5.4. Касательные напряжения на плоскости сдвига

Касательные напряжения , возникающие в процессе резания на плоскости сдвига, характеризуют сопротивление обрабатываемых материалов пластической деформации в условиях резания. Их величину необходимо определять для расчета силы резания и напряженного состояния в зоне резания.

Сопротивление металла резанию (пластической деформации) зависит не только от его химического состава и его структуры, но и от условий деформации (напряженное состояние в зоне деформации, скорость деформирования и деформации, температурный режим в зоне деформации).

Напряженное состояние в зоне деформации сильно влияет на пластичность металла, т.е. способность пластически деформироваться до разрушения, и соответственно, на упрочнение в результате деформации.

На основании опытов по растяжению можно построить диаграмму: интенсивность напряжений - интенсивность деформаций . Это сделать просто, так как при растяжении (где S - истинное напряжение) и (где е - истинная, т.е. логарифмическая деформация).

Такая диаграмма называется диаграммой деформационного упрочнения: из нее можно определить интенсивность напряжения, соответствующую любой интенсивности деформации.

При растяжении материалы имеют относительно низкую пластичность, т.е. разрушаются, достигнув относительно малой степени деформации. Пластичность при резании возрастает (табл. 5.1).

Это объясняется тем, что в переходной пластически деформируемой зоне элементарные объемы срезаемого слоя находятся под действием системы касательных напряжений и одновременно под действием равномерного всестороннего сжатия, то есть гидростатического давления, а последнее способствует увеличению пластичности.

Кроме того, пластичность материалов растет за счет того, что металлы деформируются при резании при высоких температурах.

Таблица 5.1

Сравнение величин интенсивности деформации

при растяжении в шейке в момент разрыва образца

и при резании

Марка материала	Механические свойства			при растяжении	при резании
	, Н/мм2	, Н/мм2	HB		от	до	от	до
Медь М2		245	74	2,3	3,5	6	1,5	2,6
Сталь 35	265	512	148…155	0,7	1,2	2	1,7	2,9
Сталь 30ХГСА	322	770	238…246	0,49	1,15	1,7	2,4	3,5
Сталь ХВГ	422	725	228	0,16	1,45	2,1	9	13

Большая интенсивность деформации срезаемого слоя способствует интенсивному его упрочнению, то есть сильному увеличению .

Как влияют на высокие скорости деформации при резании и локализация деформации в каждый момент в очень малых объемах срезаемого слоя металла?

Существуют три характерные области изменения скорости деформации, в каждой из которых она по-своему влияет на сопротивление деформации.

Первая область характеризуется участием в процессе деформации влияния рекристаллизации, что бывает, когда температура равна температуре рекристаллизации испытуемого металла, а скорость деформации еще относительно невелика. В той области скорость сильно влияет на сопротивление деформации, причем, с увеличением скорости сопротивление растет, так как при этом разупрочнение, происходящее одновременно с упрочнением, успевает реализоваться все в меньшей степени.

Во второй области скорость на сопротивление деформации влияет значительно слабее. Рекристаллизация в процессе деформации не принимает участия, и влияние скорости на сопротивление связано лишь с отдыхом (такие условия возникают, когда температура опыта значительно ниже температуры рекристаллизации).

В этих двух областях процесс деформации приближается к изотермическому, так как теплота, образующаяся в зоне деформации, почти полностью уходит из этой зоны за время деформации в сопряженные недеформируемые части металла и не вызывает нагрева деформируемых слоев.

В третьей области, наоборот, при значительном увеличении скорости деформации процесс сопровождается явлениями адиабатического разогревания деформируемых слоев металла теплотой, выделяющейся при деформации, поскольку эта теплота будет блокироваться в зоне деформации. В этой области сопротивление деформации понижается с увеличением скорости, так как при этом усиливается эффект адиабатического нагрева.

При резании металлов с большими скоростями с образованием сливной стружки пластическая деформация локализуется в очень узкой зоне: частицы срезаемого слоя превращаются в стружку за время, в течение которого они пересекают переходную пластически деформируемую зону, в связи с чем скорость деформации здесь очень велика.

