Повышение эффективности обработки материалов резанием непосредственно связано с созданием новых и совершенствованием существующих методов и средств контроля работоспособности режущего инструмента, которые должны базироваться на более глубоком представлении о физической сущности процесса резания и исследовании взаимосвязи явлений, возникающих при обработке.

Процесс резания представляет собой совокупность физико-химических явлений, в которую входят кинематика процесса резания, пластические деформации и разрушения в зоне стружкообразования, напряженное состояние инструмента и заготовки, трение, тепловые, электрические и др. явления, протекающие на контактных площадках режущего инструмента. Все они вместе взятые тесно связаны между собой и образуют единую систему резания. Структурная схема процесса резания определяет взаимосвязь между входными и выходными параметрами процесса, которые связаны между собой процессом резания (рис.1).

Входные параметры характеризуют систему ТОС – станок, приспособление, инструмент, деталь. Их можно разделить на 2 группы. Первая характеризует заготовку, параметры которой задаются конструктором (деталь Дт – ее материал и размеры) и технологом (способ получения заготовки, припуск, точность). Вторая группа характеризует станок Ст, его параметры, схему обработки Сх, инструмент Ин, режимы резания Рж , приспособление Пр, технологическую среду Ср .

Выходные параметры определяются как результат воздействия процесса резания на заготовку (они определяют ее эксплутационные характеристики: точность Тч, качество поверхностного слоя  Кп (шероховатость, наклеп)) и на инструмент (его стойкость Си, прочность Пи), а также характеризуют производительность Пр и  экономичность Эк процесса резания.

Рис.1 Структурная схема процесса резания

Электрические явления , сопровождающие процесс резания металлов, все более привлекают внимание исследователей. С одной стороны, возникающая термо-ЭДС является показателем средней температуры резания, характеризует степень пластической деформации, т.е. это важнейший физический фактор, характеризующий процесс резания. С другой стороны, как показали последние работы термо-ЭДС, и термотоки могут оказывать непосредственное влияние на процесс резания. Ниже  предлагается глубокое  теоретическое исследования электрических явлений при обработке металлов резанием.

Процессы генерирования происходят обычно с участием какого-либо внешнего источника, энергия которого расходуется на разрывы, электрических связей, существующих между зарядами в веществе. При резании металлов такой внешней энергией является механическая энергия, затрачиваемая на процесс отделения стружки от заготовки.

В металлических кристаллах все электроны энергетически расположенные в зоне проводимости. Распределение этих электронов по энергетическим состояниях зоны проводимости определяется распределением состояний в зоне и вероятностью их заполнения. Распределение состояний характеризуется функцией плотности состояний      g(Е_е), которая имеет вид параболы (рис. 2) И выражается в виде [5]

                                                                                                                                                                                (1)

де m_d — ефективная масса плотности сотояний электронов;

h — постояная Планка;

Е_е — енергия электрона.

Физический смысл энергии Ферми (рис.3) соответствует самому верхнему уровню проводимости, заполненным электронами при нулевой температуре.

Рис. 2  График функции плотности сотояний g (Е_е).

Рис. 3 Зависимость энергии электрона Е_е от температуры Ө.

Значение энергии Ферми определяется следующим образом [6]

, В ,                                                                                                                                                                             (2)

где n_е — концентрация электронов.

В общем виде энергия электрона определяется как [6]

, В ,                                                                                                                                                                            (3)

Первое слагаемое в формуле (3) характеризует среднюю энергию электрона при нулевой температуре и называется “нулевой” энергией, которая имеет квантовую природу. “Нулевая” энергия зависит от концентрации свободных электронов и эффективной массы плотности состояний электронов. Пластические деформации возникая в процессе резания металлов увеличивают плотность дислокации на четыре порядка, при этом изменяется величина эффективной массы плотности состояний электронов, что и позволяет некоторым электронам приобрести энергию достаточную для преодоления потенциального барьера и выйти на границу раздела между инструментом и деталью. Описанный процесс – это процесс электризации, что происходит при резании.

