Процессы трения и резания металлов сопровождаются рядом широко известных физических явлений, приводящих к износу пар трения. Среди этих явлений можно выделить возникновение электродвижущей силы между двумя контактирующими телами. Природа электрических явлений, происходящих при трении и резании, в полной мере не изучена, однако некоторые источники их возникновения были изучены достаточно давно (термо- и экзоэлектронная эмиссия, термоэлектрические эффекты). Так, именно с измерения термоЭДС начинались исследования электромеханических явлений при резании. Однако было выявлено [1], что сигнал ЭДС на измерительном приборе помимо термической составляющей включает также дополнительную разность потенциалов, которая обусловлена только относительным перемещением металлов пары в условиях интенсивного трения и больших давлений при резании. Эту составляющую ЭДС классифицируют по-разному, исходя из принятых гипотез («трибо- , деформационная ЭДС»). Отмечено также, что ЭДС и ток резания включают постоянную и переменную составляющую.

Современные исследования данного вопроса включают несколько направлений, среди них отметим использование сигнала ЭДС для управления режимами резания и его использование для контроля износа инструмента или трущихся пар. Исследование связи ЭДС с шероховатостью обработанной поверхности принимает особое значение при чистовой обработке (точение, растачивание). При этом отмечалось, что, управляя величиной ЭДС, можно снизить шероховатость более значительно, чем это удается сделать приращением скорости резания [2]. Большинство исследователей считают, что причиной снижения микронеровностей при отсутствии тока (т.е. при компенсации ЭДС или изоляции инструмента) является уменьшение интенсивности и изменение характера износа инструмента. Примеры практического применения электроизоляции показывают, что стойкость инструмента в среднем повышается в 1,5 – 2 раза, т.е. уменьшение износа действительно имеет место. Это имеет значение при большом расходе инструмента (например, в случае сверления стружечных отверстий в массовом производстве плашек). Вопрос о непосредственном влиянии ЭДС на шероховатость обработанной поверхности, что весьма значимо для чистовой обработки, является дискуссионным, и для изучения этого вопроса требуются дальнейшие исследования.

Поскольку большинство исследователей рассматривают постоянную составляющую ЭДС, представляет интерес исследовать переменную составляющую и определить степень ее взаимосвязи с шероховатостью обработанной поверхности и износом инструмента.

На кафедре «Технология машиностроения» ДонНТУ были проведены экспериментальные исследования точения стали 20 резцами с пластинами твердого сплава Т5К10. Исследования проводились с изоляцией инструмента и без изоляции. Исследования износа показали, что при одинаковых режимах обработки стойкость электроизолированного инструмента выше, чем неизолированного, причем на осциллограмме наступление поломки инструмента находится в точке резкого перепада потенциалов ЭДС (рис 1):

Рисунок 1 – Потенциалы ЭДС при точении:

а) без изоляции инструмента, б) с изоляцией инструмента

Для исследования взаимосвязи ЭДС и шероховатости производились две серии экспериментов: с переустановкой заготовок и инструмента и без переустановки таковых; во втором случае изначально устанавливался электроизолированный инструмент, который для перевода в режим «без изоляции» соединялся с корпусом резцедержки экранированным шунтом. Длина пути и режимы резания выбирались исходя из необходимости исключения существенного износа инструмента. В качестве варьируемого параметра была выбрана скорость в диапазоне 25 – 135 м/мин, т.е. в зоне наростообразования. Остальные параметры были неизменны (s=0,22 об/мин, t=0,25). При каждом режиме снимались осциллограммы потенциалов ЭДС; оценивалась шероховатость путем измерения и профилографирования обработанной поверхности. По результатам первой серии опытов были построены графики зависимости шероховатости от скорости резания (рис. 2) при обработке неизолированным и изолированным резцами.

