3.2. Классификация стружек. Методы исследования процесса стружкообразования

Процесс отделения поверхностного слоя металла от основной массы заготовки в зависимости от условий резания совершается с образованием элементной (прерывистой) стружки, состоящей из изолированных друг от друга элементов, или сливной (непрерывной) стружки.

Каждый из этих двух видов стружкообразования имеет свои закономерности, отражающие свойства металлов, проявляемые ими в различных условиях пластической деформации.

Образование элементной стружки заключается в том, что резец, внедряющийся в обрабатываемую заготовку под действием силы R (рис. 3.5), преодолевает сопротивление деформации обрабатываемого материала. По мере проникновения резца в заготовку сопротивление деформации увеличивается, что обусловливает увеличение силыR. Так происходит до того момента, пока в результате прогрессирующей пластической деформации запас пластичности обрабатываемого материала не будет исчерпан, т.е. он не перейдет в хрупкое состояние, после чего возникает трещина, начинающаяся у лезвия инструмента и выходящая на поверхность обрабатываемой заготовки. Получающаяся стружка называется стружкой отрыва.

В большинстве случаев трещина вдоль поверхности разрыва не появляется, а это означает, что среда вблизи поверхности разрыва не достигла в предельного (хрупкого) состояния. В этом случае стадия сжатия срезаемого слоя резцом будет продолжаться лишь до того момента, пока составляющая R_сдв силыR(см. рис. 3.5) не окажется достаточной, чтобы вызвать скалывание (сдвиг) элемента стружки по плоскости, составляющей угол β₁с направлением скорости резания. Так образуется стружка скалывания.



Рис. 3.5. Схема образования стружки скалывания при резании

Я.Г. Усачевым были обнаружены деформации внутри деформированного элемента срезаемого слоя. Он показал, что направление максимальной вытянутости зерен составляет с направлением вектором скорости резания (рис. 3.6) угол β₂ , при чем β₂ – β₁ = 0…30º, а за пределами сектораABCдеформации в стружке не имеют определенного направления, изменяясь от направленияACдо направления, параллельного передней поверхности инструмента в слоях, непосредственно примыкающих к передней поверхности.

Стружки скалывания образуются при обработке пластичных металлов с небольшой скоростью резания, когда удаляется слой значительной толщины инструментом с большим углом резания, а при обработке хрупких металлов (чугун, твердая бронза) возникает стружка надлома (см. рис. 3.6).



Рис. 3.6. Схема образования стружки надлома

Резец, внедрившись в обрабатываемый материал, не сдвигает элемент стружки, а вырывает его. Происходит это за счет того, что срезаемый слой металла при обработке хрупких материалов почти не деформируется.

Под воздействием инструмента в обрабатываемом материале возникают упругие деформации и напряжения сжатия в направлении движения резца. В перпендикулярном направлении появляются напряжения растяжения, а чугун, как известно, плохо сопротивляется растягивающим напряжениям. Поэтому при резании хрупких материалов сопротивление отрыву в удаляемом слое будет превышено раньше, чем его сопротивление сдвигу, что и приведет к образованию элемента стружки надлома. Поверхности разрыва новых элементов получаются неровными и имеют зернистое строение.

Сила резания при образовании элементных стружек не постоянна, а циклически изменяется от минимума до максимума.

Уменьшение толщины среза или увеличение угла инструмента при резании пластичных металлов способствует появлению сливных стружек, процесс образования которых представляет значительный практический и теоретический интерес.

Ранее исследователи процесса резания металлов, начиная с И. А. Тиме, использовали для изучения механизма процесса стружкообразования метод наблюдения за боковой поверхностью образца, подвергающегося обработке в условиях свободного резания. И.А. Тиме предварительно тщательно полировал боковую поверхность и оценивал зону пластических деформаций, возникающие в обрабатываемом материале под действием инструмента, по потускнению и сморщиванию полированной поверхности.

Никольсон наносил на боковую поверхность образца сетку(метод координатной сетки) и, основываясь на наблюдении деформации этой сетки в процессе резания, делал выводы о деформациях, которые происходят в материале при превращении его в стружку. Наблюдение за боковой поверхностью образца позволяет определить границы наиболее интенсивно пластически деформированной зоны металла впереди резца и под резцом, а по искажению первоначально нанесенной сетки можно судить о величине пластической деформации в каждой точке этой зоны.

Метод наблюдения за боковой поверхностью образцабыл значительно развит и усовершенствован на основе применения кинематографической съемки. Высокочастотная кинематографическая съемка процесса резания позволяет проследить последовательность явлений в процессе стружкообразования значительно полнее, чем это можно было сделать невооруженным глазом. В настоящее время частота, применяемая при киносъемке процесса резания, достигает более 100000 кадров в секунду.