Второе слагаемое в формуле (3) зависит от температуры и характеризует “тепловую” энергию электрона. Сравнение величин “тепловой” и “нулевой” энергии электронов показывает, что даже при температурах плавления “тепловая” энергия электрона составляет единицы процентов от “нулевой” энергии. Такая слабая чувствительность электронов в металлах к нагреву вытекает из самого характера функции распределения электронов. Несмотря на то, что значение “тепловой” энергии невелико, все же малая часть электронов приобретает энергии, превышающей среднюю и может оказаться достаточной для преодоления сил, препятствующих выходу электронов из металла. Хотя таких электронов мало, но именно они обусловливают процесс термоэлектронной эмиссии, основным законом которой является формула Ричардсона-Дэшман, характеризующий зависимость тока эмиссии от температуры и работы выхода электрона. Термоэлектронная эмиссия является одним из компонентов термоэлектрической составляющей ЭДС резания, которую до недавнего времени считали основной причиной генерирования электрических сигналов при резании. Приведенный выше анализ показывает, что при резании металлов, когда температура в зоне контакта инструмента с деталью не превышает температуру плавления, энергия электрона определяется прежде всего “нулевой” энергией, которая зависит от степени пластической деформации.

Термоэлектрические явления связаны с возникновением электродвижущих сил в цепи разнородных проводников, в которых имеется градиент температуры, является эффектом Зеебека. Эффект оборотного выделения или поглощения теплоты в спае двух разнородных металлов, когда через него протекает электрический ток открытый Пельтье. Эффект Пельтье не является контактным явлением, а зависит от свойств металлов пары. Третий термоэлектрический эффект – эффект Томсона, который заключается в оборотном выделении или поглощении теплоты в однородном проводнике, по которому протекает электрический ток, при одновременном наличии градиента температуры. Несомненно, что эти термоэлектрические эффекты имеют место при резании металлов и изменят долю термоэлектрической составляющей в интегральной ЭДС резания.

Как уже отмечалось, энергию электрона можно изменить под действием пластической деформации. Это явление называется низкотемпературной (экзоэлектронной) эмиссией или эффектом Крамера. Экзоэлектронная эмиссия возникает в результате искажения электронного энергетического спектра твердого тела и последующей перестройкой его электронной структуры, связанной с появлением дефектов. Именно пластическая деформация, сопровождающая процесс резания металлов, приводит к появлению и размножению дефектов кристаллической решетки металла, что увеличивает плотность дислокаций на четыре порядка. Итак, пластическая деформация при стимулировании температурой, окислением, фазовыми превращениями является основным видом энергетического воздействия, ответственным за эмиссию так называемых “экзоэлектронов” при резании металлов.

В работе [1] указывается, что при резании металлов в плоскости скольжения локализован поток дефектов кристаллической решетки, который возбуждает электроны металла, что и является основной причиной возникновения электрических сигналов при резании.

Эмиссия высокоэнергетических электронов [2] может возникнуть в высоком вакууме. Высокий вакуум при резании образуется тогда, когда основным видом износа является адгезия. При разрыве адгезионного шва в микроскопических объемах как бы вдавливается воздух. Учитывая, что в зазоре между обертками условного конденсатора возникает энергетическое поле, то эмиссию быстрых электронов можно отождествить с автоэлектронной эмиссией. Автоэлектронная эмиссия является чисто квантовым эффектом, связанным волновыми свойствами электронов, и роль электрического поля сводится к формированию соответствующего потенциального барьера. Внешнее ускоряющее электрическое поле снижает потенциальную энергию за пределами твердого тела и меняет форму потенциального барьера, что влечет за собой образование потока свободных электронов.

Появление ЭДС в твердых телах вследствие увеличения элементарных носителей электрического заряда звуковыми и ультразвуковыми волнами, носит название акустоэлектрического эффекта или эмиссией волн напряжений, и является четвертой причиной генерирования электрических сигналов при резании.

