4.3. Усадка стружки

В связи с тем, что при механической обработке весь срезаемый слой припус­ка подвергается пластической деформации, форма и размеры срезаемого слоя изменяются. Ширина среза остается неизменной, а толщина стружки увеличи­вается по сравнению с толщиной среза. Поскольку объем стружки равен объему срезанного слоя, ширина стружки равна ширине среза, а толщина стружки больше толщины среза, естественно, должно произойти уменьшение длины стружки по сравнению с длиной срезанного слоя. Это явление уменьшения дли­ны стружки по сравнению с длиной поверхности, по которой она срезана, назы­вается усадкой.

Количественно усадка оценивается коэффициентом усадки стружки, кото­рый отражает величину пластической деформации, имевшей место при резании. Поэтому при исследовании влияния какого-либо фактора на процесс резания часто прибегают к оценке этого влияния по изменению величины коэффициента усадки стружки.

Р ис. 4.3. Усадка стружки

Явление усадки стружки поясняется схемой на рис.4.3. На схеме показано уменьшение длинны стружки l_стр по сравнению с длинной среза l_o. Ширина стружки не изменяется, лишь на прирезцовой ее стороне имеет место уширение тонкого прирезцового слоя. Этим уширением можно пренебречь, поскольку оно не распространяется на всю толщину стружки. Уменьшение длины стружки на­зывается продольной усадкой, увеличение толщины стружки - поперечной усадкой. Соответственно и коэффициенты усадки называются коэффициентами продольной и поперечной усадки стружки. Количественно эти коэффициенты равны между собой.

Поскольку объем стружки равен объему срезаемого слоя, можно записать, что:

a_o·b_o·l_o = a_стр·b_стр·l_ст

т.к. b_o = b_стр

поэтому: a_o·l_o = a_стр·l_стр и l_o/ l_стр = a_стр/ a_o

но это коэффициент продольной усадки К_l = , а

- коэффициент поперечной усадки К_a =

Следовательно: К_l = К_a = К

Величина коэффициента усадки стружки зависит от свойств обрабатываемо­го материала, геометрии режущего лезвия инструмента, свойств внешней среды, в которой осуществляется резание, и других факторов. Из элементов режима ре­зания менее всего на усадку, величину коэффициента усадки, влияет глубина резания, сильнее – подача и наиболее сильно скорость резания: с увеличением скорости усадка уменьшается. При резании углеродистых сталей коэффициент усадки стружки находится в пределах 2…3. При резании трудно обрабатывае­мых материалов, таких как жаропрочные и титановые сплавы, коррозионостойкие стали и другие, иногда наблюдается «отрицательная» усадка, при которой толщина стружки меньше толщины срезаемого слоя.

Лекция 5. Образование элементной стружки и нароста

Образование элементной стружки изучено значительно хуже, чем сливной. Кинограммы процесса резания и наблюдения за искажением ячеек делительной сетки оказывают, что прежде чем произойдет разрушение по плоскости скалывания "тп" (рис. 4.1а.) в объеме будущего элемента стружки, имеют место значительные деформации сжатия, вызывающие течение материала срезаемого слоя по передней поверхности перпендикулярно и параллельно лезвию инструмента. С учетом этого превращение срезаемого слоя в элемент стружки происходит следующим образом (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схема превращения срезаемого слоя в элемент стружки

При перемещении инструмента на расстояние ΔL передняя поверхность воздействует на некоторый объем срезаемого слоя, ограниченный параллелограмом "m_omnn_o".

Когда напряжения сжатия превзойдут предел текучести материала обрабатываемой детали, начнется его течение по передней поверхности и точка m₀ окажется не в точке k,куда она попадает при образовании сливной стружки, а в точке q. Одновременно происходит укорочение стороны параллелограмма m_on_o до размера qp. В результате этого параллелограмм m_omnn_o срезаемого слоя превращается в элемент стружки mnpq. Когда запас пластичности материала обрабатываемой детали будет исчерпан, происходит разрушение по плоскости скалывания и сколотый элемент перемещается вверх по передней поверхности. Чем больше степень деформации срезаемого слоя, тем больше отличаются по длине стороны трапеции mn и qp и тем больше форма элементной стружки приближается к треугольной. Сжимающие деформации вызывают значительное уширение основания элемента стружки, намного большее, чем уширение сливной стружки.

Резанию большинства конструкционных материалов при определенных условиях сопутствует явление, называемое наростообразованием. Под наростом (рис. 5.2) понимают клиновидную, более или менее неподвижную область материала обрабатываемой заготовки, расположенную у лезвия инструмента перед его передней поверхностью. Если образуется сливная стружка, то при определенных условиях нарост может достаточно прочно присоединиться к передней поверхности, оставаясь на ней и после прекращения резания.

При прерывистом резании и при образовании элементной стружки нарост на передней поверхности не удерживается, а уносится стружкой. Рассмотрение микрошлифов корней стружек показывает, что нарост имеет характерное слоистое строение, причем закругленная вершина нароста соединена со стружкой и срезаемым слоем. Рентгеноструктурный анализ нароста показал , что в его составе помимо деформированного материала срезаемого слоя присутствуют окисные пленки. Твердость нароста в 2,5…3 раза превосходит твердость обрабатываемого материала, из которого нарост образовался. Форму и размеры нароста можно характеризовать тремя основными параметрами: высотой Н, шириной подошвы l и углом γ_ф. Закругленная вершина нароста свешивается над задней поверхностью инструмента.

