Глава 2 стружкообразование при резании материалов

С физической точки зрения процесс резания материалов явля­ется процессом глубокого пластического деформирования и раз­рушения, сопровождаемый трением стружки о переднюю поверх­ность режущего клина и трением задней поверхности инструмента о поверхность резания, происходящих в условиях высоких давле­ний и скоростей скольжения. Затрачиваемая при этом механиче­ская энергия превращается в теплоту, которая, в свою очередь, оказывает большое влияние на закономерности деформирования срезаемого слоя, силы резания, износ и стойкость инструмента.

Образующаяся при резании стружка, являясь отходом произ­водства, несет основную информацию о закономерностях физиче­ских явлений, происходящих при резании, и их связи с условиями процесса резания, характеризуемыми свойствами обрабатываемого материала, геометрией инструмента, режимами резания и другими параметрами.

2.1. Деформации срезаемого слоя при свободном прямоугольном резании

Одно из первых исследований процесса стружкообразования выполнено русским ученым Иван Августович Тиме (1870 г.). Им, в частности, предложена классификация стружек, которая оказалась настолько удачной, что сохранилась в основном и до настоящего времени. Согласно этой классификации по внешнему виду и внутреннему строению при резании конструкционных сталей стружка бывает следующих типов: сливная, элементная, суставчатая и надлома.

Сливная стружка (рис. 2.1, а) представляет собой непрерыв­ную ленту, которая в зависимости от условий схода по передней поверхности инструмента может быть прямой, спиральной или в виде хаотических завитков. Прирезцовая сторона стружки I, при­легающая к передней поверхности инструмента, гладкая, блестя­щая, а внешняя сторона 2 - в виде мелких, постоянно чередую­щихся зубчиков. Цвет стружки в зависимости от температуры ре­зания изменяется от серебристо-белого и желтого до матово-серого и синего. Форма и размеры поперечного сечения стружки по всей длине по­стоянны, что свидетельствует о стабильности деформации, проис­ходящей при образовании такой стружки. Сливная стружка встре­чается при резании пластичных металлов в основном на больших скоростях, малых и средних подачах, а также при положительных передних углах инструмента.

Элементная стружка (рис. 2.1,6) (иногда ее называют струж­кой скалывания) состоит из отдельных элементов (кусочков) ме­талла 1, не связанных или слабо связанных между собой прирезцовым слоем. Каждый элемент стружки при его формировании претерпевает значительную деформацию и становится в 2...3 раза тверже по сравнению с исходной твердостью обрабатываемого материала. Вследствие этого срезаемый слой, проходя через так называемую поверхность скалывания mn, теряет свою пластич­ность и разрушается с определенной периодичностью. Элементная стружка образуется при резании хрупких металлов (чугун, бронза и др.), а также при резании на невысоких скоростях пластичных металлов, при больших толщинах срезаемого слоя, малых перед­них углах, высокой твердости обрабатываемых металлов и других условиях, затрудняющих пластическую деформацию.

Рис.2.1. Типы стружек, образующихся при резании металлов:

а - сливная; б - элементная; в - суставчатая; г - надлома

Суставчатая стружка (рис. 2.1, в) является переходной от элементной стружки к сливной. Она состоит из отдельных суставов 1, связанных между собой. Такой вид стружки часто встречается при резании высоколегированных сталей и титановых сплавов.

Стружка надлома (рис. 2.1, г) состоит из отдельных не связан­ных между собой кусочков, имеющих различные размеры и фор­му; она встречается при резании весьма хрупких материалов или некоторых металлов, склонных к налипанию на передние по­верхности инструментов. При этом скол отдельных кусочков ме­талла происходит по поверхности тп, часто располагаемой ниже поверхности резания.

На практике при резании пластичных металлов (сталей и сплавов) и особенно на высоких скоростях чаще всего встречается сливная стружка. Образование элементной стружки характеризу­ется периодическим изменением параметров процесса стружкообразования при формировании каждого элемента, что весьма за­трудняет его изучение. Поэтому сначала рассмотрим более про­стой и удобный для исследования процесс сливного стружкообразования при прямоугольном, свободном резании.

По схеме стружкообразования, предложенной И.А.Тиме, (рис. 2.2) срезаемый слой толщи­ной а превращается в стружку толщиной а₁ путем сдвига беско­нечно тонких слоев материала в плоскости OA, расположенной к плоскости резания под углом наклона условной плоскости сдви­га Ф («фи» большое). В результате деформации обрабатываемого материала при его переходе в стружку толщина последней а₁ становится больше толщины срезаемого слоя а, а ее длина l₁ - короче пути l, пройден­ного резцом. Это явление И.А. Тиме назвал усадкой стружки.

