714

батываемом материале ниже поверхности резания. Левее нейтральной линии расположена область сжимающих напряжений, а правее – растягивающих.

Перед передней поверхностью инструмента расположена зона I первичной деформации. Зона ОАВСО первичной деформации имеет форму клина с вершиной на лезвии инструмента. Ее нижняя граница ОFА вогнута и пересекает продолжение поверхности резания. Верхняя граница ОВ зоны выпукла и ее длина в 2...4 раза меньше длины линии ОА. Линия АВ плавно сопрягает предыдущую поверхность резания со свободной стороной стружки. Левее линии ОА находятся еще недеформированные зерна материала срезаемого слоя, а правее линии OB – зерна материала, принадлежащие стружке. Зерно срезаемого слоя, перемещающееся относительно инструмента со скоростью резания V, начинает деформироваться в точке F и, проходя по траектории своего движения, получает все большую степень деформации. Деформация зерна заканчивается в точке Q, где зерно приобретает скорость Vc, равную скорости стружки.

Многочисленные эксперименты показывают, что ширина стружки по сравнению с шириной срезаемого слоя даже при свободном резании увеличивается незначительно; при несвободном резании уширение стружки еще меньше. Поэтому можно считать, что деформированное состояние в зоне стружкообразования является плоским и срезаемый слой в процессе резания претерпевает деформацию сдвига. На основании этого линия ОА физически представляет собой поверхность сдвига (скольжения), на которой сдвигающие напряжения τ равны пределу текучести σs материала на сдвиг: τ = σs. Вся зона I состоит из подобных поверхностей, на каждой из которых сдвигающие напряжения равны пределу текучести материала, уже получившего определенную степень упрочнения в результате предшествующей деформации. Линия ОВ представляет собой поверхность, на которой осуществляется последняя сдвиговая деформация; на ней сдвигающие напряжения τ равны пределу текучести σs на сдвиг окончательного упрочненного в результате превращения срезаемого слоя в стружку материала.

71

Если бы между передней поверхностью инструмента и контактной поверхностью стружки отсутствовало трение, то на этом деформирование зерен срезаемого слоя закончилось бы. Но поскольку между указанными поверхностями всегда имеется трение, то зерна материала, находящиеся в непосредственной близости к контактной поверхности стружки, продолжают деформироваться и после выхода их из зоны первичной деформации.

Так возникает зона II вторичной деформации, ограниченная передней поверхностью и линией CD. Ширина OD зоны вторичной деформации приблизительно равна половине ширины площадки контакта с/2, а максимальная высота ∆1 в среднем составляет 0,1 толщины ас стружки. Как показал Н.Н. Зорев, зерна срезаемого слоя, проходя через зону вторичной деформации, деформируются исключительно сильно: степень деформации в зоне II может в 20 раз и более превышать среднюю деформацию стружки. Наличие зоны вторичной деформации приводит к неоднородности конечной деформации стружки по ее толщине. На большей части толщины стружки степень деформации зерен одинакова, а в слое толщиной ∆1 наблюдается резкое увеличение степени деформации. Размеры зоны вторичной деформации и степень деформации зерен материала в этой зоне определяются интенсивностью трения на передней поверхности. Чем меньше сила трения на передней поверхности, тем меньше размеры зоны вторичной деформации и интенсивность деформации. При уменьшении толщины срезаемого слоя, увеличении переднего угла и применении хорошо смазывающих жидкостей размеры зоны II уменьшаются и она становится исчезающе малой. В этом случае степень деформации зерен стружки по ее толщине практически одинакова.

Сложность физических процессов, происходящих в зонах первичной и вторичной деформации, не позволяет дать простых математических методов их количественного описания. Поэтому при инженерных расчетах реальный процесс стружкообразования заменяют его упрощенной моделью. Правомерность использования упрощенной модели связана со следующими обстоятельствами. Зона первич-

72

ной деформации по своей толщине соизмерима с толщиной срезаемого слоя только при малых передних углах инструмента, больших толщинах срезаемого слоя и низких скоростях резания. При передних углах инструмента, толщинах срезаемого слоя и скоростях резания, применяемых в производственных условиях, протяженность FQ зоны первичной деформации резко уменьшается, ее границы ОА

