2.2. Напряжения и силы при стружкообразовании

Изучение связи напряжений и деформаций, имеющих место при резании материалов, позволяет по величине степени деформа­ции определять силу резания и ее составляющие, уровень нагрузки па механизмы станка, а главное, силовую и тепловую нагрузку на отдельные части инструмента, установить закономерности износа инструмента и другие важные характеристики процесса резания в ич связи с параметрами режима резания v, s, t.

Используя схему резания с условной плоскостью сдвига (см. рис. 2.2), рассмотрим схему силового взаимодействия инструмента с обрабатываемым материалом, представив ее в сечении плоскостью, перпендикулярной к режущей кромке (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Схемы силового взаимодействия режущего клина с обрабатываемым материалом

С момента начала контакта инструмента с заготовкой на пе­редней поверхности инструмента возникает сила резания (стружкообразования) r, которую можно представить как геометриче­скую сумму сил нормального давления n и трения f.

r = n + f .

В этом случае угол η между силами N и F - угол трения, а tg η = F/ N = μ - коэффициент трения.

Действие силы r на стружку вызывает появление напряжений в условной плоскости сдвига oa, для определения величины кото­рых перенесем силу резания r в точку пересечения с условной плоскостью сдвига и разложим ее на составляющие P_τ, действую­щую вдоль этой плоскости, и P_n, перпендикулярную к ней (рис. 2.7). Тогда составляющая

где τ - касательное напряжение на условной плоскости сдвига; f_c - площадь сдвига,

f_c = ; а, b - соответственно толщина и ширина срезаемого слоя.

Рис. 2.8. Напряжения в условной плоскости сдвига

Составляющая

где σ_N - нормальное напряжение сжатия на условной плоскости сдвига.

Многочисленные эксперименты показали, что независимо от условий резания (обрабатываемый материал, скорость резания, толщина и ширина срезаемого слоя, передний угол инструмента) распределение касательного напряжения τ по длине условной плоскости сдвига примерно равномерное (рис. 2.8).

Распределение нормальных напряжений σ_N имеет более слож­ный характер и зависит от степени деформации и режима резания. Так, например, при малой степени деформации (резание на микро­скоростях с большим передним углом) нормальные напряжения вдоль условной плоскости сдвига ОА могут принимать положительные и отрицательные значения. При больших степенях деформации и применяемых на практике скоростях резания нор­мальное напряжение σ_N имеет положительное значение и распре­деляется примерно так же равномерно, как и касательное напря­жение. Влияние нормального напряжения σ_N на величину касательного напряжения τ экспериментально не установлено [14].

Рис. 2.9. Типичная кривая пластического течения:

1 - упрочняющийся материал; 2 - идеально пластичный материал

Наибольший интерес для практики представляют вопросы влияния на величину касательного напряжения τ упрочнения об­рабатываемого материала в процессе его деформирования, а также температуры резания и скорости деформирования.

Известно, что при пластическом деформировании большинст­во металлов склонно к упрочнению, и поэтому по мере увеличения степени деформации е, нормальное напряжение σ_i, растет по ти­пичной кривой 1, представленной на рис. 2.9.

Эти кривые аппроксимируют для различных схем пластиче­ского деформирования степенной функцией

где В - коэффициент, зависящий от предела текучести ст^ деформи­руемого материала; е, - степень деформации; n - показатель степени упрочнения материала.

Применительно к процессу резания при плоском деформиро­ванном состоянии уравнение (2.20) можно заменить зависимостью

где τ - касательное напряжение; ε - относительный сдвиг.

Н.Н. Зорев предложил рассчитывать среднее значение касательных напряжений при ре­зании по приближенной эмпирической зависимости [10, 22]:

где А_2,5 - сопротивление сдвигу при механических испытаниях для деформации относительного сдвига s = 2,5.

А. М. Розенберг и Л.А. Хворостухин экспериментально уста­новили следующую зависимость между твердостью стружки по Виккерсу HV и средним касательным напряжением в зоне струж­кообразования при резании сталей, чугуна, меди и алюминия [28]:

Эксперименты показали, что влияние температуры на сниже­ние среднего касательного напряжения при резании предваритель­но нагретого металла становится заметным, если температура пре­вышает 700 °С. Исключение составляет сталь 110Г13Л, при реза­нии которой касательное напряжение т резко падает, начиная с температуры более 600 °С.

Влияние скорости деформации на повышение напряжения сдвига было доказано экспериментально только при резании лег­коплавких металлов (свинца, алюминия). При резании металлов с большей температурой плавления (сталь, медь и др.) это влияние отсутствует [28].

По данным зарубежных исследователей (Е.М. Trent, E.J. Amini и др.) [33] при изменении в широком диапазоне скорости и по­дачи напряжение сдвига при резании металлов и сплавов изменя­ется весьма незначительно. Значения этого напряжения не более чем на 10 % отличаются от напряжений сдвига тех же материалов, измеренных при стандартных лабораторных механических испы­таниях при соответствующих величинах деформаций. Примерные значения напряжений сдвига τ, измеренные с помощью динамо­метра, при резании ряда материалов приведены в табл. 2.1 [33].