2.2.1. Общие сведения о пластической деформации металла в зоне резания

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.

Различают три основных вида деформированного состояния тела.

1. Растяжение, при котором вдоль одной из трех главных осей деформации х, у, z наблюдается удлинение, а вдоль двух остальных главных осей – укорочение деформируемого тела (рис. 2.1, а).

2. Сжатие, при котором вдоль одной из главных осей деформации наблюдается укорочение тела, а вдоль двух остальных главных осей – его удлинение (рис. 2.1, б). Если деформации удлинения равны между собой, сжатие называется простым.

3. Сдвиг, при котором деформация тела вдоль одной из главных осей отсутствует, вдоль второй оси происходит укорочение, а вдоль третьей главной оси – равное ему удлинение (рис. 2.1, в).

Рис. 2.1. Три основных вида деформированного состояния тела

Различают чистый и простой сдвиги. При чистом сдвиге (рис. 2.2, а) происходит равномерное укорочение тела вдоль одной оси и равномерное его удлинение вдоль другой, перпендикулярной к первой. Квадрат ABCD превращается в равномерный ромб A₁B₁C₁D₁ при неизменном объеме тела.

Простой сдвиг (рис. 2.2, б) сопровождается смещением всех точек тела параллельно одной оси. При этом квадрат ABCD превращается в равновеликий параллелограмм, основание и высота которого равны основанию и высоте исходного квадрата.

Растяжение и сжатие тела относятся к объемному, а его сдвиг ─ к плоскому деформированному состоянию.

Рассмотрим более подробно деформацию простого сдвига на примере перехода срезаемого слоя в стружку при металлообработке, так как при b > > a практически все перемещения срезаемого слоя происходят в одной плоскости. Частица срезаемого слоя, находящаяся далеко от режущего инструмента, свободна от напряжений и движется по направлению к инструменту с постоянной скоростью.

Рис. 2.2. Схемы деформации чистого (а) и простого (б) сдвигов

По мере приближения к режущему инструменту напряжения в рассматриваемой частице возрастают и, когда они превзойдут предел упругости обрабатываемого материала, частица получает пластическое смещение и изменяет направление своего движения. Эти изменения происходят за время пребывания частицы в некоторой переходной, пластически деформированной зоне ABCD (рис. 2.3, а). В результате отделения слоя металла толщиной a и превращения его в стружку часть единого тела движется параллельно передней поверхности лезвия инструмента, а оставшаяся часть ─ продолжает движение в прежнем направлении. В точке, соответствующей сопряжению передней и задней поверхностей инструмента, под углом β к направлению движения, называемого углом сдвига, произойдет разделение тела на стружку и обрабатываемую деталь.

Представим переходную пластически деформируемую зону в виде параллелограмма ABCD (рис. 2.3, а), а линии скольжения в ней примем за прямые. Обозначим толщину этой зоны через Δх, а ее сдвиг через Δs. Значение Δs соответствует расстоянию (см. рис. 2.2, б), на которое сдвинулась верхняя сторона квадрата относительно нижней, и называется абсолютным сдвигом. В теории пластических деформаций для характеристики интенсивности сдвига пользуются величиной ε, называемой относительным сдвигом. Он равен отношению абсолютного сдвига Δs к толщине слоя Δх, претерпевшего этот сдвиг, т.е. ε = Δs / Δх. Геометрически ε равен тангенсу угла ψ наклона стороны квадрата к оси z, т.е. ε = tg ψ (см. рис. 2.2, б).

Элемент срезаемого слоя ABCD под действием режущего клина инструмента деформируется и принимает форму параллелограмма EBCN. В треугольнике CDN (рис. 2.3, б).

(2.1)

Анализ формулы (2.1) показывает, что для определения относительного сдвига при определенном угле γ необходимо знать угол сдвига. Его можно определить по длине стружки. При перемещении инструмента на Δl длина стружки будет Δl_с. Из Δ АВЕ (см. рис. 2.3, а)

и

Отношение получило название коэффициента усадки или укорочения стружки:

(2.2)

Данную формулу называют формулой И. А. Тиме. С ее помощью можно выразить угол сдвига через коэффициент К_l :

отсюда

Несмотря на принятые допущения о замене зоны первичной деформации единственной плоскостью сдвига и идеализации процесса превращения срезаемого слоя в стружку, формула И. А. Тиме совершенно точно выражает связь между К_l и углом сдвига β, так как отражает условие сплошности материала стружки.

Рис. 2.3. Схема к определению относительного сдвига

Таким образом, относительный сдвиг при резании зависит от угла сдвига β и переднего угла γ. Угол β можно определить, зная a, а_с и γ. Практически ε = 2…5.