Эмиссия волн напряжения возникает при резании за счет образования волн механического напряжения, когда точки фактического контакта инструмента с деталью деформируются. В работе [3] отмечается, что, если локальный давления на контакте не превышает предела упругости мягкого материала, то в материале от деформирующего контакта распространяться упругая волна. Если давление достигает предела текучести материала, то в объеме тела распространяться две волны напряжения: упругая и за ней пластическая. Лебедев И.А. [4] получил зависимость для разности потенциалов, возникающих под действием эмиссии волн напряжения. Анализ полученной зависимости показывает, что разность потенциалов от эмиссии волн напряжения зависит от электрических и акустических свойств материала, а также от интенсивности волн при взаимодействии поверхностей.

При обработке металлов возникают колебания и волны различных частот, поэтому ЭДС от эмиссии волн напряжения состоят из суммы ЭДС соответствующим всем составляющим спектра частот. Это одна из причин того, что в ЭДС резания присутствует переменная составляющая в широком диапазоне спектра частот.

Переменная составляющая ЭДС резания характеризует колебания энергии на контактных поверхностях режущего инструмента и детали. Величина и характер изменения переменной составляющей ЭДС резания зависит от тех факторов, влияющих на величину износа режущего инструмента. К таким факторам относятся: физико-механические свойства инструмента и детали, а также их неоднородность, давление, фактическая площадь касания, скорость относительного движения, вибрации, состояние контактирующих поверхностей, процессы схватывания и разрушения и так далее.

Впервые переменную составляющую ЭДС, по трению металлов, исследовал Дубинин А.Д. Дубинин А.Д. указывает, что нахождение зависимостей изменения потенциалов в поверхностных слоях пар, которые труться от различных факторов позволит установить связь изменения этих потенциалов величиной износа поверхности, что трется, поскольку прирост потенциала характеризует процесс увеличения энергии в поверхностном слое трущейся пары, и эквивалентна величине количества массы в поверхностном слое, разрушаемой в процессе трения. Все что было сказано в отношении процесса трения можно перенести и на процесс резания.

Таким образом ЭДС резания можно представить в виде суммы ЭДС, возникающих в результате:

1) термоэлектрических явлений, включая термоэлектронной эмиссии (Е_Т)

2) экзоэлектронной эмиссии (Е_ЕК);

3) автоэлектронной эмиссии (Е_АВ)

4) эмиссии волн напряжений (Е_ХН) и выражается в виде

Е = Е_Т + Е_EK + Е_АВ + Е_XH, В,                                                                                   (4)

резания 20, 50 и 100 м/мин, причем в зоне появления нароста вместе с фактическим значением ЭДС – Е_Ф для данной скорости, учитывали и гипотетическую ЭДС – Е_Ф, которая соответствует отсутствию нароста. По относительному увеличению ЭДС резания, которое характеризовали отношением ЭДС для двух выбранных скоростей резания 50 и 100 м/мин, расположили обрабатываемые материалы.

Наибольший прирост ЭДС соответствует мелкозернистой стали 8ХФ, молибдена, бериллия, пластической стали 10 и никеля. Стали, близкие по химическому составу, прежде всего по содержанию углерода и хрома расположены рядом. Стали с повышенным содержанием углерода инструментальные и отличающихся высокой износостойкостью стоят на первом месте, тогда как мелкозернистые и пластические замыкают ряд. Иными словами, наблюдается та же тенденция, что и для материала инструмента твердых сплавов. Увеличение карбидообразующих элементов и зерна в обрабатываемом материале вызывает рост ЭДС. При обработке таких материалов кривая Е(V) значительно раньше скорости резания достигает точки перегиба и насыщения. Для этих материалов отношение Rо/Rк, характеризующая площадь контакта, будет меньшим, чем для мелкозернистых и пластических материалов. Нагрузка на контакт, определяемое сечением среза, реализуется на меньшей фактической площади, что создает условия для реализации в контакте максимального числа микро выступлений, и насыщение кривой Е(V) происходит при меньшей скорости.

