книги / Резание материалов

ние скорости резания, наоборот, превращает сливную стружку в элементную. Физическая причина этого явления до настоящего времени полностью не выяснена. Повышение скорости резания при обработке хрупких материалов сопровождается переходом стружки надлома в элементную стружку с уменьшением размеров отдельных элементов и упрочнением связи между ними.

При применяемых в производстве геометрических параметрах инструментов и режимах резания основными типами стружки при резании пластичных материалов являются сливная (чаще) и суставчатая (реже). Основным типом стружки при резании хрупких материалов является элементная. В настоящее время наиболее подробно изучен процесс сливного стружкообразования. Образование элементной стружки при резании как пластичных, так и хрупких материалов изучено недостаточно.

В последние годы развитие автоматизированных и копьютезированных технологий привело к дальнейшему развитию классификации видов стружек. Так, согласно зарубежной классификации ИСО различают восемь типов стружек: лента, цилиндрическая спираль, плоская спираль, винтовая открытая спираль, винтовая коническая спираль, одновитковая стружка, элементная и игольчатая. С развитием теории и практики высокоскоростного резания появился термин «сегментированная (пилообразная) стружка».

2.2.2. Деформированное состояние зоны стружкообразования при элементной и сливной стружке

Образование элементной стружки изучено значительно хуже, чем образование сливной. Изучение реальных процессов деформации вызывает большие затруднения из-за сложностей описания. Поэтому принято изучать процессы деформирования при образовании стружки путем моделирования зоны стружкообразования условной моделью и некоторыми допущениями. Чаще всего исследуется ортогональное резание, где образование стружки рассматривается в идеализированном сечении по нормали к режущей кромке резца. На практике можно исследовать кинограммы процесса резания или изготовить микрошлифы корней стружек.

81

Кинограммы процесса резания и наблюдения за искажением ячеек делительной сетки n показывают, что прежде чем произойдет разрушение по плоскости скалывания тп (рис. 55, 56) в объеме будущего элемента стружки, имеют место значительные деформации сжатия, вызывающие течение материала срезаемого слоя по передней поверхности перпендикулярно и параллельно лезвию инструмента.

Рис. 55. Искажение делительной сетки в элементе стружки

С учетом этого превращение срезаемого слоя в элемент стружки происходит следующим образом (см. рис. 56). При перемещении инструмента на расстояние L передняя поверхность воздействует на некоторый объем срезаемого слоя, ограниченный параллелограммом m0mnn0.

Рис. 56. Схема превращения срезаемого слоя в элемент стружки

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

82

при образовании сливной стружки, а в точке q. Одновременно происходит укорочение стороны параллелограмма m0n0 до размера qp. В результате этого параллелограмм m0mnn0 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.

Исследования, проведенные с помощью метода делительной сетки (рис. 57), а также измерение микротвердости корней стружки (рис. 58) показали, что между срезаемым слоем и образовавшейся стружкой существует более или менее отчетливо выраженная переходная зона.

Схема, поясняющая процесс образования сливной стружки, представлена на рис. 59. Режущий клин инструмента через площадку контакта шириной с как пуансон действует на срезаемый слой толщиной а.

Рис. 57. Переходная зона, выявленная методом делительной сетки

83

Рис. 58. Переходная зона, выявленная по изменению микротвердости

А	В
			D
	Е	Q

			C
	F
				O

K

Рис. 59. Зоны первичной и вторичной деформации при превращении срезаемого слоя в сливную стружку

Сосредоточенная сила Р, с которой передняя поверхность инструмента давит на срезаемый слой, получила название силы стружкообразования. Линией ОK обозначена нейтральная линия, разграничивающая области сжимающих и растягивающих на-

84

пряжений в обрабатываемом материале ниже поверхности резания. Левее нейтральной линии расположена область сжимающих напряжений, а правее – растягивающих.

Перед передней поверхностью инструмента расположена зона I первичной деформации. Зона ОАВСОпервичной деформации имеет формуклинас вершинойна лезвии инструмента. Еенижняя граница ОFА вогнута и пересекает продолжение поверхности резания. Верхняя граница ОВ зоны выпукла и ее длина в2...4 раза меньше длины линии ОА. Линия АВ плавно сопрягает предыдущую поверхность резания со свободной стороной стружки. Левее линии ОА находятся еще недеформированные зерна материала срезаемого слоя, а правее линии OB – зерна материала, принадлежащие стружке. Зерно срезаемого слоя, перемещающееся относительно инструмента со скоростью резания V, начинает деформироваться в точке F и, проходя по траектории своего движения, получает все большую степень деформации. Деформация зерна заканчивается в точке Q, где зерно приобретает скорость Vc, равнуюскорости стружки.

