книги из ГПНТБ / Резание конструкционных материалов, режущие инструменты и станки учебник

фотосъемку, динамометрирование и т. п.), Я. Г. Усачев определил границы зоны деформированного металла, обтекающего режущую часть инструмента, дал объяснение процессу образования нароста, разработал оригинальные конструкции термопар и динамометров, установил характер изменения текстуры металла при образовании различных типов стружек и провел целый ряд экспериментальных исследований, представляющих значительный интерес и в настоя­ щее время.

Большую роль в исследованиях физических явлений и разви­ тии теории резания сыграли работы советских и зарубежных уче­ ных. Много работ по физике резания проведено в США, Англии, Японии, Германии, Польше, Венгрии, Чехословакии и других странах.

В современных исследованиях процесса резания широко ис­ пользуются достижения физико-химических наук (теории дислока­ ций, пластичности, разрушения, теплопередачи и др.) и современ­ ная аппаратура для экспериментальных исследований (скорост­ ные кинокамеры, ЭВМ, рентгенография, электронные микроскопы и другие приборы). Применяются методы теории планирования эксперимента и математической статистики для разработки реко­ мендаций по высокопроизводительной и рациональной обработке резанием.

§ 3. Деформирование и разрушение материалов при резании

При внедрении инструмента в заготовку возникает область деформированного материала. Деформации распространяются впе­ реди инструмента, в деталь и в стружку. Размеры деформированной области и характер стружкообразования зависят от свойств обра­ батываемого материала и условий резания (рис. II.3, в). Если при обтекании клина материалом образуется сплошная стружка без разрывов и больших трещин, то в этом случае она называется сливной стружкой. Такой тип стружки чаще всего образуется при резании вязких, пластичных материалов (рис. II.3, е — 1). В том случае, когда при резании пластичных материалов имеет место интенсивное трещинообразование, происходит полное раз­ деление стружки на элементы, имеющие определенную правиль­ ную форму и последовательность образования, такой тип стружки называется элементной стружкой, или стружкой скалывания

(рис. II.3, е — 3).

Очень часто при резании пластичных материалов образуются стружки, не имеющие четко выраженных признаков сливных или стружек скалывания. При их образовании не происходит полного разделения на элементы и трещины заканчивают свое развитие в толще деформированного материала, не выходя на его наруж­ ную поверхность. Такие стружки называются суставчатыми

(рис. II.3, е — 2).

20

При резании хрупких материалов (чугуна, бронзы, керамиче­ ских материалов и др.) происходит вырывание отдельных частиц поверхностного слоя заготовки режущей частью инструмента. Так как пластического деформирования почти не происходит, то эле­ менты стружки, образующиеся в процессе хрупкого разрушения, не имеют правильной формы. Обработанная поверхность шерохова­ тая с зазубринами и вырывами. Такой тип стружек носит название стружек надлома (рис. 11.3, е — 4).

Внешний вид стружки в известной степени характеризует про­ цессы деформирования и разрушения, происходящие при резании разных материалов и при различных условиях обработки. Изме­ няя условия резания и состояние материала, можно при его обра­ ботке получать различные типы стружек. Так, например, при реза­ нии меди с глубоким охлаждением можно получить стружки над­ лома, а при резании с подогревом твердых и хрупких материа­ лов — стружки скалывания и даже сливные. При резании неко­ торых современных материалов, применяющихся в технике, например таких, как: высокопрочные и тугоплавкие сплавы, неметаллические, полимерные и композиционные материалы, образуются стружки, по своей форме и внешнему виду значительно отличающиеся от вышеперечисленных.

Усилиями отечественных и зарубежных ученых, привлекающих основные положения физики твердого тела, теорий разрушения, трещинообразования, дислокаций, трения и теплопередачи, уда­ лось значительно расширить представления о макро- и микропро­ цессах, происходящих при образовании различных типов стружек и формировании поверхностного слоя деталей.

Большинство твердых тел (металлы, диэлектрики и полупро­ водники), подвергающихся обработке резанием, имеет кристалл'и- ческое строение, характеризующееся трехмерной периодичностью расположения атомов (объемно-центрированная кубическая, гра­ нецентрированная кубическая и гексагональная плотноупакован­ ная кристаллическая решетки). Идеальные (совершенные) кри­ сталлы представляют собой бесконечную совокупность атомов, пе­ риодически расположенных в пространстве. Все реальные кри­ сталлы имеют несовершенства строения: точечные, линейные, по­ верхностные и объемные дефекты, локально нарушающие правиль­ ное расположение атомов. Эти дефекты играют очень важную роль в определении свойств кристаллов, а также поведении поликристаллических тел под нагрузкой (рис. II.4).

