Стружкообразование при резании.

При обработке резанием превращение срезаемого слоя в стружку является одной из разновидностей процесса пластической деформации материала, выражающейся в изменении под действием внешней силы формы деформируемого тела без его разрушения. Впервые классификацию стружки предложил И. А. Тиме: стружка сливная, скалывания, или суставчатая, элементная и надлома. Стружка скалывания состоит из отдельных элементов. Поверхность стружки, контактирующая с передней поверхностью резца, гладкая. Она образуется в результате обработки сталей и других пластичных материалов при большой толщине срезаемого слоя, относительно низкой скорости резания и небольшом переднем угле лезвия. При уменьшении толщины среза, повышении скорости резания и увеличении переднего угла отдельные элементы стружки становятся менее отчетливыми и сходят без зазубрин на ее внешней стороне (сливная стружка). Если увеличить толщину среза, уменьшить скорость резания и передний угол , отдельные элементы стружки будут менее связанными, т.е. образуется элементная стружка. Эти три вида стружки получаются при обработке пластичных металлов. В случае обработки хрупких материалов при больших толщинах среза и больших передних углах происходит вырывание или откалывание крупных частиц металла неправильной формы. Получаемая при этом стружка называется стружкой надлома. Она образуется, например, при обработке чугуна, который плохо сопротивляется растяжению. При больших углах  в срезаемом слое появляются напряжения отрыва, которые способствуют выламыванию кусков металла. Если увеличить скорость резания, при обработке чугуна образуется элементная стружка, а при очень высоких скоростях чугун даст сливную стружку, хотя по сравнению со стальной прочность ее низка.

Формализованная модель зоны стружкообразования.

Свободная поверхность стружки всегда неровная, обычно на ней заметны мелкие волны или зазубрины. Даже на прочной сливной стружке часто можно наблюдать трещины, надрывы. Поскольку полное описание механизма образования стружки сложно, для анализа напряжений и деформаций при резании реальный процесс стружкообразования заменяют его упрощенной моделью. В частности, не принимается во внимание искажение формы полученного сечения реальной стружки и увеличение ее ширины; ее поперечное сечение представляют в виде прямоугольника с высотой, равной средней толщине стружки, и шириной, равной первоначальной ширине резания. При этих допущениях образование стружки рассматривается в идеализированном сечении по нормали к режущей кромке резца при свободном прямоугольном резании. На практике такое сечение можно увидеть, изготовив шлиф корня стружки (рис. 3.6,а) с помощью специальных устройств для мгновенной остановки процесса резания. Анализ шлифов позволяет предложить следующий механизм стружкообразования. Режущий клин действует на срезаемый слой толщиной а на контактной площадке шириной С (рис. 3.6,б). Сила R', с которой инструмент передней поверхностью давит на срезаемый слой, получила название силы стружкообразования. Многочисленными исследованиями установлено, что при резании с большими сечениями среза уширение стружки незначительно, поэтому можно считать, что деформированное состояние в зоне стружкообразования является плоским и срезаемый слой в процессе резания претерпевает деформацию сдвига.

Схема образования элементной стружки.

При исследовании зоны стружкообразования установлено, что прежде чем произойдет разрушение по плоскости скалывания (рис. 3.10), в объеме будущего элемента стружки возникают значительные деформации сжатия, вызывающие течение материала срезаемого слоя вдоль и перпендикулярно к передней поверхности инструмента. Превращение срезаемого слоя в элемент стружки происходит следующим образом (рис. 3.11). При перемещении инструмента на расстояние l его передняя поверхность деформирует объем материала, ограниченный параллелограммом M₀MNN₀. Когда напряжения сжатия превзойдут предел текучести деформируемого материала, начнется его перемещение но передней поверхности лезвия инструмента и точка М₀ совпадет не с точкой K, как это бывает при образовании сливной стружки, а с точкой Q. Одновременно сторона М₀N₀ параллелограмма укорачивается до QP. В результате элемент срезаемого слоя M₀MNN₀ превращается в элемент стружки МNPQ. Когда запас пластичности обрабатываемого материала будет исчерпан, начинается его разрушение по плоскости скалывания, и сколотый элемент перемещается вверх по передней поверхности лезвия инструмента. Чем больше степень деформации срезаемого слоя, тем больше форма элемента стружки в виде трапеции МNPQ приближается к треугольной. При этом сторона MN элемента стружки получает значительно большее уширение, чем при образовании сливной стружки.

Схема образования сегментированной стружки.

В результате значительной скорости деформаций и достижения критического уровня тепловых деформаций теплота, образующаяся в узких зонах сдвига, практически полностью там же и остается. Это вызывает снижение границы пластичности обрабатываемого материала, и образуется сегментированная стружка.

Схема образования стружки надлома.

