1. Научные основы обработки материалов резание и их связи с естественными, математическими и общетехническими науками.

Предметом науки о резании материалов являются закономер­ности, которые проявляются при взаимодействии режущего инс­трумента с обрабатываемым материалом в изменяющихся во вре­мени условиях резания.

Наука о резании металлов сводится к изучению следующих основных вопросов:

- физических явлений, происходящих в процессе резания, в зависимости от условий резания и геометрии режущей части инструмента;

- сил, возникающих при резании, и затрачиваемой энергии в зависимости от различных факторов;

- влияние различных факторов на стойкость режущего инструмента и скорость резания.

Для решения своих задач наука о резании материалов использует достижения фундаментальных наук (физики твердого тела, теории упругости и пластичности, аналитической геометрии, теплофизики и др.), а наиболее тесную связь имеет с технологией машиностроения.

Процесс резания металлов представляет собой один из особых слу­чаев пластической деформации, протекающей в условиях сложно на­пряженного состояния, компоненты которого, прежде всего, зависят от взаимной ориентации векторов скорости резания и силы резания. Ме­ханику процесса резания можно рассматривать как базовый раздел науки о резании металлов, играющий важную роль при изучении раз­личных сторон процесса резания: расхода работы, величины и направления сил резания, интенсивности и характера износа инструмента, качества обработанной поверхности, формы образующейся стружки, интенсивности возникающих колебаний и т. п.

Парадигмой теории резания с момен­та ее зарождения было изучение меха­низма сопротивления материала при его разделении на стружку и обработанную поверхность. Область исследований ох­ватывала пластическую деформацию и трение в зоне обработки преимуществен­но во взаимосвязи с процессом стружко­образования.

Сегодня процесс резания целесооб­разно рассматривать с точки зрения дру­гой парадигмы — механизма образова­ния новой поверхности обрабатываемой детали отделением срезаемого слоя от основного материала. Стружкообразование, хотя и важная в энергетическом отношении составляющая резания, яв­ляется второстепенным фактором формообразования новой поверхности. Пластическая деформация, трение и со­путствующий им нагрев зоны резания по своей сути и проявлению оказывают не­гативное влияние на механизм управ­ляемого разрушения.

К настоящему времени изучение про­цесса резания условно разделилось на два главных направления: природа фор­мообразования обрабатываемого мате­риала и повышение работоспособности режущего инструмента.

Специфичность и сложность физико-химических явле­ний, сопровождающих поведение инст­румента и обрабатываемого материала, все больше становится фактором их обо­собления друг от друга с постоянной ут­ратой учета взаимосвязанного влияния на процесс управляемого формообразо­вания.

По аналогии с теорией стружкообразования также отдельно анализируется поведение режущего клина: распределе­ние напряжений и температур на перед­ней и задней его поверхностях, развитие адгезионных, диффузионных и других контактных явлений, механизмов изна­шивания и т.д. Это направление исследований обосновано необходимостью повышать и сохранять работоспособ­ность режущего инструмента как можно более длительный период эксплуатации, учитывая, что именно он остается са­мым слабым элементом в технологиче­ской системе резания.

В современной интерпретации все известные результаты исследований, ко­торые можно отнести к фундаменталь­ным основам теории резания материа­лов, идентифицируются на несколько относительно обособленных научных направлений. В их числе можно рас­сматривать следующие:

• Механика резания, базирующаяся на механике сплошных сред, вне связи с дискретной физикой пластической де­формации и разрушения.

• Теплофизика резания, основанная на механических моделях виртуальных локализованных источников тепла.

• Формирование свойств поверхност­ного слоя обрабатываемого материала, преимущественно на основе закономер­ностей, полученных экспериментальным путем.

• Режущий инструмент как большой и сложный комплекс, который объеди­няет в себе статические и динамические свойства, эволюцию работоспособности при эксплуатации и условия ее поддер­жания на заданном уровне.

• Обрабатываемость материалов ре­занием в связи с их структурным состоя­нием и физико-химическими свойства­ми и возможными изменениями при до­полнительном внешнем воздействии в процессе обработки (нагрев, охлажде­ние, вибрации, упрочнение и т.д.).

• Оптимизация технологических ус­ловий резания, включая априорную внешнюю оптимизацию с компьютер­ными расчетами и внутреннюю оптими­зацию с системами диагностики и адап­тивного управления.

• Интеграционное моделирование в феноменологической или стохастиче­ской постановке и соответственно управление процессом резания, пред­ставленным как динамическая система в виде различных разновидностей: необ­ратимых, термодинамических, диссипативных, самоорганизующихся и других вариантов.

Несмотря на известные успехи теории основная информация, необхо­димая для эффективной реализации различных процессов обработки резани­ем в производстве содержится в матема­тических моделях, полученных стати­стическим обобщением опытных дан­ных. Именно эмпирические модели, как правило, являются нормативной базой для назначения инструментальных ма­териалов, геометрии инструмента, ре­жимов резания, расчетов периода стой­кости режущего инструмента, оценки качества обработки и т.д.

По этой причине необходимость дальнейшего развития теоретических ос­нов процесса резания материалов с ис­пользованием новейших достижений фундаментальных наук и, прежде всего, физики твердого тела сохраняет свою ак­туальность.

В основу всех известных теоретиче­ских моделей процесса резания положе­ны те или иные физические представле­ния. Физическая модель явления или процесса, хотя и раскрывает их сущ­ность, не самоцель исследования. Физи­ческая природа явления или процесса важна, прежде всего, для их формализа­ции и последующего управления.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

Резание является сложным физическим процессом, при котором возникают упругие и пластические деформации, разрушение металла в таких предельных условиях, которые обычно не встречаются ни при испытаниях материалов, ни в других технологических процессах. Процесс резания сопровождается трением, тепловыделением, наростообразованием, усадкой стружки, деформационным упрочнением (наклепом) обработанной поверхности, изнашиванием инструмента и др. Давление стружки на переднюю поверхность инструмента достигает 1000…2000 МПа, а температура в зоне резания 1000…2000оС.

В зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала в зоне резания могут преобладать либо упругие, либо пластические деформации. Резание вязких материалов сопровождается значительными пластическими деформациями. При обработке твердых сплавов, наоборот, преобладают упругие деформации.

В срезаемом слое возникают сдвиговые напряжения и деформации, на которые расходуется большая часть мощности резания. При этом многие стали и сплавы сильно упрочняются (наклепываются). Такому состоянию соответствует сильно искаженная микроструктура материалов (деформированные зерна, высокая плотность дислокаций и пр.).

Одновременно при резании от внешнего и внутреннего трения выделяется значительное количество тепла, нагревающего обрабатываемые поверхности, что может производить своего рода термообработку и приводит к частичному (отдых) или полному (рекристаллизация) восстановлению исходной структуры материалов.

Отличительными чертами процесса резания металлов являются следующие:

1. Процесс протекает при весьма высоких значениях относительной деформации сжатия и сдвига.

2. Деформация локализована в малом объеме пластической зоны. Скорость деформации высока.

3. Свежеобразованная поверхность срезаемого деформированного металла является химически активной. Это обстоятельство способствует адгезионному взаимодействию материала заготовки с режущим инструментом и увеличивает силы трения.

4. Режущие инструменты срезают припуск слоями, толщина поперечного сечения которых обычно меньше 1 мм. При обработке заготовок на тяжелых станках толщина срезаемого слоя достигает 2 мм.

5. Физико-механические свойства обработанной поверхности отличаются от свойств материала в глубине заготовки.