Точечные дефекты, возникающие при удалении одного атома из узла кристаллической решетки, носят название вакансий в от­ личие от внедренных атомов — дефектов, возникающих при внед­ рении «лишнего» атома в решетку.

Линейные дефекты, нарушающие правильное чередование атомных плоскостей в кристаллических решетках (в пределах од­ ного или нескольких межатомных расстояний), называются дис­ локациями. Дислокации различной формы всегда образуются

21

в процессах кристаллизации, пластического деформирования, воз­ никновения концентраций напряжений, при больших направлен­ ных термических нагрузках и при облучении материала частицами высоких энергий.

Существуют прямые и косвенные методы, позволяющие наб­ людать отдельные дислокации и их структуру: рентгеновский, электронно-микроскопический, методы травления и др. Присут­ ствие дислокаций изменяет условия дпффракции рентгеновских лучей или потока электронов, а также химическую активность металлов вблизи дефектов.

Рассматривают статические дислокации (неизменные во вре­ мени) и динамические, изменяющиеся со временем. Движение и

Рис. II.4. Зависимость сопротивления деформации т от числа дефектов р:

і — идеальные бездефектные кристаллы (проч­ ность близка к теоретической); г — монокристаллические «усы» (прочность металличе­ ских нитевидных «усов» ов 10 кге/мм2

(=к 9810 МПа); 3 — кристаллы с малым чис­ лом дефектов (р2 — минимальная плотность дислокаций = 10’—10е на 1 см2); 4 — упроч­ ненные (наклепанные легированные, термо­ обработанные) кристаллы — р4 1010 4- 1012

дислокаций на 1 см2

размножение дислокации приводит к элементарным актам пласти­ ческой деформации, а их взаимодействие в основном определяет совокупность механических свойств материалов. Если пластиче­ ская деформация происходит путем скольжения, то при этом одна часть кристалла перемещается относительно другой вдоль опре­ деленной, плотноупакованной атомами плоскости скольжения *.

При высоких скоростях нагружения пластическая деформация может осуществляться двойиикованием — перемещением атомов на расстояния, меньшие межатомных. В этом случае кристаллическая решетка в деформированной области является зеркальным изобра­ жением решетки недеформированной области. Плоскость, раз­ деляющая эти решетки, называется плоскостью двойникования.

Для того чтобы в кристалле происходила пластическая дефор­ мация, необходимо последовательное движение очень большого числа дислокаций. Например, если кристалл деформирован на 1 %, то через него должны полностью пройти около 3 • ІО5 дислокаций.

Впроцессе деформирования реальных кристаллов число дислока­

*В одном кпадратном сантиметре плоскости скольжения находится около ІО14 атомов.

22

ций (плотность), пересекающих площадь в 1 см2, доходит до ІО8— ІО12. В то же время плотность вакансий упрочненного металла до­ ходит до ІО9—ІО20 в 1 см3. Дислокация не может оборваться внутри кристалла. Она должна выйти на свободную поверхность, встре­ чаться с другими дислокациями или замыкаться сама на себя. Обычно вокруг дислокаций существуют поля напряжений и воз­ никают силы взаимодействия. Например, в ионных кристаллах воз­ никновение дефектов нарушает равновесие положительных и отри­ цательных ионов и дислокации приобретают электрический заряд.

С помощью теории дислокаций можно объяснить механизмы упрочнения и разупрочнения материалов, механические свойства металлов (величины пределов упругости, текучести и прочности), процессы старения и синеломкости сталей, процессы внутреннего трения, усталости и ползучести металлов, а также разработать рекомендации по повышению прочности материалов и, наоборот, по организации их направленного разрушения при обработке резанием.

В поликристаллических телах одновременно с внутрикристал­ лической деформацией происходит межкристаллическая (относи­ тельное скольжение и поворот зерен, дробление их на отдельные блоки, разрушение по границам зерен и др.). При повышении тем­ пературы межкристаллические связи ослабляются и разрушение материалов происходит не только внутри зерен, но и но их гра­ ницам. Изучение механизмов деформации показывает, что для ре­ альных поликристаллических материалов очень трудно создать формулы связи «напряжения — деформации — время — темпе­ ратура». Поэтому для описания процесса деформации и разруше­ ния при резании материал заготовки рассматривают как сплош­ ное, изотропное тело с усредненными физико-механическими свой­ ствами.

