2.2 Критерии и методы исследования деформаций срезаемого слоя. Понятие усадки и относительного сдвига.

При резании в материале срезаемого слоя происходят:

- деформации сжатия, которые максимальны у передней поверхности резца;

- деформации сдвига в зоне образования элемента стружки (плоскости сдвига);

- деформации сжатия, определяемые величиной силы нормального давления N_п, и растяжения зерен металла под действием силы трения F_п (образование текстуры);

- срез материала в плоскости резания, в результате которого происходит отделение слоя от поверхности изделия.

Таким образом, в зоне деформации создается сложно - напряженное состояние, образуется существенно неоднородные поля деформаций и напряжений.

Одним из наиболее распространенных критериев процесса образования срезаемого слоя является усадка стружки, которая характеризует изменение размеров стружки под действием сил резания.

Сила трения F_п сжимает стружку, поэтому ее длина L_c меньше, чем длина L. Сила нормального давления N_п вызывает изменение сечения стружки по сравнению с сечением среза a₁b₁ab. Отношение длины пути L, пройденного резцом, к длине снятой стружки L_c называют продольной усадкой стружки. Отношение площади стружки a₁b₁ (после деформации) к площади среза ab называют поперечной усадкой.

Согласно рис. 2.1. имеем:

, (2.1)

где ; ; L_c – длина элемента стружки

Тогда усадка:

, (2.2)

Для определения усадки стружки применяют методы визуального наблюдения; скоростной киносъемки; определения угла сдвига Ф для последующего расчета ξ; координатной сетки, которая наносится на боковую поверхность шлифа; измерения объема и двойного взвешивания стружки (в воде и на воздухе).

Для изучения поля деформаций и напряженного состояния среза достаточно широко используются металлографические методы, рентгеноструктурный анализ, измерения микротвердости.

Динамику процессов образования стружки можно изучать поляризационно-оптическим методом, но наиболее перспективен метод акустической эмиссии, имеющий более широкую область применения, информативность и высокую точность.

Количественными характеристиками деформаций срезаемого слоя при обработке пластичных материалов являются величины абсолютного S и относительного сдвига  (рис. 2.5, а):

Величина абсолютного сдвига:

(2.3)

где: x - толщина элемента сдвига.

Рис.2.4. Схема образования элементов стружки

а) – при абсолютном сдвиге; б) – при относительном сдвиге

Из рис. 2.4,б:

(2.4)

Величина относительного сдвига характеризует среднюю интенсивность деформаций в срезаемом слое и связаны с коэффициентом усадки стружки ξ соотношением:

(2.5)

Очень важной для анализа динамики процесса стружкообразования величиной, является скорость деформаций в плоскости сдвига.

Поскольку V_сдв=/t_деф и время деформации t_деф=x/V, то:

(2.6)

Принимая для обычных условий резания стали инструментом из твердого сплава γ=0⁰, φ=30⁰, x=0,02мм, V=300м/с, получим V_сдв40000 м/мин, что близко совпадает с критической скоростью распространения разрушающих трещин V_кр в материалах этого класса:

, (2.7)

где: V_е – скорость распространения в материале продольной звуковой волны; D - модуль пластичности, определяемый как производная от напряжения по деформации;  - плотность материала;  - коэффициент Пуассона.

, (2.8)

Отсюда следует несколько важных для практики выводов:

- положение плоскости сдвига зависит от свойств обрабатываемого материала и скорости резания,

- процесс резания можно рассматривать как процесс высокоскоростных (сдвиговых) деформаций в срезаемом слое,

- для каждого материала существует критический импульс (или критическая скорость деформации ()), до которого деформирование происходит без разрушения. Для материалов   10⁵ с^-1, для хрупких -   10^-2 - 10^-4 с^-1;

- энергетические характеристики процессов, происходящих в срезаемом слое, на поверхностях инструмента с изделием и стружкой, а также в материале режущего клина, могут быть определены на основе теории волновых процессов, теории поля и экспериментально - методами ультразвукового анализа.

Величина усадки изменяется в зависимости от свойств обрабатываемых материалов и зависит от скорости резания (см. рис. 2.5)

Рис. 2.5. Величина усадки стружки для разных материалов в зависимости от скорости резания.

1 – сталь; 2 – медь; 3 – дюралюминий Д1; 4 – свинец; 5 – железо Армко; 6 – латунь Л62; 7 – сталь 12ХН3; 8 – сталь У12; 9 – олово, титановый сплав ВТ1; 10 – кадмий.

Вид, количество и область распространения деформаций в срезаемом слое зависят от соотношения скорости резания, скорости распространения пластических деформаций и скорости распространения тепла в обрабатываемом материале и режущем инструменте.

Зависимость коэффициента усадки от скорости резания при обработке стали, показана на рис. 2.5.

Из рис. 2.5 следует, что увеличение скорости резания приводит к нелинейному уменьшению коэффициента усадки стружки. Возникновение экстремальных точек на зависимостях ξ(V) связывают с особенностями контактного взаимодействия шероховатых поверхностей стружки и инструмента (образование нароста).

Общее снижение ξ с ростом скорости резания и, следовательно, температуры в зоне деформации, обусловлено уменьшением времени t_деф, в течение которого образуется элемент сдвига и ширины зоны деформации h в соответствии с формулами:

(2.10)

где: С  0,2 и С₁  0,012 – опытные коэффициенты; _у – касательное напряжение, возникающее в материале срезаемого слоя за счет упрочнения; ₀ – среднее нормальное напряжение у вершины резца; _Т – предел текучести обрабатываемого материала в состоянии поставки;  – угол наклона равнодействующей усилия резания к плоскости резания (угол действия); а – толщина среза.

Таким образом, состояние материала срезаемого слоя в зоне образования стружки, которое описывают уравнением (2.11), определяется действием двух разнонаправленных процессов - деформационного упрочнения и температурного разупрочнения:

(2.11)

Влияние деформационного упрочнения [(_y /)d + (_y / )d] проявляется в нелинейном изменении микро твердости H_v материала срезаемого слоя, увеличении угла наклона плоскости сдвига, изменении соотношения длин участков пластического L₁ и упругого L₂ контакта стружки с инструментом: L = L₁ + L₂

(2.12)

Для сталей L₁ / L = 0,5 – 0,7.

На величину усадки влияют и другие параметры: передний угол γ, толщина среза а, скорость резания ν, СОТС и пр.