Контрольные вопросы
1. Что такое кинематическая схема резания?
2. Дайте определение главного движения резания и движения подачи.
3. Какие элементы составляют режим резания?
4. Как подсчитать скорость резания при точении?
5. Какими могут быть направления движения подачи при точении, строгании и долблении?
6. Дайте определения подачи и глубины резания.
7. Как влияют главный угол в плане и радиус закругления при вершине резца на соотношение ширины и толщины среза?
8. Какое резание называется свободным и осложненным, прямоугольным и косоугольным?
4. Физические основы процесса резания металлов
4.1. Процесс разрезания и резания
Пусть требуется удалить с заготовки поверхностный слой толщиной a мм. Если этот слой удалять вдавливанием пластины с силой Р, то при уменьшении до бесконечно малых величин толщины пластины-инструмента и сил трения, возникающих при ее движении в пластине-заготовке, процесс разрушения последней заключается в нарушении атомных связей по единственной поверхности ABCD (подобно разрезанию масла тонким острым ножом).
Так как при резании металлов механические свойства заготовок и инструментов соизмеримы, инструменты изготавливают не в виде пластины, а в виде клина, что полностью меняет характер процесса удаления поверхностного слоя, так как одновременно с разрывом атомных связей по определенной плоскости ABCD (что выполняется режущей кромкой инструмента) необходимо отвести в сторону все частицы отделяемого слоя, что достигается пластической деформацией срезаемого слоя металла.
Рис. 4.1. Схема процесса разрезания
Рис. 4.2. Схема процесса резания металлов
Кроме того, так как невозможно выполнить кромку инструмента в виде геометрической линии (она всегда закруглена), возникают деформации не только выше плоскости разрыва, но и ниже ее, на некоторой глубине под обработанной поверхностью.
Если бы в процессе резания энергия затрачивалась только на акт разрыва атомных связей по единой плоскости, то она была бы исчезающе мала и в пределе равнялась бы только работе образования новой поверхности.
В действительности же энергия расходуется практически полностью на пластическую деформацию металла и преодоление возникающих при этом сил трения.
Таким образом, несмотря на то, что целью процесса резания является осуществление разрыва атомных связей по какой-то поверхности и образование новой (обработанной) поверхности детали, закономерности резания обусловлены закономерностями пластической деформации металла, находящегося выше (а также и ниже) линии среза. Этим и определяется значение теории пластической деформации срезаемого слоя для научного рассмотрения процесса резания металлов.
4.2. Процесс пластической деформации металлов
Деформацией называется процесс изменения формы тела под действием сил или каких-либо физико-химических явлений (теплоты, электромагнитного поля, диффузии).
Деформация может быть упругой, исчезающей после прекращения действия силы (такая деформация подчиняется закону Гука), и пластической остаточной, сохраняющейся и после снятия нагрузки.
При упругом деформировании сталей условные относительные удлинения не превышают величины порядка
10-3…510-3 (то есть пренебрежительно малы по сравнению с единицей), при пластическом же деформировании (в условиях резания) относительное удлинение может достигнуть нескольких десятков единиц, превысив величину упругих деформаций в 104…105 раз. Следовательно, можно пренебречь упругой деформацией и рассматривать процесс резания металлов как процесс их локализованной пластической деформации, доведенной до разрушения.
Внешним появлением пластической деформации является необратимое изменение формы тела. Наиболее часто пластическая деформация обусловлена процессом скольжения, характеризующимся смещением одной части тела относительно другой вдоль определенных кристаллографических плоскостей (плоскостей скольжения). Процесс пластической деформации начинается с того момента, когда компонента касательного напряжения в плоскости скольжения достигает некоторого критического значения - предела текучести при сдвиге. В гранецентрированных плотно упакованных решетках плоскостями самого легкого скольжения являются плоскости октаэдра и базиса, наиболее плотно заполненные атомами.