Главный недостаток схемы И.А. Тиме состоит в том, что она предполагает существование единственной плоскости, в которой происходит деформирование срезаемого слоя. В этом случае вусловной плоскости сдвига OA скорость перемещения частиц ма­териала должна изменяться мгновенно от скорости резания v до скорости перемещения стружки v₁, (v > v₁). Тогда в условной плос­кости сдвига OA должны иметь место бесконечно большие градиенты напряжения и ускорения, что противоречит законам механики.

Рис. 2.2. Схема образования стружки с условной плоскостью сдвига OA

Теоретические и экспериментальные исследова­ния, выполненные при обработке на микроскоростях, доказали сущест­вование переходной зоны между срезаемым припуском и струж­кой, которая имеет клинообразную форму (рис. 2.3), с начальной OL и конечной ОМ границами.

Было установлено, что процесс пластической деформации на­чинается впереди резца на границе OL, имеющей криволинейную форму, которая в некоторых случаях располагается даже ниже ли­нии среза. Степень деформации ε, рассчитанная путем измерения микротвердости в точках срезаемого слоя, от линии OL к линии ОМ возрастает сначала медленно, а затем в зоне АОМ с большей скоростью (здесь OA - условная плоскость сдвига, проведенная из вершины резца О в точку А пересечения наружных поверхностей заготовки и стружки) [14].

Однако, при резании на скоростях, применяемых на практике, усадка стружки уменьшается, а границы зоны 0L и ОМ поворачиваются по ходу часовой стрелки и сближаются, занимая соответственно положения 0L' и ОМ'. При этом толщина фактической зоны деформации в районе условной плоскости сдвига OA составляет десятые доли миллиметра.

Рис.2.3. Схема стружкообразования, характерная для обработки на микроскоростях

Сужение зоны деформации при резании объясняется тем, что с увеличением скорости резания от микроскоростей до скоростей, применяемых на практике, резко возрастает скорость деформации, вследствие чего происходит запаздывание пластических деформа­ций [22]. Это приводит к приближению границы OL к условной плоскости сдвига OA. При этом верхняя граница ОМ также при­ближается к условной плоскости сдвига OA, а толщина зоны де­формации АОМ резкоуменьшается.

Конечная степень деформации, рассчитанная по на основании экспериментальных данных, практически совпадает со степенью деформа­ции, рассчитанной по схеме с единственной плоскостью сдвига (см. рис. 2.2), что дает основание в дальнейших расчетах исполь­зовать последнюю как более простую и удобную. Однако учиты­вая существование переходной зоны, плоскость сдвига и угол на­клона плоскости сдвига в этой схеме, строго говоря, следует счи­тать условными.

Знание величины пластической деформации необходимо для расчета силовой и тепловой нагрузки режущего клина инструмен­та, а также производительности процесса резания.

Выше упоминалось, что при срезании припуска происходит утолщение и одновременно укорочение срезаемого слоя. Поэтому, если считать объемы срезаемого слоя и материала стружки равны­ми, т.е. alb = a₁l₁b₁ , то при b ~ b₁

где K_l - коэффициент продольной усадки (укорочения) стружки; К_а - коэффи­циент поперечной усадки (утолщения) стружки.

В дальнейшем термином «усадка стружки» будем обозначать коэффициент укорочения стружки К без указания индекса l.

Экспериментально усадку стружки можно просто и достаточ­но точно определить весовым способом, суть которого заключа­ется в следующем. Взвешивают кусок стружки и находят длину среза l, т.е. путь, который прошел инструмент при срезании стружки.

где w - объем срезаемого слоя; f - площадь срезаемого слоя; т - масса стружки; ρ - плотность обрабатываемого материала; s - по­дача; t - глубина резания.

Тогда усадка стружки

где l₁ - длина стружки, измеренная по ее прирезцовой стороне, т.е. по поверхности контакта стружки с инструментом.

Обычно коэффициент усадки К > 1 и при резании высокопла­стичных металлов его величина может достигать очень больших значений К ≥10.

Большое влияние на усадку стружки оказывают передний угол γ, скорость резания v и физико-механические свойства обрабатываемого материала. Подача s и глубина резания t на усадку стружки влияют незначительно.

Зависимость усадки стружки от переднего угла γ была найде­на И.А. Тиме (см. рис. 2.2):

После преобразования этого уравнения найдем величину угла наклона условной плоскости сдвига

Рис. 2.4. План векторов скоростей частиц материала, деформируемого при резании

На основании схемы стружкообразования с условной плоско­стью сдвига (см. рис. 2.2) можно получить новую характеристику процесса деформации - скорость сдвига Vф, т.е. скорость перемещения частиц обрабатываемого материала при деформации вдоль условной плоскости сдвига. Для этого построим план векто­ров скоростей (рис. 2.4). Здесь - вектор скорости резания,- вектор скорости сдвига,- вектор скорости стружки, сходящей по передней поверхности резца(v₁, = V/K, где К - коэффициент усадки стружки). При этом = + .

