5.1.1. Сущность обработки резанием

Основным режущим элементом любого инструмента является режу­щий клин (рис. 5.1). Его твердость и прочность должны существенно превосходить твердость и прочность обрабатываемого материала, обес­печивая его режущие свойства. К инструменту прикладывается усилие резания, равное силе сопротивления материала резанию, и сообщается перемещение относительно заготовки со скоростью v.

Во всех случаях режущий клин имеет по меньшей мере две ра­бочие поверхности: переднюю и заднюю. По передней по­верхности 1 сходит отделяемая в процессе резания стружка 3, а задняя поверхность 2 обращена в сторону обрабатываемой детали (рис. 5.1). Пересечение передней и задней поверхностей образует край клина, называемый режущей кромкой или режущим лезвием. Форму рабочих поверхностей режущего клина, расположение этих поверхностей относительно друг друга и относительно составляю­щих движения резания называют геометрией режущей части или геометрическими параметрами, от которых зависит работоспособ­ность инструмента.

Упрощенно процесс резания можно представить следующей схемой. В начальный момент процесса резания, когда движущийся резец под действием силы Р (рис. 5.2) вдавливается в металл, в сре­заемом слое возникают упругие деформации. При движении резца упругие деформации, накапливаясь по абсолютной величине, пере­ходят в пластические. В прирезцовом срезаемом слое материала заготовки возникает сложное упругонапряженное состояние. В пло­скости, перпендикулярной к траектории движения резца, возникают нормальные напряжения σ_y, а в плоскости, совпадающей с траекто­рией движения резца, — касательные напряжения τ_x. В точке при­ложения действующей силы значение τ_x наибольшее. По мере уда­ления от точки А τ_x уменьшается. Нормальные напряжения σ_y вначале действуют как растягивающие, а затем быстро уменьшаются и, переходя через нуль, превращаются в напряжения сжатия. Сре­заемый слой металла находится под действием давления резца, касательных и нормальных напряжений.

Сложное упругонапряженное состояние металла приводит к пла­стической деформации, а рост ее — к сдвиговым деформациям, т. е. к смещению частей кристаллов относительно друг друга. Сдви­говые деформации происходят в зоне стружкообразования АВС, причем деформации начинаются по плоскости АВ и заканчиваются по плоскости АС, в которой завершается разрушение кристаллов, т. е. скалывается элементарный объем металла и образуется стружка. Далее процесс повторяется и образуется следующий элемент стружки.

Рис. 5.2. Упругонапряженное состояние металла при обработке резанием

Рис. 5.3. Схема процесса обра­зования стружки

Условно считают, что сдвиговые деформации происходят по плоскости 00 (рис. 5.2), которую называют плоскостью сдвига. Она располагается примерно под углом θ = 30° к направлению движения резца. Угол θ называют углом сдвига. Срезанный слой металла дополнительно деформируется вслед­ствие трения стружки о переднюю поверхность инструмента. Струк­туры металла зоны АВС и стружки резко отличаются от структуры основного металла. В зоне АВС расположены деформированные и разрушенные кристаллы, сильно измельченные и вытянутые в цепочки в одном, вполне определенном направлении, совпадающем в направлением плоскости 0₁0₁, которая с плоскостью сдвига соста­вляет угол β (рис. 5.3).

Характер деформирования срезаемого слоя зависит от физико-механических свойств материала обрабатываемой заготовки, гео­метрии инструмента, режима резания, условий обработки. В процессе резания заготовок из пластичных металлов и сталей средней твер­дости превалирует пластическая деформация. У хрупких металлов пластическая деформация практически отсутствует. Поэтому при резании деталей из хрупких металлов угол β близок к нулю, а при резании деталей из пластичных металлов β доходит до 30°, что сви­детельствует о сложном внутреннем процессе деформирования кри­сталлов и формировании новой структуры.

Внешний вид стружки характеризует процессы деформирования и раз­рушения материала, происходящие при резании. Различают четыре возмож­ных типа образующихся стружек: элементная, суставчатая, сливная и струж­ка надлома (рис. 5.4).

а) б) в) г)

Рис. 5.4. Типы образующихся при резании стружек:

а – элементная, б – суставчатая, в – сливная, г - надлома

Сливная стружка обычно получается при обработке относи­тельно мягких пластичных материалов. Пла­стичные материалы по­вышенной и высокой твердости дают сустав­чатую и элементную стружку. При резании хрупких материалов чаще образуется эле­ментная стружка, в случае повышенной твер­дости — стружка над­лома.

Для снижения сил трения и на­грева инструмента применяют принудительное охлаждение зо­ны резания смазочно-охлаждаю­щими средами (СОС), подавая их в зону резания специальными устройствами.

Детали и инструменты за­крепляются в специальных орга­нах станка или приспособлениях. Станок, приспособление, инстру­мент и деталь образуют силовую систему (СПИД), передающую усилие и движение резания от привода станка режущему инст­рументу и детали.