1.6. Физические закономерности (явления) процесса резания

Резание металлов - сложный процесс взаимодействия режущего инструмента и заготовки, сопровождающийся рядом физических явлений, таких как:

1) стружкообразование,

2) усадка стружки,

3) силы резания,

4) наростообразование,

5) упрочнение (наклеп) поверхностного слоя,

6) тепловыделения в зоне резания,

7) трение и износ инструмента,

8) вибрации.

● Стружкообразование и виды стружек

Процесс резания металла и образование стружки осуществляется в определенной последовательности (рис. 1.8, а):

- под действием силы резец вдавливается в металл, при этом в срезаемом слое возникают упругие деформации, которые, накапливаясь по абсолютной величине, переходят в пластические;

- возрастание пластической деформации приводит к сдвиговым деформациям - смещению частей кристаллов относительно друг друга;

- сдвиговые деформации вызывают скольжение отдель­ных частей зерен по плоскостям скольжения (по линии 0 - 0);

- плоскости скольжения дробят зерна на отдельные части (пластины), зерна при этом вытягиваются, располагаются цепочкой, металл упрочняется;

- при максимальной величине пластической деформации зерна смещаются относительно друг друга и скалывается элемен­тарный объем металла.

Рис. 1.8. Схема процесса стружкообразования (а)

и виды стружек: б) сливная; в) скалывания; г) надлома

Следовательно, резание - это процесс последовательного деформирования срезаемого слоя материала; упругого и пластического разрушения.

При резании металлов с разными физико-механическими свойствами образуется три вида стружек: сливная, скалывания и надлома.

Сливная стружка (рис. 1.8, б) образуется при резании пластич­ных металлов и сплавов и представляет собой сплошную ленту с гладкой прирезцовой стороной и зазубринами на внешней стороне.

Стружка скалывания (рис. 1.8, в) образуется при обработке металлов средней твердости. Она состоит как бы из отдельных элементов, соединенных между собой в ленту.

Стружка надлома (рис. 1.8, г) образуется при обработке хрупких металлов и состоит из отдельных элементов, не связанных между собой.

Вид стружки кроме физико-механических свойств металла еще зависит от: режима резания, геометрии режущего инструмента, применяемых смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ).

● Усадка стружки

Усадка стружки - укорочение и утолщение стружки по срав­нению с длиной и толщиной срезаемого слоя (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Схема усадки стружки

Усадка характеризуется коэффициентом усадки К, который может быть: K_L - коэффициент продольной усадки и

K_a - коэффициент поперечной усадки,

·

из равенства объемов материала стружки и срезанного слоя имеем a · b · L = a₁ · b₁ · L₁ , при b = b₁ получаем K = K_L = K_a .

Чем пластичнее металл, тем больше коэффициент усадки стружки.

Для хрупких металлов К = 1, для пластичных К = 4...7.

Усадка стружки зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, режима резания, геометрии инстру­мента, условий резания и др.

● Силы резания

Деформирование и срезание с заготовки слоя металла происходит под действием внешней силы «R», приложенной со стороны инструмента к обрабатываемой заготовке, в направлении главного движения. При этом работа, затрачиваемая на деформацию и разрушение металла равна:

A = P_z ·V = A_уд + А_пд + А_т ,

где A_уд - работа, затраченная на упругое деформирование,

А_пд - работа, затраченная на пластическое деформирование и разрушение металла,

А_т - работа, затраченная на преодоление сил трения инструмента о заготовку и стружку.

В результате сопротивления металла деформированию возникают реактив- ные силы, действующие на резец: нормального давления и силы трения.

Равнодействующую R от указанных сил можно разложить на состав-ляющие, действующие по трем взаимно перпенди­кулярным направлениям: координатным осям станка (рис. 1.10).

Такими являются:

ось x - линия центров станка,

ось y - линия, перпендикулярная к линии центров станка,

ось z - линия, перпендикулярная к плоскости (x - y).

R - равнодействующая сил, действующих на резец,

Р_z - вертикальная составля­ющая силы резания,

Р_y - радиальная составля­ющая силы резания,

P_x - осевая составляющая силы резания.

