книги из ГПНТБ / Бетанели, А. И. Прочность и надежность режущего инструмента

а) Определение напряжений сдвига по условной плоскости сдвига

Многочисленные экспериментальные исследования пластичес­ кой деформации в зоне стружкообразовання [55, 78, 113] показы­ вают, что величины деформации е и скорости деформации е° сре­ заемого материала в области условной плоскости сдвига необы­ чайно велики и намнрго превосходят деформацию материала при стандартных методах испытания.

Например, величина относительной деформации е в зоне ус­ ловной плоскости сдвига.при резании пластичных материалов ко­ леблется в пределах е=2-^10, тогда как в шейке при растяжении

ным методам испытания при растяжении, сжатии, кручении и др., могут значительно отличаться от напряжений сдвига в условиях резания.

Пользуясь упрощенными зависимостями механики процесса

111

Ф — условный угол сдвига, обычно определяемый по усадке стружки;

•I — средний угол трения по передней поверхности, опреде­ ляемый по выражению:

‘ 1

Как видно из формул (3,1) и (3,2), на основании измерений сил резания и усадки стружки легко определяется величина тф.

Экспериментами [55, 113] установлено, что при резании сталей и ряда тугоплавких материалов величина тф при изменении режи­ мов резания и формы режущей части инструмента меняется незна­ чительно. Заметное влияние скорости резания на величину тф об­

с увеличением скорости резания тф увеличивается. Наблюдаемые закономерности изменения тф объясняются сле­

дующим образом. На основании ряда работ советских и зарубеж­ ных исследователей [78, 111, 177] следует, что температура в зоне условной плоскости сдвига при изменении режимов резания и ге­ ометрии инструмента меняется незначительно. Например, при об­ работке сталей средней твердости колебания температуры в этой зоне составляют 423—573°К (150—300ГС). Указанный интервал температур мало влияет на механические характеристики сталей. Поэтому маловероятно ожидать изменение величины тф при раз­ личных режимах резания, как следствие колебания температуры резания по условной плоскости сдвига. Следовательно, действие

температуры на тф исключается.

о

Рассмотрим влияние е и е на хф. Анализ кривых деформацион­ ного упрочнения металлических материалов приводит к следую­ щему заключению. С увеличением деформации в начальный период материал интенсивно упрочняется и напряжения быстро возрас­ тают. Дальнейшее увеличение деформации заметно снижает при­ рост напряжения, и кривая деформационного упрочнения асимпто­ тически стремится к определенному пределу. Н . Н . Зорев [55] на примере многих материалов показал, чго когда деформация сдвига достигает е =1 , возможности упрочнения сталей, а также многих других материалов исчерпываются.

112

Во время последних сдвиговых деформаций в зоне стружкообразования, т. е. по условной плоскости сдвига, обрабатываемый материал находится в пределах насыщения упрочнения, т. е. приб­ лижается по свойствам к идеально пластичному телу В резуль­ тате этого значительное изменение относительной деформации с. при изменении режимов резания и формы режущей части инстру­ мента мало влияет на величину тф.

Остается рассмотреть влияние скорости деформации на вели­ чину тф. Изучение влияния скорости деформации на напряжения сдвига для различных материалов, а также данные теории упроч­ нения и разупрочнения материалов [46, 77, 81, 96] приводят к заключению: при гомологических температурах (безразмерное от­ ношение температуры опыта к температуре плавления в градусах Кельвина) поведение металлических материалов в отношении воз­ действия скорости деформации одинаково. Все металлы чувстви­ тельны к скорости деформации при температурах рекристаллиза­ ции и близких к температурам плавления и нечувствительны при

изменение режимов резания и формы режущей части инструмента мало повлияет на величину тф.

