Зависимость коэффициента трения от нагрузки в зоне резания

Размещено на http://www.allbest.ru//

0

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Зависимость коэффициента трения от нагрузки в зоне резания

А.С. Дударев

В работе приводится аналитическое выражение позволяющее найти важнейшую характеристику процесса резания - коэффициент трения в зоне насыщенного контакта возникающего при резании материалов. Варьированием условиями трения возможно управлять процессом резания с целью повышения стойкости режущего инструмента при обеспечении требуемого качества поверхностного слоя изделий машиностроения.

Ключевые слова: трение, коэффициент трения, резание, инструмент, деталь.

трение нагрузка резание

В современном машиностроении особую роль приобретают процессы формирования качественного состояния поверхностного слоя изделий после обработки на начальной стадии «жизненного» пути изделия.

Известно [1], что возникли новые направлении в машиностроении - трибология и нанотрибология, которые концептуально предопределяют эффективные управляющие воздействия на технологические процессы механической обработки материалов.

Направленное изменение условий трения «Инструмент-Деталь» путём варьирования их составов, структурой, строением и скоростью и др. физическим параметрами позволяют существенно влиять на контактные характеристики процесса резания. Всё это может быть использовано для разработки новых путей повышения стойкости режущего инструмента при резании труднообрабатываемых и новых конструкционных материалов, обеспечивая требуемое качество поверхностного слоя деталей. Причём существуют теории изменения характеристик трения пары «Инструмент-Деталь» путём образования дополнительного слоя между указанной парой [1, 2]. Также имеются разработки наноструктурных покрытий [6], которые следует рассматривать как своеобразную «третью среду». Эта среда, с одной стороны, может заметно изменять поверхностные свойства инструментального материала, с другой - влиять на контактные процессы, температуру и усилия резания, направленность тепловых потоков и термодинамическое напряженное состояние режущей кромки инструмента.

Взаимодействие «Инструмент-Деталь» всегда сопровождается физическими и химическими реакциями.

Принцип резания материалов с учётом управляющих воздействий на зону обработки при переходе от граничного трения к избирательному переносу и состоянию безызности может быть представлено в виде реакций [1] (1):

, (1)

где A - поверхность трения; Bе - дисперсная фаза кластеров, коагулирующих на поверхности трущихся тел вместе с адсорбированными молекулами и ионами электролита е дисперсионной среды; АBе - коагуляционная структура свежего осадка кластеров металла на поверхности, содержащая в своём составе электролит е; АB - конденсационно-кристал-лизационная структура, в которую превращается коагуляционная структура, представляющая собой формирующуюся сервовитную металлическую плёнку, из которой под действием трения удалены молекулы и ионы электролита; К₁, К₂ - константы скоростей химических реакций.

При протекании процессов по уравнению (1) важно установить зависимость изменения стойкости режущего инструмента и показателей качества обработанной поверхности от параметров формируемого нанометрического слоя и размеров кластеров.

Согласно теории управляющего воздействия на зону обработки с целью достижения режима безызности автором отводится особо значимая роль коэффициенту трения [3].

Рассмотрен случай, когда твёрдая шероховатая поверхность движется по поверхности менее жесткого материала, что соответствует модели взаимодействия «Инструмент-Деталь». При этом в зонах фактического контакта происходит упругое деформирование материала в результате внедрения жестких микронеровностей шероховатой поверхности твёрдого тела в поверхность менее жесткого материала, что может имитировать различный обрабатываемый материал детали (сталь, пластмасса, резина, полимерный композиционный материал).

В работах Крагельского И.В., Михина Н.М. получены соотношения между нагрузкой и фактической площадью касания [5]. Соответствующие уравнения для расчёта коэффициента трения получены Н.Б. Демкиным [4].

Используя [4, 7] по значениям силы трения и нормальной нагрузки определим коэффициент трения как функцию сближения между трущимися поверхностями:

, (2)

где ф₀ - тангенциальная прочность адгезионной связи при отсутствии нормальных напряжений; н - коэффициент Пуансона; E - модуль упругости; R - радиус закругления неровности; h_ср - величина внедрения; в - коэффициент, характеризующий увеличение прочности в зависимости от нормальных напряжений; б - коэффициент гистерезисных потерь.

Причём ,

где - максимальная высота неровности, - среднее значение сближения произвольной неровности.

Продолжая (2), получим (3):

. (3)

На основании (2), (3) получено аналитическое уравнение (4) зависимости коэффициента трения:

. (4)

где p_c - контурное давление.

На основании (4) с помощью Mathcad построены графики для различных значений h_max._. Так по (4) использовали следующие данные для расчета насыщенного контакта в зоне резания: ф₀=0,68 МПа, н=0,3; p_c=1,92 МПа; h_max=1,25 мкм; R=10^-8 м; б=0,5; в-0,5 и график зависимости коэффициента трения от нагрузки приведен на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость коэффициента трения от нагрузки в зоне насыщенного контакта.

Из уравнения (4) следует, что в зоне нагрузок, соответствующих вхождению всех неровностей в контакт, коэффициент трения м_тр не зависит от распределения микронеровностей поверхности по высоте, а зависит только от конфигурации неровностей (отношение ).

Список литературы

1. Бутенко В.И., Дуров Д.С. и др. Основы управляющего воздействия на технологические процессы механической обработки материалов//Известия Южного Федерального университета. Технические науки. - 2004, № 8. С. 225-228.

2. Бутенко В.И., Гусакова Л.В. и др. Направления и технологии повышения работоспособности деталей машин//Известия Южного Федерального университета. Технические науки. - 2013, № 1. С. 45-50.

3. Дударев А.С. Влияние трения на стойкость режущего инструмента при изменении сокрости резания/СТИН, №3, 2014. С. 24-26.

4. Демкин Н.Б. Фактическая площадь касания твёрдых поверхностей. М.: Академия наук СССР, 1962. - 110 с.

5. Крагельский И.В., Михин Н.М. О влиянии природы твердых тел на внешнее трение и соотношение между адгезионной и объемной составляющей//Сб. «Теория трения и износа». - М.: Наука, 1965, - 230 с.

6. Мигранов М.Ш. Исследование износостойкости режущего инструмента с наноструктурным покрытием. Труды XIV Межд. конф. Трибология и надёжность. Санкт-Петербург. - 2014. С. 127-135.

7. Михин Н.М., Комбалов В.С. О зависимости коэффициента трения от нагрузки при упругом контакте в зоне насыщенного контакта.//Сб. «Контактное взаимодействие твёрдых тел, расчет сил трения и износа». - М.: Наука, 1971. - 239_с.

Размещено на Allbest.ru