Основные понятия и термины

Кинематическая схема резания, основная плоскость, главное движение, плоскость резания, движение подачи, главная секущая плоскость, обрабатываемая поверхность, рабочая плоскость, обработанная поверхность, статические углы, поверхность резания, кинематические углы, рабочая часть инструмента, главный передний угол, лезвие инструмента, главный задний угол, передняя поверхность, угол заострения, задняя поверхность, главный угол в плане, режущая кромка, вспомогательный угол в плане, координатная система, угол наклона главной режущей кромки. Главное движение резания, движение подачи, элементы резания, глубина резания, подача, скорость резания, сечение срезаемого слоя, ширина срезаемого слоя, толщина среза, площадь номинального сечения, действительная площадь среза, главная режущая кромка, вспомогательная режущая кромка, свободное резание, осложненное резание, прямоугольное резание, косоугольное резание, главный угол в плане, вспомогательный угол в плане.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое кинематическая схема резания? Каковы движения, совершаемые заготовкой и резцом при продольном точении?

2. Дайте определения рабочих поверхностей и режущих кромок резца.

3. В чем разница между статической и кинематической системами координат? Какие координатные плоскости входят в их состав?

4. Дайте определение геометрических параметров резца. Какое влияние они оказывают на процесс резания и качество обработанной поверхности?

5. Каково влияние угла наклона главной режущей кромки на направление схода стружки?

6. Почему величины углов инструмента в процессе резания отличаются от величин углов статических?

7. Как влияет погрешность установки резца на величину переднего и заднего углов его лезвия?

8. Что такое кинематическая схема резания?

9. Дайте определения главного движения резания и движения подачи.

10. Какие элементы составляют режим резания?

11. Как подсчитать скорость резания при точении?

12. Какими могут быть направления движения подачи при точении, строгании и долблении?

13. Дайте определения подачи и глубины резания.

14. Как влияют главный угол в плане и радиус закругления при вершине резца на соотношение ширины и толщины среза?

15. Какое резание называется свободным и осложненным, прямоугольным и косоугольным?

Гл а в а 3. Процесс образования стружки при резании

3.1. Пластические деформации материалов при резании

Деформацией называется процесс изменения формы тела под действием сил или каких-либо физико-химических явлений (теплоты, электромагнитного поля, диффузии).

При упругом деформировании сталей условные относительные удлинения составляют величины порядка 10^–3…510^–3 (т.е. пренебрежимо малы по сравнению с единицей), а при пластическом деформировании (в условиях резания) относительное удлинение может достигать нескольких десятков единиц, превысив величину упругих деформаций в 10⁴…10⁵раз. Следовательно, можно пренебречь упругой деформацией и рассматривать процесс резания металлов как процесс их локализованной пластической деформации, доведенной до разрушения.

Внешним проявлением пластической деформации является необратимое изменение формы тела. Наиболее часто пластическая деформация обусловлена процессом скольжения, характеризующимся смещением одной части тела относительно другой вдоль определенных кристаллографических плоскостей (плоскостей скольжения). Процесс пластической деформации начинается с того момента, когда компонента касательного напряжения в плоскости скольжения достигает некоторого критического значения – предела текучести при сдвиге.

Пластичность и механические свойства металлов при их пластическом деформировании меняются. Если к образцу приложена постоянная нагрузка, вызывающая на плоскости скольжения касательное напряжение, равное пределу текучести τ_т, но не превышающее его, то пластическая деформация остановится в самом начале, и для ее продолжения потребуется увеличение действующих напряжений, т.е. увеличение нагрузки.

Увеличение сопротивления пластической деформации с ростом величины самой пластической деформации называется упрочнением. Происходит это за счет изменения формы и размеров кристаллов, межатомных расстояний, за счет нарушения равновесия атомных сил. Упрочнение также проявляется в том, что пластичность деформированного металла уменьшается, а на какой-то стадии упрочнения запас пластичности исчерпывается и металл переходит в хрупкое состояние.

Упрочнение как эффект холодной пластической деформации может быть анулированно в результате рекристаллизации и отдыха (разупрочнения) металла.

Рекристаллизациейназывается полное изменение кристаллической структуры вещества, полученной после пластической деформации при нагреве. Оно проявляется в виде образования зародышей, вырастающих впоследствии в новые кристаллы.

Рекристаллизация начинает совершаться при нагреве до вполне определенной для каждого металла температуры, называемой температурой рекристаллизации.

Отдых– это процесс полного или частичного снятия эффектов от холодной пластической деформации металла, не сопровождающийся изменением кристаллической структуры образца. Скорость отдыха зависит от температуры, и наиболее быстро отдых происходит при температурах, близких к темпере рекристаллизации.

Отдых происходит уже в процессе самой пластической деформации и всегда в большей или меньшей степени снижает эффект упрочнения. Поэтому следует иметь в виду, что механические свойства металла после его пластической деформации отражают результат двух происходящих в момент деформации противоположных процессов- упрочнения и разупрочнения.

Сопротивление металла пластической деформации зависит от скорости деформации и температуры. При низкой скорости деформации для проявления отдыха будет достаточно времени, часть упрочнения будет уменьшенна, и сопротивление металла пластической деформации (напряжение) будет снижено. При высокой скорости деформации отдых проявляется лишь в незначительной степени, большая часть упрочнения сохранится, а сопротивление пластической деформации останется высоким.

При низких температурах отдых происходит медленно, с увеличением температуры скорость отдыха увеличивается. В связи с этим при различных температурах влияние скорости деформации на напряжение будет различным. При низких температурах испытания отдых осуществляется медленно, поэтому влияние скорости деформации на напряжение будет незначительным.