На рис. 3.16 представлена наиболее простая схема стружкообразования при резании хрупких материалов в случае прямоугольного резания [6]. Под действием режущего лезвия резца у его передней поверхности образуются трещины, распространяющиеся в направлении вектора скорости. Причинами возникновения и развития трещин являются растягивающие или сдвигающие напряжения, которые могут быть вызваны гидростатическим напряжением, изгибающим моментом, наличием большой поверхности сдвига и другими факторами. На первом этапе стружкообразования происходит непрерывное повышение силы резания, обеспечивающее развитие ведущей равномерно-подвижной трещины 3. Оно продолжается до тех пор, пока на формирование стружки не начнет оказывать воздействие напряжение изгиба, приводящее к быстрому падению силы резания и отрыву элемента стружки по поверхности резания 2. На втором этапе происходит зачистка поверхности резания 1 характеризующаяся отрывом более мелких частиц стружки по описанной схеме. Если развитие основной трещины идет ниже поверхности резания, второй этап не наблюдается

Пластическая деформация при резании металлов внешне проявляется в том, что толщина стружки а_c становится больше толщины среза а (рис. 3.30), а ее ширина больше ширины срезаемого слоя, т.е. b_с > b. Но так как объем стружки остается прежним, оказывается, что длина стружки l_c обычно становится короче пути l, пройденного инструментом.

Рис. 3.30. Схема определения коэффициента укорочения сплошной стружки

Указанное изменение размеров срезаемого слоя называется усадкой стружки и характеризуется коэффициентами: K_l=l/l_c; K_a=a_c/a; K_b=b_c/b. где K_l, K_а, K_b – коэффициенты соответственно укорочения, утолщения и уширения стружки. Эти коэффициенты, как правило, больше единицы и являются косвенными показателями интенсивности пластической деформации при резании металлов. Они показывают, во сколько раз размеры стружки по длине, толщине и ширине меньше или больше соответствующих размеров срезаемого слоя. Так как объем стружки равен объему срезаемого слоя, lab = l_ca_cb_c, а поэтому K_l = K_aK_b. Обычно уширение стружки даже при свободном резании невелико и составляет 5...15 % от ширины срезаемого слоя, в то время как укорочение и утолщение стружки оценивается в 250...600 % и более. Поэтому при черновой обработке уширением стружки можно пренебречь и считать, что K_l  K_a. При резании же с малыми сечениями среза K_b достаточно велик и достигает 1,5 и более [11]. В этих случаях даже поперечное сечение стружки не соответствует сечению среза, а приобретает форму треугольника. Поэтому при исследовании чистовых процессов отдельно рассматривают K_l , K_a и K_b.

В ряде случаев на стружке наблюдаются значительные выступы и впадины (рис. 3.31), т.е. она имеет сегментированную форму. В этом случае для расчетов можно пользоваться формулой : K_l = K_aK_be₀, где K_a – коэффициент утолщения: K_a = a_с/а; K_b – коэффициент уширения: K_b = b_c/b; е₀ – коэффициент сплошности стружки: е₀ =(a₁ + a₂)/2а₁; для непрерывной сливной стружки e₀ = 1, для элементной е₀ < 1. На основании экспериментальных данных установлено, что для  = 0...10° и  > 36...40° K_l < 1, что характерно для сверхскоростной обработки и резания титановых сплавов см. (разд. 3.3). В данном случае длина стружки за счет пустот на стороне, противоположной прирезцовой зоне, становится больше длины срезаемого слоя, а K_l будет меньше единицы (0,75...0,9). Такое явление называют отрицательной усадкой. Рассмотрим факторы, влияющие на коэффициент укорочения стружки:

изменение переднего угла лезвия : при его увеличении коэффициент укорочения стружки уменьшается (рис. 3.32,а). Это подтверждается рядом исследований, которые показывают, что при увеличении переднего угла лезвия уменьшается трение стружки о переднюю поверхность инструмента, что в свою очередь приводит к увеличению угла сдвига  (рис. 3.32,б, в). Известно, что чем больше угол , тем меньше коэффициент укорочения стружки. 2) по этой же причине применение смазочно-охлаждающей жидкости также приводит к уменьшению усадки стружки; 3) изменение толщины среза: чем больше толщина о срезаемого слоя металла, тем меньше коэффициент укорочения стружки, что также связано с изменением угла . Например, при а = 0,13 мм  = 26°, при а = 2,65 мм  = 36°; 4) изменение скорости резания: с ее увеличением происходит немонотонное изменение укорочения стружки. Зависимость K_l = f(v) с различными углами  при обработке стали 40Х представлена на рис. 3.33. Характер изменения K_l при различных скоростях резания объясняется изменением размеров нароста (см. главу 4). Минимальный коэффициент укорочения стружки соответствует наибольшему размеру нароста. Характерные точки, соответствующие максимальному коэффициенту укорочения на кривых K_l = f(v), или точки перегиба, тем больше сдвигаются в область низких скоростей резания, чем пластичнее обрабатываемый материал и меньше передний угол и толщина среза