Я.Г. Усачев разработал микроскопический метод исследования деформации в процессе стружкообразования. При использовании этого метода резание прекращается таким образом, чтобы сохранить стружку в том виде, в каком она была в процессе ее образования. Затем стружка, не потерявшая связи с деталью, вырезается вместе с участком основного материала, не подвергнутого резанию, полируется по боковой поверхности и травится соответствующими реактивами. Выявленная таким путем структура деформации стружки изучается под микроскопом при увеличении в 15…100 раз.

Косвенные данные о пластических деформациях в обрабатываемом материале позволяет получить метод измерения твердости. Он заключается в том, что каким-либо из наиболее тонких методов (например, прибором для определения микротвердости ПМТ-3) измеряется распределение микротвердости в стружке и примыкающих к ней участках основного материала, не подвергнутого резанию.

Возрастание твердости в пластически деформированных областях по сравнению с исходной твердостью обрабатываемого материала позволяет судить об интенсивности пластических деформаций, происшедших при резании.

Для изучения напряжений, возникающих при резании в детали и режущем инструменте, исследователями А. К. Зайцевым, Кокером, Окоши и Фукуи применялся поляризационно-оптический метод. Исследования этим методом проводились на моделях, в которых обрабатываемая деталь, или инструмент изготавливались из прозрачного материала. Модель помещалась между поляризатором и анализатором и рассматривалась в поляризованном свете. При этом все точки прозрачной модели, имеющие одинаковую разность главных нормальных напряжений, дают один и тот же цвет. В результате на экране появляются окрашенные в различные цвета линии (изохроматические линии). Так как каждому цвету соответствует одинаковая разность главных нормальных напряжений, то это одновременно позволяет выявить и линии с одинаковой величиной касательных напряжений. При измененной установке модели между поляризатором и анализатором можно выявить те точки, в которых главные напряжения взаимно перпендикулярны (изоклинические линии). Зная эти линии, можно построить линии одинаковых направлений максимальных касательных напряжений.

При обработке резанием пластические деформации охватывают не только срезаемый слой, но и распространяются под обработанную поверхность детали, вызывая сильное измельчение зерен и появление преимущественной ориентации их текстуры, то есть преимущественной ориентировки зерен в определенном направлении. Чисто механическое воздействие и сильный надрыв поверхностных слоев металла обусловливают появление в последних значительных остаточных напряжений.

Для изучения деформаций и напряжений под обработанной поверхностью детали, кроме методов, применяемых для изучения деформаций в срезаемом слое металла, используются дополнительно механический и рентгенографический методы.

Механический метод применяется для определения внутренних напряжений первого рода, т.е. таких, которые уравновешиваются которые уравновешиваются в объеме всего тела. Он основан на том, что после механического удаления части тела это тело под влиянием остаточных напряжений, ставших неуравновешенными, деформируется. По величине деформаций можно судить о величине существовавших в теле внутренних напряжений. Изучение внутренних напряжений в поверхностных слоях детали механическим методом заключается в том, что с образца последовательно удаляют (травлением) тонкие поверхностные слои и измеряют возникающие при этом деформации образца. Наиболее известен и получил широкое применение механический метод Н.Н. Давиденкова.

Рентгенографический метод применяется при определении деформаций в поверхностном слое детали (измельчение зерен и образование текстуры), а также для определения внутренних напряжений второго и третьего рода, т.е. таких которые распространяются на отдельные зерна или группы зерен (микронапряжения) и относящиеся к искажениям атомной решетке кристалла (субмикронапряжения).

Этот метод основан на том, что изменения, происходящие в металле при пластической деформации, отражаются на характере рентгенограмм. Измельчение зерен отражается на рентгенограмме в увеличении количества точек, из которых состоят интерференционные кольца; внутренние напряжения, изменяющие параметры кристаллической решетки, приводят к смещению и размытости интерференционных колец; наличие текстуры приводит к утолщению интерференционных колец.

При рентгенографическом исследовании деформаций и напряжений под обработанной поверхностью детали рентгенограммы с образца снимаются многократно, причем перед каждым рентгенографированием с поверхности стравливается слой определенной толщины. Рентгенографирование прекращается после того, как весь слой, подвергнутый деформации, оказался стравленным.

Кроме описанных, известны еще и другие методы определения зоны, охваченной пластическими деформациями при резании (например, метод рекристаллизации, разработанный В.Д. Кузнецовым). Однако они не получили широкого применения.