и ОВ сдвигаются, приближаясь к некоторой линии ОЕ, наклонной

кповерхности резания под углом β. Это позволяет считать, что сдвиговые деформации локализуются в очень тонком слое толщиной ∆х, а семейство поверхностей скольжения можно заменить единственной плоскостью ОЕ, называемой условной плоскостью сдвига. При такой идеализации процесс превращения срезаемого слоя в стружку можно представлять как процесс последовательных сдвигов тонких слоев обрабатываемого материала вдоль условной плоскости сдвига. Поскольку деформированное состояние практически является плоским, то, следовательно, процесс стружкообразования должен подчиняться закономерностям простого сдвига. Экспериментальная проверка хорошо подтверждает это положение. Средняя конечная интенсивность деформации, рассчитанная по измерению размеров искаженной в результате резания ячеек квадратной делительной сетки, мало отличается от интенсивности деформации простого сдвига, определенной на основании размеров стружки (табл. 1).

Таблица 1

Сравнение измеренной и расчетной интенсивности деформации при резании латуни Л70; а = 3 мм и V = 5 м/мин

К такому же выводу приходит и Г.Л. Куфарев, определив при резании меди величину угла β вида деформированного состояния по размерам эллипсов стружки, в которые превратились окружности, нанесенные на срезаемый слой. При резании со скоростью V = = 19 мм/мин были получены углы β (табл. 2).

о том, что помимо деформации простого сдвига при резании имеет место деформация сжатия. Однако приведенные экспериментальные данные показывают, что доля деформации сжатия по сравнению с деформацией простого сдвига невелика. Поэтому при инженерных расчетах, особенно при несвободном резании, можно пользоваться упрощенной моделью с единственной плоскостью сдвига, принимая деформированное состояние простого сдвига.

Рассмотрим механику образования сливной стружки при единственной условной плоскости сдвига.

На рис. 41 представлена схема превращения срезаемого слоя в стружку при единственной условной плоскости сдвига. В срезаемом слое толщиной а выделим параллелограмм mnpq с малой высотой ∆х, прилегающий к условной плоскости сдвига тп. Угол β, под которым условная плоскость сдвига наклонена к поверхности резания, называют углом сдвига. Пусть режущий инструмент переместится из положения I в положение II, пройдя вдоль боковой стороны параллелограмма mnpq расстояние ∆L. В результате этого перемещения точка q срезаемого слоя, лежащая на поверхности резания, ока-

74

жется в точке q1, лежащей на передней поверхности, а точка р, лежащая на предыдущей поверхности резания, окажется в точке p1, лежащей на свободной стороне стружки. Таким образом, параллелограмм mnpq, сдвигаясь вдоль основания тп на величину ∆s, превращается в параллелограмм mnp1q1. Очевидно, что параллелограмм тпр1q1 принадлежит уже не срезаемому слою, а стружке, образовавшейся в результате перемещения инструмента на расстояние ∆L. При каждом последующем перемещении инструмента на то же рас-

стояние процесс повторяется. Таким образом, превращение срезаемого слоя в сливную стружку происходит в результате последовательных и непрерывных сдвигов весьма тонких слоев материала по условной плоскости сдвига без нарушения связи между сдвинутыми слоями, т.е. без нарушения сплошности материала стружки. Если схему деформирования параллелограмма mnpq сравнить со схемой деформирования при простом сдвиге, изображенной на рис. 41, то видно, что они совпадают, и расстояние ∆s есть не что иное, как абсолютный сдвиг.

Что же вызывает сдвиг слоя материала вдоль условной плоскости сдвига и когда этот сдвиг начнется? Передняя поверхность инструмента действует на срезаемый слой с нормальной силой N. По закону трения Амонтона нормальная сила создает силу трения F = µN (где µ – коэффициент трения скольжения между стружкой и инструментом).

Складывая силы N и F, получим силу стружкообразования R, наклоненную к поверхности резания под углом действия ω. Разложим силу стружкообразования на две: силу PN, перпендикулярную к условной плоскости сдвига, и силу Pτ, действующую вдоль плоско-

75

напряжения вдоль условной плоскости сдвига имеют постоянную величину.

Нормальные напряжения распределяются по-иному. При больших передних углах инструмента и малых коэффициентах трения на передней поверхности (резание с хорошо смазывающими жидкостями) нормальные напряжения (см. рис. 42, а) уменьшаются по мере приближения к лезвию и в некоторой точке условной плоскости сдвига могут изменить свой знак на обратный. По мере уменьшения переднего угла инструмента и увеличения коэффициента трения указанный эпюр постепенно переходит к виду эпюра, изображенного на рис. 42, б, на котором нормальные напряжения, сохраняя постоянство знака, увеличиваются при приближении к лезвию. Таким образом, в общем случае нормальные напряжения вдоль условной плоскости сдвига, в отличие от касательных напряжений, непостоянны. Особенностью процесса является отсутствие влияния нормальных напряжений на величину касательных напряжений.