Установлено, что нарост не является полностью стабильным телом, а постоянно и чрезвычайно быстро изменяет свои размеры. В сотые доли секунды нарост возникает, увеличивает свою высоту до максимальной, а затем частично или полностью разрушается.

Рис. 5.2 Схема строения нароста

Частота возникновения и срывов нароста растет с увеличением скорости резания и при V= 40…60 м/мин составляет 3000 … 4000 циклов в минуту. В наросте различают зоны (см. рис. 5.2.): зону 1, где скорость движения материала изменяется от нуля до скорости движения стружки, и зону 2, где материал полностью неподвижен. Вследствие клиновидной формы и твердости, более высокой, чем твердость обрабатываемого материала, нарост какое-то время выполняет функцию режущего клина и образующаяся стружка вначале перемещается не по передней поверхности инструмента, а по наросту. Из-за того, что вершина нароста свешивается за лезвие инструмента, действительная толщина срезаемого слоя становится больше номинальной на величину Δа.

Физическая природа наростообразования чрезвычайно сложна и полностью не изучена. В настоящее время установлено, что для образования нароста необходимы следующие условия:

1) передняя поверхность инструмента на некоторой части площадки контакта должна быть полностью очищена от адсорбированных масляных и окисных пленок;

2) температура и нормальные контактные напряжения на передней поверхности должны быть такими, при которых в контактном слое стружки создается напряженное состояние, соответствующее невыполнению условия пластичности.

Процесс образования нароста схематично можно представить следующим образом. На ювенильных (химически чистых) поверхностях стружки и инструмента при определенных температуре и давлении создаются условия для адгезионного схватывания (соединения) материалов стружки и инструмента. В результате сил адгезии (сил молекулярного прилипания) происходит прочное присоединение контактного слоя стружки к передней поверхности и образование заторможенного слоя, служащего фундаментом для нароста. При скольжении стружки по заторможенному слою происходит аналогичное схватывание и образование следующего слоя нароста, приводящее к увеличению его высоты. Вследствие большей шероховатости образовавшегося слоя создаются благоприятные условия для проникновения кислорода воздуха и его диффундирования в поверхностные слои материала. Окисные пленки уменьшают трение между стружкой и поверхностью нароста, а поэтому каждый следующий нарощенный слой становится короче предыдущего и нарост приобретает клиновидную форму. Высота нароста растет до тех пор, пока его прочность становится недостаточной для восприятия нагрузки со стороны стружки, и нарост разрушается. Разрушению нароста способствует и то, что после достижения им определенной высоты стружка не полностью облегчает нарост, а между наростом, стружкой и поверхностью резания появляются зазоры, в результате чего тело нароста перестает находиться в условиях всестороннего сжатия.

Обычно нарост разрушается не весь, а только его верхняя, менее прочная область. Одна часть разрушенного нароста уносится стружкой, а вторая — поверхностью резания. После разрушения нарост вновь возрастает до предельной для конкретных условий резания высоты, опять разрушается и т. д.

На размеры нароста основное влияние оказывают род и механические свойства обрабатываемого материала, скорость резания, толщина срезаемого слоя (подача), передний угол инструмента и род применяемой смазочно-охлаждающей жидкости.

Все материалы можно разделить на материалы, не склонные к наростообразованию и склонные к наростообразованию. К первым можно отнести медь, латунь, бронзу, олово, свинец, большинство титановых сплавов, белый чугун, закаленные стали, легированные стали с боль шим содержанием хрома и никеля; ко вторым - конструкционные, углеродистые и большинство легированных сталей, серый чугун, алюминий, силумин. Если материал склонен к наростообразованию, то размеры нароста Н и I возрастают при уменьшении твердости и повышении пластичности материала.

При определенных скоростях резания нарост выполняет защитные функции по отношению к инструменту. Перемещаясь по наросту, стружка отодвигается от лезвия, изнашивая переднюю поверхность на значительно большем расстоянии от лезвия, чем в том случае, когда нарост отсутствует. Свешивающаяся вершина нароста предохраняет заднюю поверхность инструмента от соприкосновения с поверхностью резания. Таким образом, нарост препятствует изнашиванию контактных поверхностей инструмента.

В зоне скоростей резания, соответствующих максимальной высоте нароста, наблюдается резкое увеличение шероховатости обработанной поверхности. При периодическом разрушении вершины нароста, связанной со срезаемым слоем, на поверхности резания и обработанной поверхности образуются надрывы и борозды, а часть нароста внедряется в обработанную поверхность. Все это увеличивает шероховатость обработанной поверхности, и, таким образом. При росте нароста, его разрушении и последующем возрастании происходит периодическое изменение фактического переднего угла инструмента и, как следствие, периодические, изменения силы резания. Поэтому при максимально развитом наросте могут возникнуть вынужденные колебания технологической системы с частотой, равной частоте образования и полного или частичного разрушения нароста. Оба последних обстоятельства делают крайне нежелательным возникновение нароста при чистовой обработке.

Лекция 6. Силы и работа резания