4.2. Факторы, влияющие на касательные напряжения, углы трения и сдвига

Касательные напряжения , которые характеризуют сопротивление обрабатываемых материалов пластической деформации в условиях резания, необходимо определять для расчета силы резания и напряженного состояния в зоне резания.

Напряженное состояние в значительной степени влияет на пластичность металла и его упрочнение в результате деформации. При растяжении образца металла на испытательной машине можно построить диаграмму деформационного упрочнения: интенсивность напряжений (гдеS– истинное напряжение) – интенсивность деформаций(гдее– истинная, т.е. логарифмическая деформация).

При простом растяжении материалы имеют относительно низкую пластичность и разрушаются при относительно небольшой деформации. Пластичность при резании существенно возрастает (табл. 4.1). Это объясняется тем, что в переходной пластически деформируемой зоне элементарные объемы срезаемого материала находятся одновременно под действием касательных напряжений и гидростатического давления, которое способствует увеличению пластичности. Кроме того, на пластичность материалов влияет высокая температура. Большая интенсивность деформации срезаемого слоя способствует его упрочнению, т.е. существенному увеличению .

Таблица 4.1 – Интенсивности деформации при растяжении образца и при резании

Марка материала	Механические свойства			при растяжении	при резании
	, Н/мм2	, Н/мм2	HB		от	до	от	до
Медь М1		245	74	2,3	3,5	6	1,5	2,6
Сталь 30	320	530	179	0,7	1,2	2	1,7	2,9
Сталь 30ХГСА	490	655	212…248	0,49	1,15	1,7	2,4	3,5
Сталь 9ХС	445	790	243	0,16	1,45	2,1	9	13

На величину влияют высокие скорости деформации при резании (скорости резания), локализация деформации и температуры в очень малых объемах срезаемого слоя, коэффициент температуропроводности металлов.

В частности, при резании с большими скоростями пластическая деформация локализуется в очень узкой переходной зоне. Поэтому при высоких скоростях резания будут возникать условия адиабатической деформации с очень высоким разогревом деформируемых слоев металла и, как следствие этого, понижение сопротивления деформации.

Установлено, что отношение /по мере уменьшения коэффициента температуропроводности металловуменьшается, т.е. сопротивление металлов пластической деформации нарастает в условиях резания тем медленнее, чем ниже их коэффициент температуропроводности.

При обработке углеродистых сталей можно определить по формуле

. (4.14)

Угол трения или сила трениястружки и передней поверхности инструмента– второй фактор, величина которого влияет на все параметры процесса резания.

Специфика трения при резании характеризуется возможностью контакта физически чистых (ювенильных) поверхностей стружки и инструмента и неравномерным распределением нормальных напряжений на передней поверхности, которые резко уменьшаются при удалении от режущей кромки.

Среднее значение коэффициента трения и тангенса угла трения определяется отношением двух сил (см. рис. 4.1)

. (4.15)

При определении значения μ необходимо рассмотреть различные условия резания.

1-й вариант

В зоне, примыкающей к режущей кромке инструмента, силы трения столь значительны, что касательные напряжения , развиваемые ими, оказываются большими, чем предел текучести на сдвиг материала стружки, и перемещение стружки относительно инструмента осуществляется за счет внутренних пластических сдвигов.

Установлено, что при высоких степенях деформации способность материала к упрочне­нию исчерпывается, и величина практически становится постоянной (), поэтому коэффициент трения в каждой данной точке контакта является функцией нормального давления

. (4.16)

В зоне, удаленной от режущей кромки, где нормальные напряжения значительно меньше, осуществляется внешнее трение двух упругих тел. В зоне упругого контакта коэффициент трения от нормального давления не зависит.

Так как большая часть нагрузки сосредоточена в зоне, примыкающей к режущей кромке инструмента, то усредненный коэффициент трения будет в основном подчиняться закономерности (4.16), т.е. будет существенно зависеть от нормального давления.

Зависимость влияния контактной температуры на коэффициент трения (),как показывают эксперименты, характеризуется тем, что при некотором значении≈ 300 °С, приобретает максимальное значение. При более высокой и низкой температурах величина коэффициента трения уменьшается.

Зависимость коэффициента трения от других факторов носит различный характер. Установлено, что для условий резания, характеризующихся наличием пластического контакта между стружкой и инструментом, средний коэффициент трения уменьшается с уменьшением переднего угла инструмента, увеличением скорости резания (если>300 °С) и возрастанием толщины среза а. Такое влияние,Vианаобъясняется главным образом ростом удельных нормальных давлений.

2-й вариант.

При перемещении стружки относительно передней поверхности инструмента реализуется только внешнее скольжение, при котором коэффициент трения не зависит от удельных нормальных давлений и практически не зависит от переднего угла инструмента и толщины среза.

