5.3. Взаимосвязь явлений в процессе резания
Параметры процесса резания делятся на внутренние и внешние: к внутренним относятся угол действия, температура на передней поверхности инструмента, действительный передний угол с учетом нароста, ширина площадки контакта, средний коэффициент трения и др.; к внешним ‑ физико-механические свойства обрабатываемого и инструментальных материалов, геометрические параметры инструмента, параметры режима резания и свойства СОЖ.
Непосредственное и наиболее сильное влияние на процесс резания оказывают угол действия, передний угол инструмента, скорость резания и свойства обрабатываемого материала. Влияние остальных факторов на процесс резания косвенное, из них наибольшее влияние оказывает толщина срезаемого слоя.
От угла сдвига зависят коэффициент укорочения стружки, относительный сдвиг и работа стружкообразования. Угол сдвига непосредственно зависит от угла действия (формула Зворыкина):
Изменения угла действия можно достигнуть, изменяя средний коэффициент трения в результате применения СОЖ или за счет снижения шероховатости передней поверхности при заточке. С увеличением угла действия угол сдвига уменьшается, что приводит к увеличению степени деформации срезаемого слоя и работы стружкообразования.
С уменьшением переднего угла увеличивается угол между векторами скорости резания и стружки. При этом изменяется направление движения срезаемого слоя, уменьшается угол сдвига и увеличивается степень деформации срезаемого слоя.
При обработке металлов без образования нароста косвенное влияние переднего угла инструмента на процесс формирования стружки связано только с изменением угла действия вследствие изменения ориентации передней поверхности и среднего коэффициента трения. С уменьшением переднего угла угол действия увеличивается вследствие изменения положения передней поверхности и уменьшается из-за уменьшения среднего коэффициента трения. Первое воздействие является преобладающим.
При обработке с образованием нароста влияние переднего угла на процесс формирования стружки менее ощутимо, поскольку, чем меньше передний угол инструмента, тем больше высота нароста и больше действительный передний угол.
Непосредственное влияние скорости резания на процесс стружкообразования выражается в изменении угла сдвига. При малых скоростях зона первичной деформации имеет сравнительно большие размеры. С увеличением скорости резания срезаемый слой очень быстро проходит через поле напряжений, и пластические деформации не успевают произойти на нижней границе зоны деформации. В результате зона первичной деформации становится уже и смещается. Это приводит к увеличению угла сдвига и уменьшению степени деформации срезаемого слоя.
Косвенное влияние скорости резания на процесс стружкообразования проявляется в ее влиянии на угол действия за счет изменения среднего коэффициента трения и действительного переднего угла в случае образования нароста. Средний коэффициент трения изменяется с изменением скорости резания в силу того, что при этом изменяются средние нормальные контактные напряжения и температура резания, влияющая на сопротивление сдвигу в контактном слое стружки. Таким образом, при работе без образования нароста увеличение скорости резания облегчает процесс стружкообразования, уменьшает относительный сдвиг и удельную работу стружкообразования.
При обработке металла с образованием нароста влияние скорости резания на процесс стружкообразования в значительной степени определяется температурой резания. Например, исследованиями установлено, что при обработке сталей нарост достигает максимальных размеров при 300 °C и исчезает при 600 °C. Изменение температуры влечет за собой соответствующие изменения переднего угла, высоты нароста, коэффициента усадки стружки и др. параметров. Только при таких скоростях резания, когда температура в зоне резания становится выше 600 °C, увеличение скорости резания улучшает все показатели стружкообразования.
Непосредственное влияние механических свойств материала на процесс стружкообразования проявляется в увеличении угла сдвига с повышением сопротивления сдвигу материала в зоне стружкообразования при постоянных значениях переднего угла и угла сдвига. Степень деформации срезаемого слоя при этом уменьшается.
Косвенное влияние свойств обрабатываемого материала на процесс стружкообразования, если нарост при резании не образуется, проявляется в изменении угла действия из-за изменения среднего коэффициента трения. При постоянной температуре резания средний коэффициент трения для различных обрабатываемых материалов изменяется мало, так как при увеличении сопротивления материала пластической деформации одновременно растут касательные и нормальные контактные напряжения. При постоянной скорости резания с увеличением сопротивления материала пластическим деформациям средний коэффициент трения уменьшается, что изменяет коэффициент усадки стружки и относительный сдвиг.
Если резание протекает с образованием нароста, косвенное влияние свойств обрабатываемого материала на процесс стружкообразования проявляется в изменении действительного переднего угла.
Толщина срезаемого слоя влияет на процесс стружкообразования только косвенно. При отсутствии нароста изменение толщины среза вызывает изменение среднего коэффициента трения, который из-за увеличения средних нормальных контактных напряжений на передней поверхности инструмента снижается при увеличении толщины среза. Чем больше толщина срезаемого слоя, тем меньше относительный сдвиг и удельная работа стружкообразования. При обработке металла с образованием нароста толщина срезаемого слоя влияет на процесс стружкообразования посредством изменения действительного переднего угла. Таким образом, между процессами в зоне первичной деформации и на передней поверхности инструмента существует тесная и взаимообусловленная связь. Любое изменение условий трения на площадке контакта влияет на протекание деформационных процессов и на характер стружкообразования. Наоборот, изменение условий стружкообразования посредством изменения температуры и скорости резания влияет на контактные процессы в зоне резания. Иначе говоря, всякое изменение напряженного состояния в одной из зон вызывает соответствующее изменение напряженного состояния в другой зоне. В результате в процессе резания за счет саморегулирования в зонах первичной деформации и на передней поверхности инструмента устанавливаются такие напряженные состояния, при которых соблюдается условие равновесия стружки.