Стружкообразование и формирование поверхностного слоя необходимо изучать совместно, как единый процесс деформирова­ ния и разрушения материала при резании. Анализ микрофотогра­ фий корней сливных стружек и кадров киносъемок (рис. 11.5) показывает, что их образование представляет собой установив­ шийся процесс пластического течения. При обтекании режущего клина часть деформированного материала перемещается по перед­ ней поверхности, превращаясь в стружку, а другая часть ниже линии среза — по задней поверхности и образует поверхностный слой детали (см. рис. II.3, в). Условно, во всем деформированном объеме можно выделить несколько зон, имеющих различные ха­ рактеристики напряженно-деформированного состояния мате­ риала.

П е р в а я з о н а (/) — наиболее удаленная от режущей части инструмента — зона упругих и малых пластических дефор­ маций. Здесь зерна металла слегка вытягиваются и поворачи­ ваются, появляется текстура. Возникает сложнонапряженное состояние, напряжения достигают величины предела текучести.

23

Нижняя граница зоны может быть определена путем анализа микрошлифа корня стружки или по искажению координатной сетки, предварительно нанесенной на поверхность образца. Верх­ няя граница зоны представляет собой поверхность, являющуюся геометрическим местом точек максимальных скоростей деформа­ ций (см. рис. П.З).

В т о р а я з о н а (II) — зона наибольшей интенсивности деформации. Зерна металла максимально удлиняются, сжимаются, поворачиваются и перемещаются. Образуется четкая текстура,

Рис. II.5. Микрошлиф корня сливной стружки жаропроч­ ного сплава ХН77ТЮР (ЭИ437Б)

имеющая разный характер по толщине зоны. В контактной об­ ласти происходит дополнительное деформирование вследствие торможения материала при трении о переднюю и заднюю поверх­ ности инструмента, а также частичного смятия округленной режу­ щей кромкой.

В том случае, когда контактные температуры доходят до ве­ личин, близких к температуре плавления, на контактной поверх­ ности стружки образуется тонкий сильно деформированный и оплавленный слой. Внутренняя поверхность сливной стружки всегда гладкая и покрыта пленкой окислов (появляются цвета побежалости).'

Переход обрабатываемой поверхности в наружную поверхность стружки происходит плавно со значительным радиусом кривизны, зависящим от величины переднего угла у и толщины срезаемого слоя. Эта переходная поверхность всегда шероховатая, покрыта трещинами и зазубринами, не имеющими определенной законо­ мерности расположения.

Верхнюю границу второй зоны можно определить по микро­ шлифу корня стружки или по искажению координатной сетки. Расположение верхней границы зависит от скорости резания, длины контакта, толщины срезаемого слоя, свойств обрабатывае­ мого материала и условий резания. Выше этой границы материал полностью отдеформирован и переходит в стружку. Напряженно­ деформированное состояние материала во второй зоне характери­ зуется наличием больших (конечных) пластических деформаций,

уменьшением скоростей деформаций е, увеличением интенсивно­ стей деформаций е; и напряжений сц. Величины деформаций в не­ которых случаях могут достигать 200—300% и более.

Вблизи режущей кромки материал значительно упрочняется (плотность дислокаций доходит до ІО12 см2), возникает сетка микро­ трещин, которые, ветвясь и сливаясь, образуют макротрещины критических размеров. Происходит разрыв вытянутых волокон материала у вершины режущего клина, и длина трещины стано­ вится соизмеримой с толщиной срезаемого слоя. Дальнейшее раз­ витие трещины происходит по нестабильной траектории, направ­ ление которой определяется свойствами обрабатываемого мате­ риала, величиной зерна, состоянием границ зерен и условиями резания. В том случае, когда при резании пластичных материалов трещина выходит на наружную поверхность второй зоны, обра­ зуются стружки скалывания. При образовании стружек надлома происходит хрупкое разрушение и трещина, распространяясь с большой скоростью (близкой к скорости звука), полностью от­ деляет элемент стружки от основного материала. Распространение трещин ниже линии среза приводит к появлению на обработанной поверхности вырывов, выступов и зазубрин, значительно снижаю­ щих работоспособность деталей.

Т р е т ь я з о н а (III) — полностью отдеформированный ма­ териал, переходящий в стружку. Приращения деформации не происходит, скорость деформации ё = О, величины деформаций достигают максимальных значений. При своем дальнейшем движе­ нии сливные и суставчатые стружки перестают соприкасаться

спередней поверхностью режущего инструмента и могут сходить

ввиде прямолинейной ленты, завиваться в спираль или дробиться специальными устройствами. При этом происходит дополнительное деформирование материала стружки и ее разрушение.