Рис. 1.10. Разложение силы резания на составляющие

По силе P_z определяют крутящий момент на шпинделе станка, эффективную мощность резания, деформацию изгиба заготовки в плоскости (x - z), изгибающий момент на стержень резца. По силе P_z ведут динамический расчет механизмов коробки скоростей станка.

По силе Р_y определяют упругое отжатие резца от заготовки и деформацию изгиба заготовки в плоскости x - y.

По силе P_x рассчитывают механизмы подач станка и изгибающий момент, действующий на стержень резца.

● Наростообразование

Нарост - слой обрабатываемого металла, образующийся на передней поверхности инструмента (рис. 1.11). Нарост обла­дает прочностью и твердостью гораздо большими, чем у исходного металла.

Рис. 1.11. Наростообразование при точении

Нарост играет двоякую роль в процессе резания.

Преимущества нароста:

- увеличивает передний угол (+γ), что приводит к уменьшению силы резания;

- способен сам резать исходный материал;

- удаляет центр давления стружки от режущей кромки, что уменьшает износ режущего инструмента;

• улучшает отвод тепла от инструмента.

Недостатки нароста:

- нарост увеличивает шероховатость обработанной поверхности, периодически срываясь с инструмента и внедряясь в обработанную поверхность;

- частицы нароста, внедрившиеся в обработанную поверхность, вызывают повышенный износ другой детали в соединении и всей пары трения;

- ввиду изменения угла γ изменяется величина силы резания, а это приводит к вибрациям станка и инструмента, что ухудшает качество обработанной поверхности.

Нарост является положительным явлением при черновых операциях и отрицательным при чистовых.

Наростообразование зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, скорости резания, геометрии режущего инструмента и других факторов.

● Наклеп (упрочнение)

Упрочнение (наклеп) - увеличение твердости и прочности поверхностного слоя, в результате искажения кристаллической решетки зерен под действием упругой и пластической деформаций металла.

В реальных условиях режущая кромка инструмента всегда имеет радиус закругления (ρ) (рис. 1.12). Из-за него в процессе резания часть толщины срезаемого слоя подвергается упругопластическому деформированию.

Рис. 1.12. Схема образования поверхностного слоя и наклепа:

Н - ширина контактной площадки; h_y - толщина упрочненного слоя

Наклеп характеризуется толщиной упрочненного слоя (h_y) и степенью наклепа (η_H):

,

НВ_П - микротвердость поверхностного слоя,

НВ_о - микротвердость исходного материала.

Пластичные материалы подвергаются большему упрочнению, чем хрупкие или твердые.

В целях получения повышенной поверхностной прочности и остаточных напряжений сжатия, наклеп является явлением по­ложительным. Однако, наклеп, полученный при черновых опера­циях, при дальнейшей чистовой обработке интенсивнее изнаши­вает инструмент. Это отрицательное явление наклепа.

● Тепловыделения в зоне резания

Работа, затрачиваемая на упругопластическое деформи­рование обрабатываемого материала, трение стружки о режущий инструмент, трение инструмента о поверхность резания и обрабо­танную поверхность заготовки, превращается в тепловую энергию.

Общее количество теплоты, выделившееся в процессе ре­зания в минуту составляет: Q = Р_z • V (Дж/мин).

Тепловой баланс процесса резания можно записать (рис. 1.13):

Q = Q_упд + Q_тп + Q_тз = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ ,

где Q_упд - тепло выделившееся при упругопластическом деформировании обрабатываемого материала,

Q_тп - тепло от трения стружки о переднюю поверхность инструмента,

Q_тз - тепло от трения задней поверхности инструмента о заготовку,

Q₁ - тепло, отводимое стружкой (30 ... 80 % от Q),

Q₂ - тепло, отводимое заготовкой (10 ... 50 %),

Q₃ - тепло, отводимое режущим инструментом (2 ... 8 %),

Q₄ - тепло, переходящее в окружающую среду (около 1 %).

