4.3. Основные методы экспериментального изучения стружкообразования при резании металлов

Ранние исследователи процесса резания металлов, начиная с И.А.Тиме, использовали для изучения механизма процесса стружкообразования метод наблюдения боковой поверхности образца, подвергающегося обработке в условиях свободного резания. Тиме предварительно тщательно полировал необходимую поверхность и судил о том, какую зону охватывают пластические деформации, возникающие в обрабатываемом материале под действием инструмента, по потускнению и сморщиванию полированной поверхности.

Никольсон наносил сетку на боковую поверхность образца (метод координатной сетки) и, основываясь на наблюдении деформации этой сетки в процессе резания, делал выводы о деформациях, которые происходят в материале при превращении его в стружку. Наблюдение боковой поверхности образца позволяет определить границы наиболее интенсивно пластически деформированной зоны металла впереди резца и под резцом, а по искажению первоначально нанесенной сетки можно судить о величине пластической деформации в каждой точке этой зоны.

Метод наблюдения боковой поверхности резца значительно развит и усовершенствован в результате применения кинематографической съемки. Высокочастотная кинематографическая съемка процесса резания позволяет уловить детали и последовательность явлений в процессе стружкообразования значительно полнее, чем это можно было сделать невооруженным глазом. В настоящее время частота, применяемая при киносъемке процесса резания, достигает более 100000 кадров в секунду.

Я.Г. Усачев разработал микроскопический метод исследования деформации в процессе стружкообразования. При использовании этого метода резание прекращается таким образом, чтобы сохранить стружку в том виде, в каком она была в процессе, ее образования. Затем стружка, не потерявшая связи с деталью, вырезается вместе с участком основного материала, не подвергнутого резанию, полируется по боковой поверхности и травится соответствующими реактивами. Выявленная таким путем структура деформации стружки изучается под микроскопом при многократном увеличении (в 15…100 раз).

Косвенные данные о пластических деформациях в обрабатываемом материале дает также метод измерения твердости. Он заключается в том, что каким-либо из наиболее тонких методов (например, прибором для определения микротвердости ПМТ-3) измеряется распределение твердости в стружке и примыкающих к ней участках основного материала, не подвергнутого резанию.

Возрастание твердости в пластически деформированных областях по сравнению с исходной твердостью обрабатываемого материала позволяет судить об интенсивности пластических деформаций, происшедших при резании.

Для изучения напряжений, возникающих при резании в детали и режущем инструменте, рядом исследователей (А.К.Зайцевым, Кокером, Окоши и Фукуи) применялся поляризационно-оптический метод. Исследования этим методом ведутся на моделях, в которых или обрабатываемая деталь, или инструмент изготавливается из прозрачного материала. Модель помещается между поляризатором и анализатором и рассматривается в поляризованном свете. При этом все точки прозрачной модели, имеющие одинаковую разность главных нормальных напряжений, дают один и тот же цвет. В результате на экране появляются окрашенные в различные цвета линии (изохроматические линии). Так как каждому цвету соответствует одинаковая разность главных нормальных напряжений, то это одновременно выявляет и линии с одинаковой величиной касательных напряжений. При измененной установке модели между поляризатором и анализатором можно выявить те точки, в которых главные напряжения взаимно перпендикулярны (изоклинические линии). Зная эти линии, можно построить линии одинаковых направлений максимальных касательных напряжений.

При обработке резанием пластические деформации охватывают не только срезаемый слой, но и распространяются под обработанную поверхность детали, вызывая сильное измельчение зерен и появление преимущественной ориентировки их текстуры. Чисто механическое воздействие и сильный нарыв поверхностных слоев детали обуславливают появление в последних также значительных остаточных напряжений.

Для изучения деформаций и напряжений под обработанной поверхностью детали, кроме методов, применяемых для изучения деформаций в срезаемом слое металла, используются дополнительно механический и рентгенографический методы.

Механический метод применяется для определения внутренних напряжений первого рода, то есть таких, которые уравновешиваются в пределах областей тела, превосходящих размеры зерна. Он основан на том, что после механического удаления части тела это тело под влиянием остаточных напряжений, ставших неуравновешенными, деформируется. По величине деформаций можно судить о величине существовавших в теле внутренних напряжений. Изучение внутренних напряжений в поверхностных слоях детали механическим методом заключается в том, что с образца последовательно удаляют (травлением) тонкие поверхностные слои и измеряют возникающие при этом деформации образца. Наиболее известен и имеет широкое применение механический метод Н.Н. Давиденкова.

Рентгенографический метод применяется при определении деформаций в поверхностном слое детали (измельчение зерен и образование текстуры), а также для определения внутренних напряжений второго рода, то есть таких, которые уравновешиваются в пределах одного кристаллита.

Этот метод основан на том, что изменения, происходящие в теле при пластической деформации, отражаются на характере рентгенограмм. Измельчение зерен выражается на рентгенограмме в увеличении количества точек, из которых состоят интерференционные кольца; внутренние напряжения, изменяющие параметры кристаллической решетки, приводят к смещению и размытости интерференционных колец; наличие текстуры обуславливает появление утолщения интерференционных колец.

При рентгенографическом исследовании деформаций и напряжений под обработанной поверхностью детали рентгенограммы с образца снимаются многократно, причем перед каждым рентгенографированием с поверхности стравливается слой определенной толщины. Рентгенографирование прекращается после того, как весь слой, подвергнутый деформации, оказался стравленным.

Кроме описанных, известны еще и другие методы определения зоны, охваченной пластическими деформациями при резании (например, метод рекристаллизации, разработанный В.Д.Кузнецовым). Однако они не нашли широкого применения.