Ч е т в е р т а я з о н а (IV) — поверхностный слой обрабо­ танной детали. Напряженно-деформированное состояние в нем возникает вследствие перетекания деформированного материала из первой зоны, дополнительного смятия материала округленной режущей кромкой и деформирование его силами трения при кон­ тактировании с задней поверхностью инструмента. После снятия нагрузки, когда материал перестает соприкасаться с задней по-^, верхностью, поверхностный слой детали испытывает упругое вос­ становление (упругое последействие hy). В наибольшей степени это явление имеет место при резании упругих полимерных и неметал­

25

лических материалов, а также некоторых марок легированных сталей, жаропрочных и титановых сплавов. Обработанная по­ верхность имеет сложный геометрический характер, а поверхност­ ный слой детали обладает особыми физическими свойствами, зна­ чительно отличающимися от свойств материала заготовки.

Рассмотрим основные характеристики состояния обработанной поверхности и поверхностного слоя детали.* От качества поверх­ ностного слоя зависят: прочность деталей, особенно при знако­ переменных нагрузках, прочность прессовых и стабильность под­ вижных посадок, износостойкость, коэффициент трения, корро­ зионная прочность, оптические и химические свойства. Качество поверхности характеризуется шероховатостью и физико-механи­ ческими свойствами металла, образующего поверхностный слой деталей.

Рис. II.6. Профилограмма обработанной поверхности

Ш е р о х о в а т о с т ь обработанной поверхности регламен­ тируется ГОСТ 2789—59. Шероховатость оценивают средним ариф­ метическим отклонением точек профиля R a или высотой неровно­ стей R z, измеренными на определенной базовой длине. В ряде слу­ чаев, кроме R a и R z, важное значение имеют форма неровностей и их шаг (от них зависит величина опорной поверхности). Для 6—12-го классов чистоты основной является шкала 7?а, а для 1—5 и 13—14-го классов — шкала R z. Под величиной R a пони­ мается среднее значение расстояний точек измеренного профііля до его средней линии, а R z — среднее расстояние между находя­ щимися в пределах базовой длины L пятью высшими точками вы­ ступов и пятью низшими точками впадин, измеренное от линии, параллельной средней линии (рис'. II.6):

* При исследовании процесса резания обычно пользуются обобщенным термином «качество поверхности».

26

Различают шероховатость в продольном и поперечном направ­ лениях. Поперечная шероховатость измеряется в направлении, перпендикулярном к следам обработки по толщине срезаемого слоя, а продольная — вдоль следов обработки по ширине срезае­ мого слоя. Обычно поперечная шероховатость по величине превы­ шает продольную и является определяющей. Для оценки шерохо­ ватости поверхности в СССР разработаны щуповые приборы: профилографы-профилометры, калибр 201, профилометр ПЧ-3, профилограф ИЗП-5, а также оптические приборы: двойной микро­ скоп МИС-11, микроинтерферометры МИИ-1, МИИ-4 и микроскоп сравнения МС-48. На величину шероховатости значительное влия­ ние оказывают: скорость резания, толщина и ширина срезаемого слоя, свойства обрабатываемого материала и другие условия реза­ ния (рис. II.7). При резании малопластичных материалов, таких

Рис. II.7. Влияние скорости резания и смазочно-охлаждаю­ щих веществ на величину ше­ роховатости Пг (материал сталь 35):

1 — без охлаждения; 2 — веретен­ ное мало; з — вода; 4 — четырех­ хлористый углерод

4<ак чугун, твердая бронза, сплавы на основе титана, вольфрама, скорость резания оказывает малое влияние на шероховатость обра­ ботанной поверхности. Ухудшение качества поверхности при из­ носе инструмента вызвано ростом радиуса округления режущей кромки р (см. рис. II.3, в), приводящее к увеличению упругого восстановления hy и объема пластически деформированной зоны. Шероховатость поверхности стальных деталей существенно зави­ сит от микроструктуры материала. Например, величина R z тем больше, чем больше свободного феррита в структуре, а увеличение содержания углерода и легирующих элементов способствует умень­ шению R z. При резании конструкционных пластмасс (фторопла­ ста, капрона, винипласта и др.) шероховатость поверхности нахо­ дится в пределах 4—6-го классов (в зависимости от свойств ма­ териала, геометрии инструмента и режимов резания).