Имея в виду вышеизложенное, представляется весьма вероятным, что при высоких скоростях резания в переходной зоне срезаемого слоя будут возникать условия адиабатической деформации с очень высоким разогревом деформируемых слоев металла и как следствие этого - понижение сопротивления деформации. Ожидаемое явление можно характеризовать как почти мгновенную температурную вспышку в очень тонкой зоне (полосе скольжения), где металл подвергается наибольшей интенсивной деформации именно в данный момент времени с последующим резким ее охлаждением после завершения деформации.

Обратимся к данным табл. 5.2.

Таблица 5.2

Физико-механические свойства ряда металлов и их

сопротивление пластической деформации в условиях резания

Обрабатываемый материал	, Н/мм2	, м2/с	, Н/мм2
Медь	68,6	123	304	4,4
Сталь 35	132	21	460	3,5
Сталь 30ХГСА	416	9,32	735	1,8
Титан 150А	412	6,53	510	1,26

Как видно, отношение / по мере уменьшения коэффициента температуропроводности металлов уменьшается, т.е. сопротивление металлов пластической деформации нарастает в условиях резания относительно тем меньше, чем ниже их коэффициент температуропроводности .

Объяснить все это можно следующим. В результате очень глубокой пластической деформации, которую претерпевает металл срезаемого слоя при превращении его в стружку, он весьма интенсивно упрочняется, и если обрабатываемый металл обладает высокой температуропроводностью, то процесс деформации при резании с низкими и нормальными скоростями является изотермическим, при этом разупрочняющие процессы почти не проявляются, и сопротивление при резании в наибольшей мере превосходит статистический предел текучести. По мере уменьшения обрабатываемого металла, вследствие того, что абсолютный уровень скоростей деформации очень велик, теплота, выделяющаяся в пачках скольжения, начнет оказывать разупрочняющее действие, и сопротивление деформации начнет падать. Одновременно будет уменьшаться и отношение / .

Увеличение скорости резания будет оказывать двоякое влияние на сопротивление деформации. С одной стороны, процесс деформации будет все более отличаться от изотермического и разупрочняющее действие теплоты деформации будет возрастать, с другой стороны, время для проявления разупрочняющихся процессов будет уменьшаться. На первых порах, как правило, превалирующим оказывается действие последнего фактора, что приводит к увеличению сопротивления деформации с ростом скорости. Однако по достижении некоторого предела, при дальнейшем увеличении скорости, неизбежно начнет проявляться превалирующее действие первого фактора, и сопротивление будет уменьшаться. Особенно значительное уменьшение сопротивления будет наблюдаться по достижении скоростей, при которых процесс деформации срезаемого слоя превратится почти полностью в адиабатический.

Вполне понятно, что абсолютные значения скоростей, соответствующих началу адиабатического резания, будут зависеть от свойств обрабатываемых материалов, и в первую очередь, от прочности и температуропроводности.

Естественно, что при резании (деформация немонотонная) отличается от при растяжении или сжатии (деформация монотонная). Несмотря на это, приближенно значение можно получить из кривой деформационного упрочнения, построенной по испытаниям на растяжение или сжатие, если учесть физические свойства обрабатываемого материала (табл. 5.3).

Таблица 5.3

Сравнение экспериментальных и расчетных значений

Обрабатываемый материал	, Н/мм2	, м2/с		, Н/мм2
				Эксп.	Расч.
Медь	270	123	6,3	304	302
Сталь 20	500	21,2	3,5	432	429
Сталь 30ХГСА	962	9,32	2,41	736	692
Сталь 1Х18Н9Т	1050	4,0	2,2	668	701
Сталь ЭИ437	1470	2,9	2,5	864	980

Анализ данных таблицы показывает, что с достаточной точностью можно определить по формуле

, (5.13)

При этом за меру напряжения принимается величина истинного касательного напряжения , равная половине истинного нормального напряжения S, а за меру деформации - величина истинного сдвига , которая при растяжении рассчитывается по формуле

(5.14)

Принимая степенной закон упрочнения в виде , можно записать:

, (5.15)

Дополнительно приходится учитывать то обстоятельство, что при резании упрочнение проявляется до достижения определенной степени деформации , а затем от степени деформации не зависит (рис. 5.2). Поэтому в формуле для подсчета _сдв для материалов с принимается значен ие =2, а для материалов 6,710^-6 м²/с - значение  =2,5.

Рис. 5.2. Зависимость упрочнения при резании металлов

от степени деформации

При обработке углеродистых сталей можно пользоваться более простой формулой

, (5.16)