колебаниями возрастает роль начального периода взаимодействия трущихся поверхностей. Средний коэффициент трения при этом уменьшается, что связано с увеличением роли внешнего трения на контакте за счет уменьшения

^{роли пластических сдвигов.}

В результате экспериментов установлено, что для пары ХН77ТЮР—Р18 и ХН77ТЮР—ВК6М при тангенциальных колебаниях коэффициент трения в 3—4 раза меньше, чем в обычных условиях. При радиальных колебаниях снижение коэффициента трения наблюдалось только при значениях амплитуды _{от 3 до 6 мкм [30].}

Из сказанного выше следует, что коэффициент и сила трения в условиях колебательного воздействия изменяются по сравнению с обычным трением. Это изменение обусловлено особенностями механики взаимодействия контактирующих тел при колебаниях и изменениями физических явлений, происходящих в зоне трения при колебаниях. При колебаниях вследствие периодического изменения величины скорости трения и нормального давления, прерывистости контакта трения наблюдается ряд особенностей протекания всего комплекса физико-химических явлений, определяющих процесс трения.

Влияние колебаний на внешнее трение в основном сводится к следующему: повышение интенсивности вибраций приводит к росту средней температуры на контакте и вследствие этого к изменению коэффициента трения μ однако влияние температуры на величину μ для различных пар даже при обычном трении различно; на величину μ оказывают влияние условия возникновения и существования окисных пленок на трущихся поверхностях. При повышении температуры рост пленок происходит быстрее, однако знакопеременные воздействия приводят к интенсивному разрушению пленок и к образованию схватывания между трущимися телами. При исследовании физических особенностей процесса трения при колебаниях необходимо иметь в виду, что особенности механики контактирования также будут влиять на изменение величины μ.

Сравнительное исследование коэффициента трения при обычном точении и точении с воздействием ультразвука производилось методом моделирования на специальной установке, смонтированной на токарном станке мод. 1К62, схема которой для случая радиальных колебаний представлена на рис.15 .

Рис. 15 Принципиальная схема установки для исследования трения при воздействии радиальных колебаний

К цилиндрической поверхности испытуемого образца 1 с определенной силой прижимается индентор 2, который является частью резонансной колебательной системы ультразвуковой головки 3. Ультразвуковая головка закреплена в трехкомпонентном динамометре УДМ-100, установленном па суппорте станка. В процессе проведения экспериментов суппорту станка сообщалась продольная подача (рис. 16).

При исследовании влияния тангенциальных ультразвуковых колебаний на коэффициент трения использовалась установка, показанная на рис. 17. Инденторы изготовляли из стали Р18 и твердого сплава ВК8 в виде сферы диаметром 3 мм и шириной 1,5—2 мм.

Рис. 16 Общий вид установки для исследования трения при воздействии радиальных колебаний

Заготовки из вольфрама перед проведением опытов протачивали для устранения биения и удаления окисных пленок. Исследовалось влияние радиальных и тангенциальных ультразвуковых колебаний на коэффициент трения при различных величинах нормальных удельных нагрузок, скорости трения, амплитудах колебаний. Исследование производилось при удельных нагрузках 25—120 кгс/мм², примерно соответствующих реальным условиям резания. При наличии колебаний основной характеристикой процесса является среднее за период колебаний значение коэффициента трения, зависящее не только от режимов трения, но и от направления и параметров ультразвуковых колебаний.

При сообщении одному из трущихся тел вынужденных гармонических колебаний и направлении скорости скольжения а величина истинной скорости скольжения будет периодически изменяться, а при меняет знак. Известно, что изменение скорости относительного скольжения контактирующих поверхностей приводит к изменению коэффициента трения без смазки. Специальные исследования внутренних напряжений в поверхностных слоях показали, что характер трения скольжения (реверсивный или нереверсивный) приводит к значительному изменению распределения внутренних напряжений но глубине; реверсирование вызывает в приповерхностном слое образование зон с незначительными внутренними напряжениями.

Рис. 17 Установка для исследования трения при воздействии тангенциальных колебаний

Обычно зависимости внешнего трения от скорости рассматривают в предположении абсолютной безынерционности процесса при прохождении скорости через нуль, что возможно лишь в случае идеально упругого контакта между трущимися телами. В действительности упругие несовершенства контакта приводят к тому, что сила трения изменяет свой знак несколько позже момента прохождения скорости через нуль, т. е. сила трения при колебаниях в направлении скорости скольжения обладает свойством последействия, что приводит к образованию петли гистерезиса па графике сила — скорость. Наибольший эффект снижения коэффициента трения достигается при

малых скоростях скольжения.