При точении и фрезеровании сталей температура в зоне услов­ ной плоскости сдвига значительно меньше температуры рекрис­ таллизации. Следовательно, тф мало чувствительно к изменению скорости деформации. При обработке легкоплавких материалов (олово, свинец, алюминий и др.) температура в зоне условной плоскости сдвига находится в области температуры рекристалли­ зации. Поэтому у этих материалов обнаружено заметное влияние скорости резания на величину тф. Аналогично объясняется влия­ ние скорости резания на тф при резании с предварительным подо­ гревом. Если легкоплавкие материалы обрабатывать в условиях глубокого охлаждения, то эти материалы, так же как и стали, в обычных условиях будут нечувствительны к скорости деформации, и тф не будет изменяться в зависимости от скорости резания.

При резании сталей и других тугоплавких материалов созда-

ются такие'условия, что в широком диапазоне изменения режимов резания и формы режущей части инструмента по условной плос­ кости сдвига температура изменяется в малых предела» и незна­ чительно влияет на тф. Кроме того, эти температуры значительно ниже температур рекристаллизации, и изменение скорости дефор­ мации оказывает малое влияние на тф. При этом деформации столь

Для вышеуказанных условий материал стружки настолько уп­ рочнен, что при измерении твердости вдавливание наконечника не вызывает дополнительное упрочнение. Малая скорость деформа­ ции материала при вдавливании наконечника (по сравнению с процессом резания) также не повлияет на сопротивление материа­ ла, когда он нечувствителен к скорости деформации. То же самое можно отметить относительно температуры, если разница в тем­ пературах по условной плоскости сдвига и в условиях испытания твердости не оказывает заметного влияния на механические ха­ рактеристики. Поэтому появляется возможность определить вели­ чину тф по измерению твердости стружки, используя известное в теории пластичности [127] соотношение между напряжением сдви­ га и твердости по Виккерсу:

Данное соотношение дает вполне удовлетворительные резуль­ таты.

Для таких же условий, когда в зоне условной плоскости сдви­ га изменение температуры, величины деформации и скорости де­ формации мало влияет на величину тф и величина тф является ха­ рактеристикой обрабатываемого материала, имеется возможность установить взаимосвязь между тф и стандартными механическими характеристиками путем нахождения соответствующего перевод­ ного коэффициента.

Для определения напряжения сдвига Тф по стандартным меха­ ническим характеристикам обрабатываемого материала предложен

114

ряд приближенных зависимостей [55, 113]. Н. Г. Абуладзе [2] предложил для сталей формулу:

ле возможно определить напряжение сдвига, исключив опыты на станке.

В таблице 3.1 приведены величины тф для различных материа­ лов, определенные опытами при резании, по измерениям твердос­ ти стружки и рассчитанные по формуле (3.5).

Следует отметить, что при определении тф по твердости тф оп­ ределится более точно, если измерение твердости проводится при температурах, равных по величине температурам на поверхности сдвига. Примером может служить сталь П З Л , в которой при температуре 473—573°К(200—300аС) происходит выделение мар­

115

Рис. 3.4. Сопротивление деформации жаропрочного никелевого сплава

117

Анализ кривых зависимости xk—f(&°) при высоких температу­ рах (рис. 3.2, 3.3 и 3.4) приводит к заключению, что увеличение скорости деформации в 2—3 раза изменяет величину напряжения сдвига в пределах до 10%, и лишь при изменении порядка скорос­ ти деформации наблюдается существенное изменение напряженийЭто обстоятельство некоторым образом облегчает задачу определ ления сдвигающих напряжений, разделяя операции резания на ряд групп по величине скорости деформации.

Скорость деформации в контактных слоях определяется, глав­ ным образом, скоростью резания и в меньшей степени предопре­

деляется толщиной срезаемого слоя и формой режущей части инс­ трумента.

