Глава 4. Физическая сущность процесса резания

Резание металлов — сложный процесс взаимодействия режущего инструмента и заготовки, сопровождающийся рядом физических явлений например, деформированием срезаемого слоя металла.. Физические и химические процессы на поверхностях контактирующих тел весьма многообразны и сложны. Особое значение имеют контактные процессы при резании материалов.

Наиболее сложным контактным процессом является трение. Эти условия трения, редко встречаются при обработке давлением или при работе деталей машин. При снятие стружки происходит дефор­мирование срезаемого слоя металла, а также деформирование и разрушение поверхностных слоев режущего клина.

Процесс резания можно представить следующей схемой. В начальный момент процесса резания, движущийся резец под действием силы Р (рис. 4.1) вдавливается в металл, в сре­заемом слое возникают упругие, затем пластические деформации.

Рис. 4.1 - Действие сил при обработке резанием

Срезанный слой металла дополнительно деформируется вслед­ствие трения стружки о переднюю поверхность инструмента. На передней же поверхности инструмента образуются налипы и наросты, изменяющие характер стружкообразования, ухуд­шающие качество обработанной поверхности и разрушающие режущую часть инструмента.

В контактной области возникает целый ряд поверхностных явлений, таких как адсорбция, адгезия, коррозия, упрочнение и разупрочне­ние поверхностных слоев, диффузия, эрозия, окисление, охрупчивание и др.

Даже такое беглое перечисление подчеркивает сложное состояние контактирующих поверхностей при работе их в различных средах, разных температурных условиях и при сложных способах нагружения, существующих при резании материалов. В свою очередь, контактные процессы оказывают существенное влияние на характеристики и протекание дефор­мирования и разрушения обрабатываемого материала, виб­рации, выделение и распространение теплоты в зоне резания и структурно-фазовые превращения в поверхностных слоях детали. Все эти условия в конечном счете влияют на качество поверхности, точность обработки и производительность труда.

Вскрыть физическую сущность процесса резания установить причины и закономерность явлений, которыми он сопровождается является основной задачей науки о резании металлов.

4.1 Процесс стружкообразования экспериментальные исследования процесса резания

Еще в конце прошлого века при пер­вых систематических исследованиях про­цессов резания металлов было установ­лено различие в образовании и внешнем виде стружек, срезанных с заготовок из различных материалов, а также зависи­мость внешнего вида стружки от ско­рости резания и толщины срезаемого слоя. Выяснилось, что характер деформа­ции и разрушения в объеме срезаемого слоя металла подчиняется определенным закономерностям и зависит от вида ме­талла и баланса действующей системы механических сил, возникающих в про­цессе резания.

Первые капитальные научные исследо­вания закономерностей деформации ме­талла в процессе резания и классифика­ция стружек по их внешнему виду были выполнены в конце прошлого и в начале этого веков основоположниками теории резания металлов, русскими учеными И.Л. Тиме, Л.Л. Бриксом, К.А. Зворы­киным, Я.Г. Усачевым. Большой вклад в исследования пластической деформации в процессе стружкообразования внесли русские ученые И.М. Бсспрозванный, А.В. Панкин, А.И. Каширин, В.Д. Куз­нецов, С.Ф. Глебов, Л.М. Розенберг, В.А. Кривоухов и многие другие.

Первые исследования закономерностей де­формирования металла в процессе струж­кообразования были проведены профес­сором Санкт-Петербургского политехни­ческого института И.А. Тиме и их ре­зультаты опубликованы в 1893 г. В ка­честве объекта исследования был взят свинцовый брусок прямоугольного сече­ния. Для облегчения наблюдений на гладко отполированной боковой стороне бруска через равные интервалы длиной были нанесены керном метки. На строгальном станке с верхней грани бруска по всей ее ширине резцом, прямолинейное лезвие которого имело главный угол в плане (φ = 90° и угол наклона лезвия λ = 0) срезался слой толщиной а. Резание производилось с малой скоростью. Преодолевая сопротивление метал­ла на пути своего перемещения, лезвие резца пластически деформирует и сдвигает металл в сторону от передней поверхности. О пределах распространения пластической деформации в срезаемом слое И. А. Тиме судил по потускнению полированной боковой стороны свинцо­вого бруска.

И. А. Тиме экспериментально устано­вил, что:

1) пластическая деформация стружкообразования распространяется со скоростью перемещения инструмента вдоль срезаемого слоя и протекает в объе­ме металла между передней поверхностью резца и граничной линией, отделяющей визуально видимые следы деформации на боковой стороне бруска от металла, сох­раняющего первоначальное состояние;

2) внутренние напряжения в деформируе­мом объеме металла периодически воз­растают и достигают значений, при кото­рых очередной сформировавшийся эле­мент стружки сдвигается по граничной плоскости.

3) плоскость скалывания. Су­ществование прямолинейной границы распространения пластической деформа­ции, визуально наблюдаемой на полиро­ванной боковой стороне бруска, представ­ляет собой не только поверхностное явление. Деформация материала срезае­мого слоя происходит и в глубине метал­ла. Таким образом, объем металла, под­вергающийся пластической деформации, ограничен с одной стороны передней по­верхностью лезвия резца, а с другой сто­роны (в материале бруска) совокупно­стью параллельных граничных прямых, образующих граничную плоскость. Эту граничную плоскость, представляющую перемещающийся впереди лезвия фронт распространения пластической деформа­ции, по которой периодически сдвигаются или скалываются сформировавшиеся эле­менты стружки, И. А. Тиме назвал плоскостью скалывания, а образующийся при этом угол - углом действия (рис.4.2), значение которого в экспериментах И. А. Тиме колебалось в пределах Θ = 30... 35°. А. А. Брикс предложил назвать угол Θ углом скалывания.

Рис. 4.2 - Углы скалывания Θ и действия \|/, определяющие положение плоскости скалывания

В более поздних работах по исследо­ванию пластической деформации стружкообразования, проведенных ис­следователями, вместо термина «угол ска­лывания» получил распространение тер­мин «угол сдвига». Было также обнару­жено, что угол действия \|/ и угол ска­лывания Θ (угол сдвига) в зависимости от механических свойств обрабатываемого металла, угловых параметров инстру­ментов и режимов резания изменяются в больших пределах, чем указывал И. А. Тиме.