Многочисленные эксперименты показывают, что ширина стружки по сравнению с шириной срезаемого слоя даже при свободном резании увеличивается незначительно; при несвободном резании уширение стружки еще меньше. Поэтому можно считать, что деформированное состояние в зоне стружкообразования является плоским и срезаемый слой в процессе резания претерпевает деформацию сдвига. На основании этого линия ОА физически представляет собой поверхность сдвига (скольжения), на которой сдвигающие напряжения равны пределу текучести s материала на сдвиг: = s. Вся зона I состоит из подобных поверхностей, на каждой из которых сдвигающие напряжения равны пределу текучести материала, уже получившего определенную степень упрочнения в результате предшествующей деформации. Линия ОВ представляет собой поверхность, на которой осуществляется последняя сдвиговая деформация; на ней сдвигающие напряжения равны пределу текучести s на сдвиг окончательного упрочненного в результате превращения срезаемого слоя в стружку материала.

Если бы между передней поверхностью инструмента и контактной поверхностью стружки отсутствовало трение, то на этом

85

деформирование зерен срезаемого слоя закончилось бы. Но поскольку между указанными поверхностями всегда имеется трение, то зерна материала, находящиеся в непосредственной близости к контактной поверхности стружки, продолжают деформироваться и после выхода их из зоны первичной деформации.

Так возникает зона II вторичной деформации, ограниченная передней поверхностью и линией CD. Ширина OD зоны вторичной деформации приблизительно равна половине ширины площадки контакта с/2, а максимальная высота 1 в среднем составляет 0,1 толщины ас стружки. Зерна срезаемого слоя, проходя через зону вторичной деформации, деформируются исключительно сильно: степень деформации в зоне II может в 20 раз и более превышать среднюю деформацию стружки. Наличие зоны вторичной деформации приводит к неоднородности конечной деформации стружки по ее толщине. На большей части толщины стружки степень деформации зерен одинакова, а в слое толщиной 1 наблюдается резкое увеличение степени деформации. Размерызоны вторичной деформации и степень деформации зерен материала в этой зоне определяются интенсивностью трения на передней поверхности. Чем меньше сила трения на передней поверхности, тем меньше размеры зоны вторичной деформации и интенсивность деформации. При уменьшении толщины срезаемого слоя, увеличении переднего угла и применении хорошо смазывающих жидкостей размеры зоны II уменьшаются и она становится исчезающе малой. В этом случае степень деформации зерен стружкипо еетолщине практически одинакова.

Сложность физических процессов, происходящих в зонах первичной и вторичной деформации, не позволяет дать простых математических методов их количественного описания. Поэтому при инженерных расчетах реальный процесс стружкообразования заменяют его упрощенной моделью. Правомерность использования упрощенной модели связана со следующими обстоятельствами. Зона первичной деформации по своей толщине соизмерима с толщиной срезаемого слоя только при малых передних углах инструмента, больших толщинах срезаемого слоя и низких скоростях резания. При передних углах инструмента, толщинах срезаемого слоя и ско-

86

ростях резания, применяемых в производственных условиях, протяженность FQ зоны первичной деформации резко уменьшается, ее границы ОА и ОВ сдвигаются, приближаясь к некоторой линии ОЕ, наклонной к поверхности резания под углом . Это позволяет считать, что сдвиговые деформации локализуются в очень тонком слое толщиной х, а семейство поверхностей скольжения можно заменить единственной плоскостью ОЕ, называемой условной плоскостью сдвига. При такой идеализации процесс превращения срезаемого слоя в стружку можно представлять как процесс последовательных сдвигов тонких слоев обрабатываемого материала вдоль условной плоскости сдвига. Поскольку деформированное состояние практически является плоским, то, следовательно, процесс стружкообразования должен подчиняться закономерностям простого сдвига. Экспериментальная проверка хорошо подтверждает это положение. Средняя конечная интенсивность деформации, рассчитанная по измерению размеров искаженной в результате резания ячеек квадратной делительной сетки, мало отличается от интенсивности деформации простого сдвига, определенной на основании размеров стружки (табл. 1).

Таблица 1

Сравнение измеренной и расчетной интенсивности деформации при резании латуни Л70; а = 3 мм и V = 5 м/мин

	Передний угол ,	Интенсивность	Интенсивность	Отклонение,
			деформации
	град	деформации		%
			простого сдвига
	0	1,390	1,460	5
	15	0,940	0,985	11
	30	0,737	0,750	7

К такому же выводу можно прийти, определив при резании меди величину угла сдвига от вида деформированного состояния по размерам эллипсов стружки, в которые превратились окружности, нанесенные на срезаемый слой. Значения углов γ и β при резании меди со скоростью V = 19 мм/мин приведены в табл. 2.