При обработке сталей инструментом из легированной и быстро­ режущей сталей скорость резания для операций точения, сверле­ ния, фрезерования и др. изменяется в пределах 0,083 ч-0,8 м/сек (5ч-50 м/мин); температура резания — в пределах 473—973°К (200ч-700°С), скорость деформации — в пределах 102-^-103 1/сек. Для твердосплавного инструмента изменение скорости резания в среднем составляет 0,66ч-10 м/сек (40ч-600 м/мин), температура в контактных слоях изменяется в пределах 973 ч- 1473°К (700-^І200°С),

О

а скорость деформации составляет e=103-^-10‘ 1/сек. Для абразив­ ного инструмента в операциях шлифования o= 16,6-f-100 м/сек (ЮООч-бООО м/мин) температура в контактных слоях 1573— 1723СК

сдвига для е различных порядков, можно охватить все операции

резания и иметь представление о напряжениях сдвига в контакт­ ных слоях.

Определение температурных зависимостей напряжения сдвига,

о

соответствующих по е и е условиям резания, стандартными мето­ дами испытания при растяжении, сжатии или кручении весьма сложно, а имеющиеся данные ввиду резкого различия в деформа­ ции и скорости деформации дают сугубо приближенное представ­ ление о значениях сдвигающих напряжений в контактных слоях. Поэтому целесообразно определение этих напряжений непосред­ ственно в процессе резания.

Определение сдвигающих напряжений в контактных слоях возможно определенней удельной силы трения по передней и зад-

118

ней поверхностям. Однако задача осложняется тем,-что након­ тактных поверхностях развиваются два различных по природе вида ..трения — внутреннее и внешнее. Сдвигающие напряжения характеризуют сопротивление деформации в области внутреннего трения, т. е. на участках пластического контакта. Появляется.не­ обходимость разграничения зон внутреннего и внешнего трения. Это является довольно сложной задачей и требует применения/,, на­ пример, составных резцов и проведения весьма тонких п трудо­ емких экспериментов [40, 65]. Поэтому целесообразно иметь более простой метод определения контактных напряжений.

Если величины деформации, скорости деформации и темпера­ туры в зоне стружкообразования по условной плоскости сдвига и в контактных слоях будут одинаковы, то и напряжения в этих зонах должны быть равны, т. е.

і т/і ~ тф-

Варьируя скоростью резания, возможно подобрать такие ус­ ловия, когда скорость деформации по условной плоскости сдвига будет равна скорости деформации в контактных слоях. Более сложно уравнять величины деформации, т. е. получить по услов­ ной плоскости сдвига деформации, соответствующие величине де­ формации в контактных слоях. Однако и в этом случае, руковод­ ствуясь пределом насыщения — упрочнения материала при плас­ тической деформации, можно допустить, что при е>2-г-3 разница в величине е не скажется на величине напряжения сдвига и при­ нять, что| при равенстве температур и скоростей деформации по условной плоскости сдвига и в контактных слоях сдвигающие на­ пряжения равны между собой. Тогда определение температурных зависимостей контактных напряжения xk=[(ß) сводится к опре­ делению температурных зависимостей сдвигающих напряжений по условной плоскости сдвига. Практически это не трудно осуществить, определяя по вышеописанному методу значения тф при различных температурах подогрева срезаемого слоя и скоростях резания.

С целью определения температурных зависимостей напряжений сдвига по вышеописанному методу на кафедре технологии маши­ ностроения ГПИ были проведены специальные опыты1 с предва­ рительным подогревом срезаемого слоя [89].3

3 В работе принимали участие А. И, Мшсанадзе и Б. Г. Сопромадзе.

119

При резании предварительно нагретых до разных температур заготовок измерялись составляющие силы резания и усадки стружки. Температура условной плоскости сдвига определялась по кривым охлаждения заготовок на станке (построенных предва­ рительно) с учетом приращения температуры деформации при ре­ зании [145].

На рис. 3.5 представлены кривые изменения тф для десяти различных материалов в диапазоне изменения температур от 500 до 1600°К (от 227 до 1327°С). Величины тф соответствуют скоро. -

О

тям относительной деформации порядка е=103 1/сек и относитель­ ным деформациям е=2-ьЗ.

Из полученных кривых следует, что с повышением температу­ ры подогрева напряжение сдвига по условной плоскости сдвига уменьшается, однако это уменьшение значительно меньше, чем^в условиях статических методов испытания.

120