4.Физические основы процесса резания

Протекание процесса резания обусловлено интенсивной упругой и пластической деформациями перед режущим клином с зарождением, развитием и накоплением большого количества разнообразных дефектов структуры материала у вершины режущего клина, когда плотность дефектов достигнет критической величины (рис.5).

Рис.5.Схема процесса резания:

1- стружка; 2 - резец; 3 - заготовка; 4 - снимаемый слой материала; Р- сила, действующая на резец; - угол заострения

С физической точки зрения процесс резания рассматривается как процесс сложнейших пластических деформаций (90%), сопровождающихся различными физическими и химическими явлениями (тепловыми, контактными, трения и др.)

Характер деформации зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, геометрии инструмента, режимов резания, условий обработки, что определяет следующие виды стружек (рис. 6):

- сливная (при обработке пластичных материалов с большими скоростями резания);

- скалывания (при обработке стали средней твердости со средними и малыми скоростями и большими подачами);

- надлома (при обработке хрупких материалов (чугуна, бронзы) и даже стали во время работы с большими подачами и очень малыми скоростями).

Укорочение и утолщение стружки по сравнению с длиной и толщиной срезаемого слоя называется усадкой стружки, которая характеризуется коэффициентом усадки, величина которого колеблется от 5 до 7.

Рис.6. Виды стружек:

а - стружка надлома; б - стружка ска­лывания; в - сливная стружка

Силы резания

В результате сопротивления металла деформации возникают реактивные силы, действующие на резец. Эту систему сил приводят к равнодействующей силе резания R (рис.7), которую затем раскладывают на составляющие, используемые для расчетов по процессу резания: вертикальная Р_z, радиальная Р_y , осевая Р_x.

Р_z : Р_y : Р_x =1:0.45:0,35

R = Р_z² + Р_y² + Р_x²

Работа, затрачиваемая на срезание припуска с обрабатываемой заготовки:

Рис. 7. Схема сил резания

А = А_у +А_п +А_т, где

А_у – работа, затраченная на упругое деформирование;

А_п – работа, затраченная на пластическое деформирование материала и его разрушение;

А_т – работа, затраченная на преодоление сил трения задних поверхностей инструмента о заготовку и стружки о переднюю поверхность инструмента.

Крутящий момент на шпинделе станка:

М = P_z D_заг/2 1000 [ н м ], где

D_заг – диаметр обрабатываемой заготовки.

5.Физические явления, сопровождающие процесс резания

1.При обработке пластичных материалов на передней поверхности инструмента может образоваться чрезвычайно наклепанный, упрочненный слой металла, который называется нарост (рис.2.4, 2.10). Он режет металл, который его породил, изменяет геометрию резца, защищает режущую кромку, но уменьшает точность обработки, ухудшает ее чистоту. Наростообразование является циклическим. При черновой обработке нарост явление положительное, при чистовой – недопустим.

Рис. 8. Схемы образования и разрушения нароста

2.Упрочнение (наклеп) при обработке резанием в результате упругопластического деформирования тонкого слоя металла.

3.Деформирование металла приводит к наведению в поверхностном слое остаточных растягивающих (приводящих к зарождению микротрещин) или сжимающих напряжений (повышающих предел выносливости). При больших скоростях резания и отрицательном переднем угле увеличиваются сжимающиеся напряжения.

4.Металлорежущие станки характеризуются автоколебаниями, которые являются следствием изменения сил резания из-за прерывистого характера резания, неуравновешенности вращающихся частей, погрешностей изготовления и сборки передач оборудования. Вибрации снижают стойкость режущего инструмента, ухудшают качество обрабатываемых поверхностей (рябь, волнистость), но способствует дроблению стружки, снижают сопротивление деформации, исключают возникновение нароста. Автоколебания уменьшаются с увеличением жесткости системы СПИД (станок-приспособление-инструмент-деталь), уменьшением массы заготовки, применением специальных гасителей.

5. Количество теплоты, выделяющейся в процессе резания приближенно можно определить как

Q = Р_z V

Тепловой баланс процесса резания:

Q д + Qпп + Qзп = Qс + Qзаг + Qи + Qл, где

Qд - количество теплоты, выделяющейся при упруго-пластических деформациях обрабатываемого материала;

Qпп - количество теплоты, выделяющейся при трении стружки о переднюю поверхность инструмента;

Qзп - количество теплоты, выделяющейся при трении задних поверхностей инструментов о заготовку;

Qс - количество теплоты, отводимое стружкой;

Qзаг - количество теплоты, отводимое заготовкой;

Qи - количество теплоты, отводимое инструментом;

Qл - количество теплоты, переходящее в окружающую среду (теплота лучеиспускания).

СОС (смазочно-охлаждающие среды) снижают трение по передней и задней поверхности инструмента, препятствуют образованию нароста, уменьшают температуру резания, увеличивают точность обработки.

а) б)

Рис. 9. Схемы подвода СОС в зону резания:

а — полив свободной струей; б - высоконапорное охлаждение

6. Трение при механической обработке (рис.10) приводит к изнашиванию инструмента (абразивное, окислительное, адгезионное, термическое).

а) б)

Рис.10.Износ резца (а), изменение размеров (б) обрабатываемой заготовки