Осциллограммы при соответствующих режимах были статистически обработаны. При этом сделаны выводы, что при обработке изолированным инструментом:

1) шероховатость обработанной поверхности снижается по сравнению с вариантом «без изоляции»;

2) зона наростообразования смещается в область более низких скоростей резания;

3) уменьшение шероховатости обработанной поверхности связано с увеличением среднеарифметического значения ЭДС и уменьшением дисперсии и среднеквадратичного отклонения.

Рисунок 2 - Зависимость шероховатости поверхности от скорости резания без прерывания (а) и с прерыванием (б) цепи ЭДС при точении малоуглеродистой стали в области наростообразования

Вторая серия опытов подтверждает сделанные выводы. Кроме того, был произведен корреляционный и спектральный анализ потенциалов ЭДС при точении неизолированным и изолированным инструментами на скоростях указанного диапазона. Анализ был произведен с целью более детального изучения полученных колебаний ЭДС. Поскольку характер колебаний не меняется со временем, то по одной достаточно длинной записи можно определить статистические характеристики процесса.

Рисунок 3 - Автокорреляционные функции и спектральные плотности потенциалов ЭДС (* - обработка изолированным инструментом, 1 - V1, 1* - V1*, 3 - V3, 3* - V3*, 6 - V6, 6* - V6*)

Автокорреляционная функция ЭДС вычислена по формуле:

где N – отрезок времени, соответствующий длительности анализируемого участка реализации ЭДС;

Um - среднеарифметическое значение ЭДС на анализируемом участке;

U_i - текущее значение ЭДС;

U_i+t - значение ЭДС в момент времени

Как известно, автокорреляционная функция связана через преобразование Фурье со спектральной плотностью, которая может быть представлена следующей формулой:

где - средняя частота колебаний ЭДС;

- средняя амплитуда колебаний ЭДС.

Анализ полученных результатов показывает:

1) Наибольшие изменения спектров ЭДС наблюдаются в низкочастотной области.

2) С увеличением скорости резания энергия спектра ЭДС в низкочастотной области при обработке изолированным инструментом уменьшается в большей степени, чем при обработке неизолированным инструментом.

Таким образом, колебания ЭДС отражают импульсный характер процесса резания и несут важную информацию о сложных физико-химических процессов при резании металлов, причем в случае изоляции инструмента присутствует несколько отличный механизм разрушения и физико-химических процессов, чем при отсутствии таковой.

Механизм влияния электрических импульсов на процесс трения и резания можно объяснить на основе теории дислокаций. Воздействуя на конечную плотность дислока-ций и на ее отношение к исходной плотности, можно изменять коэффициент трения [4]. Одним из таких воздействий являются электрические импульсы. На основе статистиче-ского анализа осциллограмм можно предположить, что в случае изоляции инструмента эти импульсы облегчают пластическую деформацию металла и тем самым способству-ют уменьшению шероховатости обработанной поверхности по сравнению с обработкой неизолированным инструментом.

Таким образом, исследования показали глубокую связь между переменной со-ставляющей ЭДС резания с износом инструмента и формированием поверхностного слоя заготовки. Это открывает перспективы для создания систем управления процессом путем введения в зону резания внешних импульсов тока.

Список литературы

1. Васильев С.В. ЭДС и температура резания // Станки и инструмент. – 1980. - №10.– С.20 – 22
2. Коробов Ю.М., Прейс Г.А. Электромеханический износ при трении и резании металлов. – К.: Технiка, 1976. – 200 с.
3. Плотников А.Л., Таубе А.О. Управление режимами резания на токарных станках с ЧПУ: Монография / Волгоград. гос. техн. ун-т, Волгоград, 2003. –184 с.
4. Назаренко П.В. Расчет силы и коэффициента трения кристаллических тел на основе дислокационной модели внешнего трения // Проблемы трения и изнашивания, №3, - К.: Техника, 1973
5. Аветов А.А., Афанасьев Ф.З., Бобровский В.А. О влиянии термотоков, возникающих при резании металлов, на шероховатость обработанной поверхности // Вестник машиностроения, №3, 1973. – с. 4-7.