Используя теорему синусов, найдем

Из этой формулы следует, что

Так как v = v₁К, то

И.А. Тиме, предлагая свою схему стружкообразования (см. рис. 2.2), считал, что при усадке стружки К = 1 деформация материала при его переходе в стружку отсутствует. Однако под­ставив в уравнение (2.7) значения коэффициента усадки стружки К = 1 и переднего угла γ = 0, получим, что скорость сдвига

V_Ф = .Этосвидетельствует о том, что усадка стружки при v_Ф ≠ 0 не может служить количественным показателем степени деформации, так как при v_Ф ≠ 0 имеет место перемещение вдоль условной плоскости сдвига деформируемых частиц обрабатывае­мого материала.

Для нахождения количественного показателя степени дефор­мации стружки будем исходить из того, что разрушение материа­лов может происходить путем простого сдвига (рис. 2.5).

Результаты многочисленных исследований, выполненных в нашей стране и за рубежом, показали, что процесс деформирова­ния при резании материалов относится к простому сдвигу.

При простом сдвиге квадрат abcd превращается в равнове­ликий параллелограмм a₁b₁c₁d₁ с неизменными размерами осно­вания и высоты, т.е. деформация заключается в смещении всех точек тела в направлении только оси X, причем смещение каждой точки пропорционально ее расстоянию относительно оси X (рис. 2.5).

Рис.2.5. Схемы простого сдвига

Расстояние ΔS, на которое смещается при простом сдвиге верхняя граница относительно нижней границы, называется абсо­лютным сдвигом. Отношение расстояния ΔS к расстоянию между верхней и нижней границами Δh называется относительным сдвигом, и он служит мерой деформации

Используя схему деформации с условной плоскостью сдвига (см. рис. 2.2), найдем величину относительного сдвига при резании.

Рис. 2.6. Схема определения деформации относительного сдвига при резании материалов

На рис. 2.6 объем недеформированного срезаемого слоя пока­зан в виде параллелограмма oadf. При переходе резца из поло­жения I в положение II происходит деформация срезаемого слоя, в результате которой параллелограмм oadf полностью переходит в стружку и превращается в параллелограмм oaed. При этом линия fd займет положение de. Сопоставляя рис. 2.5 и 2.6, найдем, что ΔS = df, а Δh = ок. При этом относительный сдвиг

Величина DF = FK + KD = OKctgФ + OKtg(Ф + γ). Подста­вив DF в уравнение (2.9), получим

После преобразований это выражение может быть записано и в такой форме:

Далее найдем связь относительного сдвига ε с усадкой струж­ки к. Для этого подставим в (2.11) значение угла наклона услов­ной плоскости сдвига Ф, полученное по формуле (2.4), и после преобразований получим

Анализ уравнения (2.12) позволяет сделать следующие выводы.

1.Усадка стружки к в общем случае не равна относительному сдвигу ε и поэтому численно не выражает степень пластической деформации. При усадке к = 1 относительный сдвиг не равен ну­лю и может достигать больших значений.

2.Усадка стружки к может использоваться только как качест­венный показатель величины деформации. C увеличением усадки струж­ки к при данном значении переднего угла γ степень деформации возрастает. В то же время при одной и той же усадке стружки К,но при разных значениях переднего угла γ, величины относитель­ного сдвига ε имеют различные сильно отличающиеся значения.

3. Значение усадки стружки к, при котором имеет место ми­нимальное значение относительного сдвига ε для всех значений переднего угла γ, можно найти, приравняв нулю первую производ­ную уравнения (2.12):

Затем, решая это уравнение относительно к, определим, что минимум относительного сдвига ε будет иметь место в том случае, когда усадка стружки к = 1 при всех значениях переднего угла γ.

Относительный сдвиг при резании может быть определен также через скорость сдвига Vф из уравнений (2.8) и (2.11):

а скорость деформации – по формуле

Из этого уравнения следует, что на скорость деформации наибольшее влияние оказывает скорость резания v. При очень уз­кой зоне деформации Δh, которая составляет десятые доли милли­метра, скорость деформации достигает очень больших значе­ний. Например, при резании латуни резцом с углом γ = 17° и ско­ростью V = 250 м/мин скорость деформации = 2,4 • 10^-4 с^-1 [14].

Таким образом, при резании скорость деформации по сравне­нию с механическими испытаниями выше в 10⁶ раз, а степень деформации в несколько раз выше, чем при других видах пластиче­ской деформации. При этом деформация протекает при высоких температурах и давлениях на передней поверхности режущего клина.

Отсюда можно сделать вывод о том, что процесс резания металлов является процессом глубокой пластической деформации, протекающей в экстремальных условиях. Поэтому многие законо­мерности этого процесса в настоящее время не могут быть уста­новлены чисто теоретически и являются результатом экспериментально-теоретических исследований.