Общность, присущая механизму влияния на ЭДС как обрабатываемого материала, так и материала инструмента находится в хорошей соответствии с предложенной моделью генерации ЭДС, которая является принципиально симметричной относительно контактирующих поверхностей.

По этой причине при контакте одноименных материалов в зоне умеренных скоростей, сигнал носит знакопеременный характер. Выявленая ​​общность позволяет сделать вывод о симметричности процесса резания с точки зрения генерирования ЭДС, который является специфической фрикционной парой. Тогда влияние карбидообразующих элементов связано с стирающим действием обрабатываемого материала. При сравнении ЭДС резания для частей одного прутка стали 40Х, который подвергли различной термообработке, наблюдаются две тенденции: увеличение ЭДС с ростом твердости обрабатываемого материала и рост ЭДС с увеличением зернистости перелита и переходом его в пластическое состояние. Известно, что параллельно увеличивается и истирающая способность стали 40Х. Однако основным механизмом влияния твердости обрабатываемого металла на ЭДС является повышение давления на поверхности раздела. Экстремальные истирающие условия создали при обработке чистового кремния. При этом ЭДС резания достигает сотен милливольт, то есть увеличивается на порядок. Исходя из термоэлектрической модели, полярность ЭДС резания аномальная, а ее величина дает минимально возможную температуру резания более 2300 °С, что лишено какого-либо смысла.

Следовательно, сопоставление традиционных характеристик обрабатываемости металлов с ЭДС резания позволяет сделать вывод о том, что она отражает реальное изменение их свойств в процессе обработки, т.е. является информативным сигналом.

Экзоэлектронная, автоэлектронная эмиссии и эмиссия волн напряжения влияют на “нулевую” энергию электрона, а термоэлектрические явления изменяют долю “тепловой” энергии в общей энергии электрона. До недавнего времени считали основной причиной генерирования электрических сигналов при резании термоэлектрические явления (Е = Е_Т). Однако, все четыре составляющие равноценны и к тому же взаимосвязаны между собой. Одни и те же контактные поверхности инструмента с деталью могут быть источниками генерирования термоэлектронов, экзоэлектронов, автоэлектронов и электронов волн напряжения. Представленный выше анализ показывает, что энергия электрона, определяющий электрические явления при резании, зависит от концентрации электронов в материале инструмента и детали, температуры и степени пластической деформации.

Таким образом, исходя из этого, электрические сигналы являются комплексным параметром, характеризующим на микроструктурном уровне процесс резания металлов. В связи с этим электрические сигналы из зоны резания должны нести информацию о процессах, происходящих на контактных поверхностях режущего инструмента с обрабатываемой деталью. Поэтому, измерения в процессе обработки электрических сигналов из зоны резания позволит осуществить диагностику работоспособности режущего инструмента, управлением режимами резания, повысить стойкость инструмента, создание информационной базы с целью управления параметрами качества в традиционных технологиях механической обработке и т.п.

1. Кретинин О.В., Еленин А.П. Выбор параметров для оценки износа инструмента в процессе обработки // Станки и инструмент 1981 № 2, с. 18-19.
2. Васильев С.В. ЕДС и температура резания // Станки и инструмент, 1980, № 10, с.20-22.
3. Николаев О.С. Критическое состояние металлов // Серия “Relata Refero”, 2006.
4. Лебедев И.A. Про один механизм электрического возбуждения твердых тел в условиях трения // Электрические явления при трении, резании и смазке твердых тел. М.: Наука, 1973.-с.21-25.
5. Костецкий Б.И. Износостойкость деталей машин // М.: Машгиз, 1950 – с. 168.
6. Васильев С.В. Исследования электрических явлений при резании для коррекции режимов обработки // Методические рекомендации М.: ЕНИМС, 1981. – с.15.

Все статьи автора «Mr_Om»