Внешнее трение наблюдается при резании с применением смазочно-охлаждающих жидкостей. В этих условиях при обработке углеродистых легированных конструкционных сталей коэффициент трения можно определить из следующих эмпирических зависимостей, в которые подставляется в градусах:

(4.17)

при резании твердым сплавом марки Т5К10;

– (4.18)

при резании быстрорежущей сталью.

Влияние свойств материала режущей части инструмента характеризуется тем, что уменьшается при увеличении содержания в сплаве карбидов титана. Поэтому при резании твердым сплавом марки Т15К6 коэффициент трения составляет 0,9 от величиныпри резания сплавом марки Т5К10.

Угол сдвига является важнейшей характеристикой напряженно-деформированного состояния в срезаемом слое и влияет на все показатели процесса резания.

Переход элемента металла в стружку происходит при условии (4.4). Касательные напряжения в стружке вызываются нормальной силой N, и они тем больше, чем ближе рассматриваемое сечение к корню стружки. При определённых допущениях можно прийти к заключению, что наибольшие напряжения сдвига в стружке будут вызываться в сеченииСМ, отстоящем от режущей кромки на расстоянииАС(рис. 4.2), причем

АС = МСtg(₁– )= аK_L tg(₁– ), (4.19)

где K_L– коэффициент усадки стружки.

а)б)в)

Рис. 4.2. Схема к расчету величины угла сдвига : а) ;б) ;в)

При сечениеСМ проходит выше плоскости сдвига, при – совпадает с плоскостью, а припроходит выше плоскости сдвига, но выходит от режущего лезвия, а отрезокАСпереходит вМСи находится на наружной стороне стружки.

Исследуя схему напряжённо-деформированного состояния в зоне резания (рис. 4.2) и учитывая выше приведённые зависимости, можно получить уравнение

. (4.20)

Из уравнения (4.20) следует, что угол обусловливается не только величиной переднего углаи угла трения, но и фактически действующими в каждый данный момент касательными напряжениями в переходной пластически деформируемой зоне τ_сдв и в стружке τ_{сдв стр}, а также нормальными напряжениями на контактной поверхности стружки σ_Nср.

При значении уравнение (4.20) принимает вид

. (4.21)

После тригонометрических преобразований можно получить выражение

. (4.22)

Иной вид уравнение для определения угла получит в случаях, когда. Для того, чтобы найти его, используем уравнения (4.12) и (4.13), с учётом которых уравнение (4.20) перепишется в виде:

. (4.23)

Учитывая, что

,

и проделав тригонометрические выкладки, можно получить

. (4.24)

Формулы (4.22) и (4.24) в явном виде выражают зависимость угла сдвига от влияющих на него факторов.

Так как отношение Y =/характеризует склонность материала в условиях резания и превращения в стружку к упрочнению и разупрочнению, будем называть величинуYфактором (коэффициентом) упрочнения стружки. В общем случае значение Yможет быть как больше, так и меньше единицы.

При пластической деформации непрерывно борются два взаимно противоположных процесса – упрочнение и разупрочнение. Количественной оценкой результата этой борьбы в каждых конкретных условиях резания и является величина фактора упрочнения. В конечном итоге величина фактора упрочнения будет зависеть от температуры стружки, температуры рекристаллизации обрабатываемого металла и его жаропрочности.

Из формул (4.22) и (4.24) следует, что угол увеличивается при увеличении переднего угла инструментаи при увеличении фактора упрочненияY. Уголувеличивается также при уменьшении угла трения, еслиY > 1, но будет уменьшаться с уменьшением, еслиY < 1. При значенияхY, близких к единице, влияниенанезначительно, но наиболее значительно влияние изменения самогоY. С увеличением отклоненияYот значенияY = 1 влияниенаувеличивается, а влияние самогоYуменьшается.

При постоянной величине фактора упрочнения Yуголявляется функцией толькои. В частности, приY = 1 и приY = 1,5

и .

Для получения достоверных результатов коэффициент Yнеобходимо определять на основании замеров ряда величин непосредственно в процессе резания, что достаточно затруднительно.

В наиболее практически значимом диапазоне скоростей резания (достаточно высоких, исключающих наростообразование), при наиболее часто используемых в практике толщинах среза (0,1...1 мм) и передних углах (0°...20°) угол может быть найден из соотношения

, (4.25)

где – константа для каждого из обрабатываемых материалов, зависящая от их свойств.

С достаточной точностью значение при обработке углеродистых и легированных конструкционных сталей можно найти из зависимости

, (4.26)

где С – содержание углерода в стали, в процентах; е– основание натуральных логарифмов.