2.1.3. Методы моделирования деформаций при изучении процессов резания

Исходные данные (рис. 31):

V – скорость резания;

V_c – скорость перемещения стружки;

a – толщина срезаемого слоя;

a₁ – толщина стружки;

b – ширина срезаемого слоя (толщина образца);

 – угол сдвига;

I – расстояние до торца.

Рис. 31. Кинематические параметры краевой зоны

Условия резания при протягивании

Свойства обрабатываемых материалов: _b = 500…1200 МПа; модуль упругости Е = 210 000 МПа; коэффициент трения  = 0,3.

Режимы резания: V = 0,5…40 м/мин; S_z = 0,005…0,3 мм/зуб.

Геометрия режущего клина инструмента:  = –10°; 0°; +10°;  = 3…8°;  = 0…20°; радиус округления  = 0…0,02 мм.

Условия резания (деформирования), принятые при моделиро­вании

Свойства обрабатываемых материалов: _b = 500…1200 МПа; Е = 210 000 МПа;  = 0,3.

Режимы резания: V = V_деф  min; а = S_z = 0,1; 0,5; 1,0 мм; b = t > 10 мм.

Геометрия режущего клина инструмента:  = –10°; 0°; +10°;  = 5°;  = 0°;  = 0; 0,3; 0,6 мм.

Объекты исследования

I – краевая зона обрабатываемой детали;

II – зона контакта стружки с инструментом;

III – режущий клин инструмента.

Математическое моделирование деформации краевой зоны детали

Приведем пример математического моделирования деформации краевой зоны детали при выходе инструмента из заготовки (рис. 32, 33).

Рис. 32. Схема краевой зоны при вы­ходе инструмента из заготовки: а – толщина срезаемого слоя;  – угол сдвига; U – перемещение инструмента

Рис. 33. Расчетная схема дефор- мирования краевой зоны

Математические зависимости

Характеристики напряженно-деформированного состояния (НДС):

u(r) – поля векторов перемещения точек тела;

r – точка тела, заданная своим радиус-вектором;

(r) – компоненты тензора деформации;

(r) – компоненты тензора напряжений;

s(r) – степень деформации материала.

В образце реализуется плосконапряженное состояние:

₃₃ = ₁₃ = ₂₃ = ₁₃ = ₂₃ = 0.

При деформировании должны выполняться следующие условия:

– уравнение равновесия ;

– физические соотношения ;

– геометрические соотношения

– граничные условия:

для точек левой стороны области

для точек свободной поверхности

для точек, контактирующих с инструментом:

Результаты изменения предела прочности представлены на рис. 34.

	I = 4 мм	I = 3 мм	I = 2 мм
b = 50 + 300S
b = 50 + 200S
b = 50 + 100S

Рис. 34. Влияние модуля упрочнения материала на степень деформации краевой зоны детали

2.2. Процесс стружкообразования

2.2.1. Типы стружек при резании пластичных и хрупких материалов

В 1870 году И.А. Тиме была предложена классификация типов стружек, образующихся при резании различных материалов. Классификация оказалась настолько удачной, что, несмотря на то, что со времен И.А. Тиме появились совершенно новые конструкционные материалы, обрабатывающиеся с иными режимами резания, ею пользуются и в настоящее время. Согласно классификации И.А. Тиме при резании конструкционных материалов в любых условиях образуются четыре вида стружек: элементная, суставчатая, сливная и стружка надлома. Элементную, суставчатую и сливную стружку называют стружками сдвига, так как их образование связано с напряжениями сдвига. Стружку надлома иногда называют стружкой отрыва, так как ее образование связано с растягивающими напряжениями. Внешний вид всех перечисленных типов стружки изображен на рис. 35.

a б в г

Рис. 35. Типы стружек, образующихся при резании пластичных и хрупких ма­­териалов: а – элементная, б – суставчатая, в – сливная, г – стружка надлома

Элементная стружка (см. рис. 35, а) состоит из отдельных элементов 1 приблизительно одинаковой формы, несвязанных или слабо связанных друг с другом. Границу тп, отделяющую образовавшийся элемент стружки от срезаемого слоя, называют поверхностью скалывания. Физически она представляет собой поверхность, по которой в процессе резания периодически происходит разрушение срезаемого слоя.

