Оглавление

1. Научные основы обработки материалов резание и их связи с естественными, математическими и общетехническими науками. 2

2. Основные аспекты математического моделирования процесса резания 5

3. Обобшенные зависимости между статическими и кинематическими параметрами рабочей части инструмента. 10

4. Введение в напряженно-деформированное состояние при резании 12

5. Современные подходы к описанию механики процесса резания 15

6. Применение методов теории пластичности и разрушения к расчету характеристик механики процесса резания 17

7. Теплофизика процесса резания и ее связь с фундаментальными науками 20

8. Применение научных положений трибологии к описанию контактных явлений при резании 23

9. Применение научных положений трибологии к теории износа режущего инструмента. 27

10. Современные научные представления о закономерностях формировании поверхностного слоя детали в процессе обработки резанием. 31

11. Научные подходы к оптимизации режимов резания при лезвийной обработке. 33

12. Научные подходы к оптимизации режимов резания при шлифовании 35

13. Основные научные положения теории шлифования. 36

14. Применение системного подхода к описанию процесса шлифования. 39

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.

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

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.

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.

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…2000^оС.

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.

1. Стружкообразование. Первые научные исследования резания были проведены профессором Санкт-Петербургского политехнического института И. А. Тиме в 1869-1870 гг. Он предложил элементарную схему стружкообразования, основанную на визуальном наблюдении за процессом прямоугольного резания. Эта схема не претерпела существенных изменений по настоящее время (рис. 12).

В начальный момент (рис. 12а) когда движущийся резец под действием силы Р соприкасается с металлом, в материале возникают упругие деформации. При дальнейшем движении (рис. 12б) резец своей кромкой вдавливается в металл, вызывая его пластическое деформирование. По мере перемещения резца объем пластически деформированного металла возврастает и внутренние напряжения достигают значений, превышающих прочность материала на срез (рис. 12в), происходит скалывание. ОО – плоскость скалывания или сдвига; угол β1 – угол скалывания (сдвига); угол β′ - угол действия. Далее процесс деформирования повторяется, образуются новые элементы срезаемого слоя (рис. 12 г). В результате происходит образование стружки, состоящей из достаточно прочно соединенных между собой элементов. Стружка перемещается, опираясь на переднюю поверхность. При этом на расстоянии двух-трех элементов от вершины резца она начинает завиваться и перестает соприкасаться с передней поверхностью.

И.А.Тиме экспериментально установил, что: 1) пластическая деформация стружкообразования распространяется со скоростью перемещения инструмента вдоль срезаемого слоя и протекает в объеме металла между передней поверхностью резца и граничной линией, отделяющей визуально видимые следы деформации на боковой стороне обрабатываемой заготовки от металла, сохраняющего первоначальное состояние; 2) внутренние напряжения в деформируемом объеме металла периодически возрастают и достигают значений, при которых очередной сформировавшийся элемент стружки сдвигается по граничной плоскости.

По действующей и поныне классификации проф. И.А.Тиме при обработке различных материалов могут образовываться следующие виды стружек: элементная (рис. 15а); ступенчатая или суставчатая (рис. 15б); сливная (риск. 15в) и надлома (рис. 15г). Элементную и ступенчатую стружки называют еще стружкой скалывания.

2 .Образование нароста. При обработке резанием ряда материалов образование стружки сопровождается схватыванием (свариванием) трущихся поверхностей и возникновением нароста из частиц материала заготовки на режущей части инструментов. Нарост на передней поверхности резца смещает стружку и препятствует ее контакту с инструментом. Последнее обстоятельство может способствовать уменьшению изнашивания инструментов.

3.Усадка стружки. Под усадкой стружки понимают степень изменения линейных размеров срезаемого слоя вследствие пластической деформации при стружкообразовании, определенную отношением продольных и поперечных размеров срезаемого слоя и стружки. Пластическая деформация состоит в непрерывном последовательном перемещении элементарных объемов массы металла в направлении плоскостей сдвига.