При повышении температуры в связи с возрастанием скорости отдыха влияние скорости деформации становится более заметным: возникает существенная разница между напряжениями при малых скоростях деформации (сильно сниженным отдыхом) и напряжениями при больших скоростях (несниженным отдыхом). При высоких температурах, когда отдых металла происходит весьма быстро, различие между напряжениями при высоких и низких скоростях деформации вновь становится несущественным.

Таким образом, с увеличением скорости деформации сопротивление металлов пластической деформации возрастает, но влияние скорости будет максимальным при некоторой температуре испытаний, обычно близкой к температуре рекристаллизации испытываемого металла, и уменьшается с повышением и понижением температуры.

Механические свойства металлов, проявляемые в условиях пластической деформации, в значительной мере зависят от окружающей среды. Исследованиями П.А. Ребиндера, В.И. Лихтмана и др.установлено, что адсорбция поверхностно-активных веществ (ПАВ) из окружающей среды на металлической поверхности вызывает облегчение деформации и разрушения твердого тела. Поверхностно-активными называются вещества, которые, будучи примешаны к жидкости, уменьшают ее поверхностное натяжение и вследствие этого обладают сильным молекулярным сцеплением с металлической поверхностью (металлофильностью). Последнее упрочняет связь жидкости с металлом, т.е. усиливает ее маслянистость. Происходит это за счет расклинивающего действия жидкостной среды и содержащихся в ней ПАВ, проникающих в дефекты структуры микротрещины, всегда присущие реальному твердому телу.

В теории деформации различают малые и большие (конечные) деформации.

Малая деформация– деформация, при которой удлинения и сдвиги, выраженные в процентах, малы по сравнению со 100% (обычно менее 10%).

Конечная деформацияможет достигать многих сотен процентов. В резании металлов нас интересуют преимущественно большие, т.е. конечные деформации.

Пластическая деформация является следствием того, что отдельные частицы некоторого материального объема получают движение с различными скоростями. В результате расстояния между частицами этого объема изменяются: они смещаются относительно друг друга. При этом волокна тела удлиняются (или сокращаются), т.е. получают линейную деформацию (рис. 3.1) или поворачиваются относительно друг друга, т.е. получают угловую деформацию (рис. 3.2).

Рис. 3.1. Линейная деформация Рис. 3.2. Угловая деформация

Различными характеристиками величины конечной пластической деформации являются:

• условное относительное удлинение δ, которое характеризует абсолютное удлинение волокна du, отнесенное к его первоначальной длине:

,

– истинный сдвиг g, являющийся суммой тангенсов бесконечно малых изменений первоначально прямого угла между ортогональными слоями (волокнами), с учетом того, что последний строится заново в каждый момент деформации;

• условный относительный сдвиг g_о, характеризующий изменение угла между двумя первоначально ортогональными волокнами;

• истинное удлинение е, характеризующее интегральную сумму бесконечно малых удлинений волокна, отнесенных к его длине в данный момент деформации:

где е часто называют логарифмической деформацией.

Однородное напряженное состояние (деформация) – состояние, при котором напряжения (деформации) в различных точках тела являются одинаковыми по величине и направлению. Любую однородную конечную деформацию, возникшую под действием однородного напряженного состояния, можно представить как сложение в том или ином сочетании следующих трех основных видов деформированного состояния (трех схем деформации):

1) трехосной (объемной) деформации: а) по типу растяжения (в одном направлении деформация растяжения, в двух других – сжатие); б) по типу сжатия (в двух направлениях деформация растяжения, в одном – сжатие);

2) двухосной (плоской) деформации чистого сдвига;

3) двухосной (плоской) деформации простого сдвига.

Деформация чистого сдвигаскладывается из равномерного растяжения в направлении одной оси и равномерного сжатия вдоль другой оси, перпендикулярной первой. При этом объем деформируемого тела остается неизменным, а некоторый ромбABCDпри деформации трансформируется в ромбA′B′C′D′,в котором острые углы стали тупыми и, наоборот, тупые – острыми (рис 3.3).

Рис. 3.3. Схема деформации чистого сдвига

Чистый сдвиг наблюдается, например, на боковой поверхности прокатываемой полосы металла, у которой изменением ши-рины можно пренебречь.

Деформация простого сдвигазаключается в перемещении точек деформируемого тела лишь в направлении, параллельном одной осиZ, на расстояния, пропорциональные координатеY. Это означает, что плоскости, параллельные плоскостиХZ, скользят в направлении осиZ, причем получаемые отдельными скользящими плоскостями перемещения пропорциональны их расстояниям от плоскостиХZ(рис. 3.4).

Рис. 3.4. Схема деформации простого сдвига

При рассмотрении процесса резания металлов нас будет интересовать главным образом особый вид пластической деформации, каковой является простой сдвиг. Необходимо различать напряженное и деформированное состояния.

Напряжения являются мерой интенсивности сил, действующих на площади какой-либо поверхности тела. Напряжение определяется как отношение ΔР/ΔF, где ΔF – элементарная площадка, а ΔP– сила, действующая на эту площадку.

Подсчитанное таким образом напряжение называется условным, им оперируют в теории упругости и теории упругопластических деформаций, так как при этих видах деформации поперечное сечение образца изменяется пренебрежительно мало. В теории же больших (конечных) пластических деформаций почти всегда пользуются истинными (действительными) напряжениями, представляющими собой отношение действующей силы не к настоящему начальному сечению, а к фактическому в каждый данный момент деформации.