У суставчатой стружки (см. рис. 35, б) разделения на отдельные части не происходит. Поверхность скалывания только наметилась, но она не пронизывает стружку по всей толщине. Поэтому стружка состоит как бы из отдельных суставов 1 без нарушения связи между ними.

Основным признаком сливной стружки (см. рис. 35, в) является ее сплошность (непрерывность). Если на пути движения сливной стружки нет никаких препятствий, то она сходит непрерывной лентой, завиваясь в плоскую или винтовую спираль, пока часть стружки не отламывается под действием собственного веса. Поверхность 1 стружки, прилегающую к передней поверхности инструмента, называют контактной стороной (поверхностью). Она сравнительно гладкая, а при высоких скоростях резания отполирована в результате трения о переднюю поверхность инструмента. Ее противоположную поверхность 2 называют свободной стороной (поверхностью) стружки. Она покрыта мелкими зазубринками-насечками и при высоких скоростях резания имеет бархатистый вид. Стружка соприкасается с передней поверхностью инструмента в пределах площадки контакта, ширина которой обозначена через с, а длина равна рабочей длине главного лезвия. В зависимости от рода и свойств обрабаты­ваемого материала и скорости резания ширина площадки контакта в 1,5…6 раз больше толщины срезаемого слоя.

Стружка надлома (см. рис. 35, г) состоит из отдельных, не связанных друг с другом кусочков различной формы и размеров. Образованию стружки надлома сопутствует мелкая металлическая пыль. Поверхность разрушения тп может располагаться ниже поверхности резания, в результате чего последняя покрыта следами от выломанных из нее кусочков стружки.

Тип стружки во многом зависит от рода и механических свойств обрабатываемого материала. При резании пластичных материалов возможно образование первых трех типов стружки, элементной, суставчатой и сливной. По мере увеличения твердости и прочности обрабатываемого материала сливная стружка переходит в суставчатую, а затем в элементную. При обработке хрупких материалов образуется или элементная стружка (чаще), или стружка надлома (реже). С повышением твердости материала, например чугуна, элементная стружка переходит в стружку надлома.

Из геометрических параметров инструмента наиболее сильно на тип стружки влияют передний угол и угол наклона главного лезвия. При обработке пластичных материалов влияние углов  и  принципиально одинаково: по мере их увеличения элементная стружка переходит в суставчатую, а затем в сливную. При резании хрупких материалов при больших передних углах может образовываться стружка надлома, которая по мере уменьшения переднего угла переходит в элементную. При увеличении угла наклона главного лезвия стружка постепенно превращается в элементную.

На тип стружки оказывают влияние подача (толщина срезаемого слоя) и скорость резания. Глубина резания (ширина срезаемого слоя) на тип стружки практически не влияет. Увеличение подачи (толщины срезаемого слоя) приводит при резании пластичных материалов к последовательному переходу от сливной стружки к суставчатой и элементной. При резании хрупких материалов с увеличением подачи элементная стружка переходит в стружку надлома.

Наиболее сложно на тип стружки влияет скорость резания. При резании большинства углеродистых и легированных конструкционных сталей, если исключить зону скоростей резания, при которых образуется нарост (о чем речь пойдет ниже), по мере увеличения скорости резания стружка из элементной становится суставчатой, а затем сливной. Однако при обработке некоторых жаропрочных сталей и сплавов, а также титановых сплавов повышение скорости резания, наоборот, превращает сливную стружку в элементную. Физическая причина этого явления до настоящего времени полностью не выяснена. Повышение скорости резания при обработке хрупких материалов сопровождается переходом стружки надлома в элементную стружку с уменьшением размеров отдельных элементов и упрочнением связи между ними.

При применяемых в производстве геометрических параметрах инструментов и режимах резания основными типами стружки при резании пластичных материалов являются сливная (чаще) и суставчатая (реже). Основным типом стружки при резании хрупких материалов является элементная. В настоящее время наиболее подробно изучен процесс сливного стружкообразования. Образование элементной стружки при резании как пластичных, так и хрупких материалов изучено недостаточно.