87

			Таблица 2
Влияние переднего угла на изменение угла сдвига
Угол		Значение угла
	17°	27°	37°
	36°32	31°24	37°37

Наблюдаемое незначительное уширение стружки, т.е. наличие деформации в направлении второй главной оси, свидетельствует о том, что помимо деформации простого сдвига при резании имеет место деформация сжатия. Однако приведенные экспериментальные данные показывают, что доля деформации сжатия по сравнению с деформацией простого сдвига невелика. Поэтому при инженерных расчетах, особенно при несвободном резании, можно пользоваться упрощенной моделью с единственной плоскостью сдвига, принимая деформированное состояние простого сдвига.

Рассмотрим механику образования сливной стружки при единственной условной плоскости сдвига.

На рис. 60 представлена схема превращения срезаемого слоя в стружку при единственной условной плоскости сдвига. В срезаемом слое толщиной а выделим параллелограмм mnpq

Рис. 60. Идеализированная схема превращения срезаемого слоя в стружку

с малой высотой х, прилегающий к условной плоскости сдвига тп. Угол , под которым условная плоскость сдвига наклонена к поверхности резания, называют углом сдвига. Пусть режущий инструмент переместится из положения I в положение II, пройдя вдоль боковой

стороны параллелограмма mnpq расстояние L. В результате этого перемещения точка q срезаемого слоя, лежащая на поверхности резания, окажется в точке q1, лежащей на передней

88

поверхности, а точка р, лежащая на предыдущей поверхности резания, окажется в точке p1, лежащей на свободной стороне стружки. Таким образом, параллелограмм mnpq, сдвигаясь вдоль основания тп на величину s, превращается в параллелограмм mnp1q1. Очевидно, что параллелограмм тпр1q1 принадлежит уже не срезаемому слою, а стружке, образовавшейся в результате перемещения инструмента на расстояние L. При каждом последующем перемещении инструмента на то же расстояние процесс повторяется. Таким образом, превращение срезаемого слоя в сливную стружку происходит в результате последовательных и непрерывных сдвигов весьма тонких слоев материала по условной плоскости сдвига без нарушения связи между сдвинутыми слоями, т.е. без нарушения сплошности материала стружки. Если схему деформирования параллелограмма mnpq сравнить со схемой деформирования при простом сдвиге, изображенной на рис. 60, то видно, что они совпадают, и расстояние s есть не что иное, как абсолютный сдвиг.

Что же вызывает сдвиг слоя материала вдоль условной плоскости сдвига и когда этот сдвиг начнется? Передняя поверхность инструмента действует на срезаемый слой с нормальной силой N. По закону трения Амонтона нормальная сила создает силу трения F = N (где – коэффициент трения скольжения между стружкой и инструментом).

Складывая силы N и F, получим силу стружкообразования R, наклоненную к поверхности резания под углом действия . Разложим силу стружкообразования на две: силу PN, перпендикулярную к условной плоскости сдвига, и силу P , действующую вдоль плоскости сдвига. Сила PN сжимает сдвигаемый слой толщиной x, а сила P сдвигает его. Таким образом, сдвиговый процесс при образовании стружки вызывает сила P , получившая название силы сдвига. Как указывалось выше, сдвиговая деформация начнется в том случае, когда напряжение сдвига станет равным пределу текучести на сдвиг. При прямоугольном резании сдвигающее напряжение на условной плоскости сдвига

89

mnР b ,

где b – ширина срезаемого слоя.

Так как mn sina , то получим = abР sin , но сила сдвига P = Rcos( + ). Подставляя последнее, получим

= abR cos( + ) · sin .

Процесс образования стружки начнется в том случае, когдаs, где s – пределтекучестиобрабатываемогоматериаланасдвиг.

На рис. 61 изображена схема напряженного состояния малого объема материала, расположенного на условной плоскости сдвига, и эпюры изменения касательных и нормальных напряжений вдоль указанной плоскости. Независимо от рода и свойств обрабатываемого материала, величины переднего угла инструмента, толщины срезаемого слоя и скорости резания касательные напряжения вдоль условной плоскости сдвига имеют постоянную величину.

Нормальные напряжения распределяются по-иному. При больших передних углах инструмента и малых коэффициентах трения на передней поверхности (резание с хорошо смазывающими жидкостями) нормальные напряжения (см. рис. 61, а) уменьшаются по мере приближения к лезвию и в некоторой точке условной плоскости сдвига могут изменить свой знак на обратный. По мере уменьшения переднего угла инструмента и увеличения коэффициента трения указанный эпюр постепенно переходит к виду эпюра, изображенного на рис. 61, б, на котором нормальные напряжения, сохраняя постоянство знака, увеличиваются при приближении к лезвию. Таким образом, в общем случае нормальные напряжения вдоль условной плоскости сдвига, в отличие от касательных напряжений, непостоянны. Особенностью процесса является отсутствие влияния нормальных напряжений на величину касательных напряжений.

90