Необходимо различать: а) так называемую «технологическую шероховатость» обработанной поверхности, связанную с кинемати­ ческой схемой резания и жесткостью оборудования, формой режу­ щей части инструментов и ее геометрическими параметрами, и б) мнкронеровности и субмикронеровности, возникающие на по­ верхности резания и обработанной поверхности, зависящие от свойств материала, характера разрушения поверхности (ветвление и слияние трещин), шероховатости режущей кромки и поверхно­ стей режущего клина и т. и.

27

поверхностного слоя деталей при резании материалов представ­ ляет собой комплекс сложных физических явлений. Исследования­ ми советских ученых установлено, что процессы стружкообразования и формирования поверхностного слоя взаимосвязаны: все факторы, ведущие к облегчению процесса стружкообразования и уменьшению объема пластической деформации срезаемого слоя, обычно вызывают улучшение качества обработанной поверхности.

Физико-механические свойства поверхностного слоя оценивают глубиной hHK и степенью N наклепа, величиной и знаком остаточ­ ных напряжений, микроструктурой, плотностью дислокаций,

Изменение степени пластической деформации срезаемого слоя при увеличении скорости резания ѵ вызывает соответствующее из­ менение наклепа обработанной поверхности. При более высоких скоростях резания глубина наклепа снижается. При износе инст­ румента возрастают силы N 2 и F2 (см. рис. II.3, б) и поэтому уве­ личивается наклеп поверхностного слоя. Степень наклепа очень сильно зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала. Нержавеющие, жаропрочные стали и другие пластич­ ные материалы обладают большой склонностью к наклепу.

Важной характеристикой физического состояния поверхност­ ного слоя является величина и знак остаточных напряжений. При наличии в поверхностном слое сжимающих остаточных напряже­ ний предел выносливости деталей обычно повышается, а остаточ­ ные напряжения растяжения понижают предел выносливости. Для сталей, обладающих высокой твердостью, повышение уста­ лостной прочности в результате действия сжимающих напряжений достигает 50%, а снижение ее за счет растягивающих напряже­ ний ~ 30%.

Остаточные напряжения при резании металлов образуются в результате неравномерности пластической деформации и значи­ тельного нагрева поверхностных слоев. Кроме того, при высоких температурах резания могут происходить структурные превраще­ ния.

Сущность образования остаточных напряжений состоит в сле­ дующем. Сила F2 (см. рис. II.3, б) вызывает пластическое растяже­ ние верхних слоев, а слои, лежащие ниже, получают упругую деформацию растяжения (см. рис. II.3, г). После прохода резца упругорастянутые слои стремятся сжаться, но этому препятст­ вуют верхние слои, претерпевшие необратимую пластическую деформацию. В результате внутренние слои останутся частично

28

растянутыми, а в верхнем слое возникнут остаточные напряжения сжатия. Под действием второго фактора — нагрева теплом, иду­ щим в деталь, — верхние слои стремятся удлиниться, но этому оказывают сопротивление нижние более холодные и в поверхност­ ном слое появляются напряжения сжатия. При достаточно интен­ сивном нагреве эти напряжения могут превзойти предел текучести и поверхностные слои окажутся пластически сжатыми. При охла­ ждении во внутренних слоях возникают остаточные напряжения сжатия, а на поверхности — напряжения растяжения.

Результирующая эпюра остаточных напряжений зависит от

I — напряжения, взаимно-урав-

новешивающиеся в объеме деформируемого тела, II — напряже­ ния, взаимноуравновешивающиеся в объеме нескольких зерен и III — напряжения, взаимно-уравновешивающиеся внутри отдель­ ного зерна.

Характер и величина остаточных напряжений зависят от условий обтекания деформируемым металлом вершины режущего инструмента. При работе в зоне наростообразования (см. § 5) на величину и характер эпюры остаточных напряжений влияют раз­ меры нароста и форма его вершины. Остаточные напряжения сжа­ тия в тончайшем поверхностном слое (до 0,01 мм) зависят от усло­ вий трения металла о заднюю поверхность, а растягивающие на­ пряжения — от условий течения металла при переходе его в по­ верхностный слой. При повышении скорости резания остаточные напряжения растяжения уменьшаются и могут менять знак; аналогичный эффект вызывает уменьшение переднего угла у. Остаточные напряжения растут при увеличении толщины срезае­ мого слоя. Сжимающие остаточные напряжения в поверхностном

20