Условная плоскость сдвига разделяет области недеформированного материала, принадлежащего срезаемому слою, и уже полностью отдеформированного материала стружки. В результате пластического деформирования в стружке образуется характерная текстура деформации в виде полос или строчек, расположенных под некоторым углом к условной плоскости сдвига, называемым углом текстуры. Линии текстуры представляют собой цепочки зерен деформированного материала стружки, получивших после прохождения через условную плоскость сдвига определенную форму и ориентацию.

Образование текстуры деформации можно представить себе следующим образом (рис. 43). Сфероидальное зерно материала срезаемого слоя впишем в куб со стороной, равной толщине сдвигаемого слоя. Тогда в сечении плоскостью, перпендикулярной к лезвию инструмента, будем иметь круг с радиусом, равным п. В результате деформации простого сдвига верхняя плоскость сдвигаемого слоя переместится относительно нижней на величину абсолютного сдвига ∆s. Квадрат mnpq, в который вписан круг, превратится в параллелограмм тпр1q1, а сам круг превратится в эллипс, сопряженными

77

диаметрами которого являются стороны параллелограмма. На основании рис. 43 угол текстуры ψ, представляющий собой угол наклона большей оси эллипса к условной плоскости сдвига, может быть определен с помощью выражения

Цепочки эллипсов в направлении их больших осей (рис. 44) и представляют собой линии текстуры деформации стружки. Как видно из формулы, угол текстуры ψ зависит от степени деформации срезаемого слоя. Чем больше степень деформации, определяемая относительным сдвигом ε, тем меньше угол текстуры, и наоборот. Превращение сфероидального зерна в эллипсовидное, очевидно, является следствием первичной деформации срезаемого слоя при прохождении зерна через зону первичной деформации, или условную плоскость сдвига.

В большей части стружки линии текстуры идут параллельно друг другу, сохраняя неизменным угол текстуры. Однако в слое стружки, прилегающем к ее контактной стороне, линии текстуры теряют свою правильную ориентацию, изгибаясь в сторону, обратную движению стружки. Как указывалось выше, это явление связано

78

с тормозящим действием, оказываемым передней поверхностью инструмента. Чем больше сила трения F, действующая на передней поверхности, тем сильнее тормозится контактный слой стружки и тем больше искривление линий текстуры и толщина слоя ∆1, в котором это искривление наблюдается. В пределах слоя стружки толщиной ∆1 эллипсовидные зерна, деформированные на первой стадии, теряют свою правильную форму тем больше, чем ближе они расположены

к передней поверхности инструмента. Искривление линий текстуры

вконтактном слое является следствием вторичной контактной деформации срезаемого слоя при прохождении деформированных зерен через зону вторичной деформации.

Когда условия трения на передней поверхности особенно тяжелы, тормозящее действие, оказываемое инструментом, становится настолько сильным, что это приводит к плотному присоединению части стружки к передней поверхности и образованию так называемого заторможенного слоя. На участке контакта размером с1 кон-

тактная поверхность стружки настолько плотно присоединилась к передней поверхности инструмента, что основная часть стружки перемещается не по инструменту, а по заторможенному слою, прикрывающему переднюю поверхность. О плотности присоединения заторможенного слоя к передней поверхности и отсутствии взаимного перемещения между ними свидетельствуют отпечатки на заторможенном слое рисок, параллельных лезвию, образовавшихся на инструменте при его заточке. Только после выхода за пределы ширины с1 заторможенного слоя стружка непосредственно трется о переднюю поверхность инструмента, что видно по продольным рискам на контактной поверхности стружки, параллельным ее боковым сторонам. Заторможенный слой образуется при резании пластичных и вязких материалов при малых передних углах инструмента и отсутствии смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) (рис. 45).

Мерой деформации простого сдвига является относительный сдвиг. Определим его при резании. На основании рис. 43 величина

абсолютного сдвига ∆s = тр + pq. Выразим отрезки тр и pq через толщину ∆x сдвигаемого слоя:

79