Рис. 1.13. Источники образования и распределения теплоты резания

Теплообразование отрицательно влияет на процесс резания:

- нагрев инструмента снижает его твердость и приводит к ускорению износа;

- нагрев инструмента изменяет его размеры, что приводит к ухудшению точности размеров и формы обработанных поверхностей;

- нагрев заготовки вызывает изменение размеров и формы деталей;

- температурные деформации инструмента, приспособления, заготовки и станка снижают качество обработки.

Для снижения влияния теплоты на процесс резания используют смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) и смазочно-охлаждающие вещества (СОВ).

Различают следующие СОЖ:

- водные растворы минеральных электролитов, эмульсии, мыльные растворы;

- минеральные, животные и растительные масла;

- минеральные масла с добавлением фосфора, серы, хлора (сульфо- фрезолы), керосин и растворы поверхностно-активных веществ в керосине;

• масла и эмульсии с добавлением смазывающих веществ (графита, парафина, воска).

СОВ тоже могут быть различные:

- газы и газообразные вещества: СО₂, CCl₂, N₂;

- пары поверхностно-активных веществ;

- распыленные жидкости (туман) и пены;

- твердые вещества: порошки воска, парафина, петролатума, битума;

- мыльные порошки.

Чаще всего при обработке резанием применяют СОЖ, особенно водные эмульсии с добавками ингибиторов (антикоррозионных добавок). Кроме этого, существенную роль в охлаждении имеет способ подачи СОЖ в зону резания.

● Трение, износ и стойкость инструмента

Трение между инструментом, стружкой и заготовкой вы­зывает износ режущего инструмента.

Износ режущего клина может происходить:

- по задней поверхности,

- по передней поверхности,

- по задней и передней поверхностям одновременно.

Износ по задней поверхности является определяющим.

Характер изнашивания (вид износа) может быть различным.

Виды износа:

- абразивно-механический - разрушение (царапанье) слоев инструмента твердыми частицами обрабатываемого материала при трении;

- адгезионный - схватывание микрочастиц материалов инструмента и заготовки при высоких температурах;

- диффузионный - взаимное растворение химических элементов материалов инструмента и заготовки, особенно при повышенных температурах (Θ > 800°С);

- окислительный - образование малопрочных окислов при нагреве инструмента в среде кислорода воздуха, которые легко изнашиваются стружкой и заготовкой;

- усталостный - в результате периодической нагрузки на режущую кромку при резании поверхности с большими микронеровностями.

При реальном изнашивании в конкретных условиях резания могут быть различные комбинации перечисленных видов износа.

При достижении определенного значения допустимого изно­са по задней поверхности - h_з, который называется критерием износа, инструмент подвер-гается заточке.

Период работы инструмента между переточками называется стойкостью - « T_i », которая измеряется в минутах.

Суммарный период службы инструмента:

ΣT = n_i • T_i ,

где n_i - число переточек инструмента до полной амортизации

режущей части.

Стойкость инструмента зависит от физико-механических свойств материалов инструмента и заготовки, режима резания, геометрии инструмента, условий обработки.

Наибольшее влияние на стойкость оказывает скорость резания, в соответствии с зависимостью:

полученной из

где С_V - коэффициент, учитывающий свойства обрабатываемого

материала;

т - показатель относительной стойкости.

● Вибрации при резании металлов

При определенных условиях обработки заготовок на станках возникают периодические колебательные движения - вибрации, при которых процесс резания теряет устойчивость, резко снижается качество обработанной поверх- ности: появляется волнистость, воз­растает шероховатость. При вибрациях возникает шум, который утомляет станочников.

Различают вибрации - вынужденные и автоколебания.

Вынужденные колебания (вибрации) возникают под действием внешних периодических возмущающих сил. Их можно легко уст­ранить, уменьшив величину возмущающих сил, повысив жест­кость узлов станка.

Автоколебания характеризуются тем, что силы, вызывающие колебания, возникают в процессе резания. Уменьшить автоколебания можно правильным выбором режима резания, инструмента с определенной геометрией, правильной установкой инструмента и заготовки на станке, применением виброгасителей и т.п.