Пластичность и механические свойства металлов при их пластическом деформировании меняются. Если к образцу извне приложена постоянная нагрузка, вызывающая на плоскости скольжения касательное напряжение, в точности равное пределу текучести τТ, но не превышающее его, то пластическая деформация остановится в самом начале, и для ее продолжения потребуется увеличение действующих напряжений, то есть увеличение нагрузки.
Увеличение сопротивления пластической деформации с ростом величины самой пластической деформации называется упрочнением. Происходит это за счет изменения формы и размеров кристаллита, междуатомных расстояний, за счет нарушения равновесия атомных сил. Упрочнение также выражается в том, что пластичность деформированного металла уменьшается, а на какой-то стадии упрочнения запас пластичности исчерпывается и он переходит в хрупкое состояние.
Упрочнение как эффект холодной пластической деформации может быть уничтожено в результате процессов рекристаллизации и отдыха (разупрочнения).
Рекристаллизацией называется полное изменение кристаллической структуры вещества, полученной после пластической деформации. Оно начинается путем образования зародышей, вырастающих впоследствии в новые кристаллы.
Рекристаллизация с доступной измерению скоростью начинает совершаться при нагреве до вполне определенных для каждого металла температур, называемых температурой рекристаллизации.
Отдых - это процесс полного или частичного снятия эффектов холодной пластической деформации, не сопровождающийся изменением кристаллической структуры образца. Скорость отдыха сильно зависит от температуры, и наиболее быстрый отдых происходит при температурах, лежащих несколько ниже температур рекристаллизации.
Отдых совершается уже в процессе самой пластической деформации и всегда в большей или меньшей степени снимает эффект упрочнения. Поэтому следует иметь в виду, что механические свойства металла после его пластической деформации отражают результат борьбы двух происходящих в момент деформации противоположных процессов упрочнения и разупрочнения.
Сопротивление металла пластической деформации зависит от скорости деформации и температуры. При низкой скорости деформации для отдыха будет достаточно времени, часть упрочнения успеет сняться отдыхом и сопротивление металла пластической деформации (напряжение) будет снижено. При высокой скорости деформации отдых успеет совершиться лишь в незначительной степени, большая часть упрочнения сохранится, и сопротивление пластической деформации останется высоким.
При низких температурах отдых происходит медленно, с увеличением температуры скорость отдыха увеличивается. В связи с этим при различных температурах влияние скорости деформации на напряжение будет различным. При низких температурах испытания отдых совершается медленно, поэтому влияние скорости на напряжение будет незначительным.
При повышении температуры в связи с повышением скорости отдыха влияние скорости деформации становится более заметным: получается существенная разница между напряжениями при малых скоростях деформации (сильно сниженным отдыхом) и напряжениями при больших скоростях (не сниженным отдыхом). При высоких температурах, когда отдых происходит весьма быстро, разница между напряжениями при высоких и низких скоростях деформации вновь становится несущественной.
Таким образом, с увеличением скорости деформации сопротивление металлов пластической деформации возрастает, но влияние скорости будет максимальным при некоторой температуре испытаний, обычно близкой к температуре рекристаллизации испытываемого металла, и уменьшается с повышением и понижением температуры.
Механические свойства металлов, проявляемые в условиях пластической деформации, также зависит от окружающей среды. Исследованиями П.А. Ребиндера, В.И. Лихтмана и их сотрудников установлено, что адсорбция поверхностно-активных веществ из окружающей среды на металлической поверхности вызывает облегчение деформации и разрушение твердого тела. Поверхностно-активными называются вещества, которые, будучи примешаны к жидкости, уменьшают ее поверхностное натяжение и вследствие этого обладают сильным молекулярным сцеплением с металлической поверхностью (металлофильностью). Последнее упрочняет связь жидкости с металлом, то есть усиливает ее маслянистость. Происходит это за счет расклинивающего действия среды и содержащихся в ней ПАВ, проникающих в дефекты структуры, всегда присущие реальному твердому телу (микротрещины).