Рис. 18 Влияние нормальной нагрузки на коэффициент трения пары W-BK8 при воздействии ультразвуковых тангенциальных колебаний

Проведенные контрольные опыты подтвердили эти выводы. В качестве примера на рис. 18 приведены зависимости коэффициента трения пары W—ВК8 от давления при трении с воздействием ультразвуковых тангенциальных колебаний. Возбуждение ультразвуковых тангенциальных колебаний приводит к снижению коэффициента трения в 2,5—3 раза. Эксперименты проводили при небольших скоростях относительного скольжения ( м/мин).

Изменение величины нормальной нагрузки при трении приводит к изменению величины μ как при обычном внешнем трении, так и при трении в процессе резания. Характер зависимостей как правило, нелинейный. Поэтому периодическое изменение нормальной нагрузки должно привести к изменению средних значений сил трения по сравнению с обычным трением.

Рис. 19 Влияние нормальной нагрузки и амплитуды ультразвуковых радиальных колебаний на коэффициент трения пары W-P18

1 – А = 0; 2 – А = 12 мкм; 3 – А = 7 мкм; 4 – А = 4 мкм.

На рис. 19 и 20 приведены графики изменения коэффициентов трения μ в зависимости от средней удельной нагрузки для различных трущихся пар (W—Р18; W—ВК8). Графики получены в условиях обычного трения с ультразвуковыми радиальными колебаниями. Сопоставление графиков показывает, что при трении с воздействием ультразвука существенно изменяется не только величина, но и характер зависимости μ, от Р_N. Для пары W—Р18 во всем исследуемом диапазоне амплитуд коэффициент трения значительно уменьшается по величине, причем вначале он (обозначим его μ_B) уменьшается, а начиная с Р_уд=75÷80 кгс/мм² возрастает. Наибольшее уменьшение коэффициента трения μ_B по сравнению с коэффициентом трения (при А=0) наблюдается при небольших и амплитуде А=4 мкм. Например, для пары W—Р18 при Р_уд = 20 кгс/мм² и А=4 мкм коэффициент трения μ в 2 раза меньше, чем при А = 0. Аналогичные зависимости получены для пар трения W—ВК8 (рис. 20).

Воздействие на инструмент радиальных ультразвуковых колебаний приводит к уменьшению коэффициента трения. Наибольший эффект снижения μ, наблюдается при А=4 мкм и малых удельных нагрузках (меньших 80 кгс/мм²).

Увеличение удельного давления и интенсивности ультразвуковых колебаний приводит к разрушению окисных пленок и к образованию мостиков схватывания между трущимися телами, поэтому коэффициент трения возрастает.

Указанные особенности трения с вынужденными ультразвуковыми колебаниями можно объяснить тем, что в его основе, как и в основе обычного трения, лежат адгезионные и диффузионные процессы, протекание которых в условиях наложения ультразвука существенно меняется. При контакте двух металлов существует энергетический порог схватывания, для преодоления которого поверхностным атомам необходимо достижение определенного энергетического состояния. Введение в зону трения энергии ультразвуковых колебаний может поднять энергетический уровень контактирующих поверхностей до такого состояния, когда в местах контакта образуются мостики схватывания. Следовательно, ультразвуковые колебания могут способствовать интенсификации адгезионных процессов, и коэффициент трения в этом случае будет увеличиваться. С другой стороны, ультразвуковые колебания помогают разрушению адгезионных швов путем возбуждения в этих точках циклических сдвиговых и нормальных напряжений, способствующих развитию усталостного разрушения, что должно привести к уменьшению силы трения и, следовательно, к уменьшению коэффициента трения. По видимому, при тангенциальных колебаниях сопротивление срезу адгезионных связей будет уменьшаться более существенно, чем при радиальных, поэтому эффективность тангенциальных колебаний выше.

При резании с колебаниями процесс трения периодически изменяется с частотой колебаний, и в течение каждого периода колебаний наблюдаются обе стадии: начальный период взаимодействия трущихся поверхностей и установившийся стационарный режим трения. Роль начальных периодов взаимодействия трущихся поверхностей возрастает и тем больше, чем меньше время резания Т_рез. Для того чтобы описанный процесс повторился, необходимо, чтобы за время резания происходило образование слоя пленки достаточной толщины. Поэтому температура, химическая активность, время отдыха Т_отд и другие факторы, влияющие на скорость образования пленки, будут определять характер изменения коэффициента трения. При достаточно малом времени резания стационарный режим трения не успевает установиться, и среднее значение коэффициента трения. При прерывистом резании с колебаниями вследствие этого также будут меньше по величине.

Рис. 20 Влияние нормальной нагрузки и амплитуды ультразвуковых радиальных колебаний на коэффициент трения пары W-BK8:

1 – р = 77 кгс/мм²; 2 - р = 96 кгс/мм²; 3 - р = 108 кгс/мм²

При рассмотрении кинематики процесса резания с наложением колебаний было установлено, что в реальных условиях при наложении тангенциальных колебаний возникают также радиальные. Можно поэтому сделать вывод, что процесс трения на контактных поверхностях также следует рассматривать как совокупность отдельных явлений, описанных выше.