5.5. Теоретический анализ процесса сливного стружкообразования
Сливная стружка образуется в тех случаях, когда сопротивление сдвигам относительно не велико. В этих условиях отделение поверхностного слоя от заготовки сопровождается весьма интенсивными сдвигами, которые, однако, не приводят к нарушению сплошности образующейся стружки.
Вопрос о деформированном состоянии в срезаемом слое рассматриваем исходя из предположения, что оно является плоским.
Это достаточно точно соответствует действительности, если b больше a, когда все перемещения деформированных частиц срезаемого слоя практически происходят лишь в плоскости ZY (рис. 5.15, 5.16).
Рис. 5.15. Переходная пластически деформируемая зона в срезаемом слое металла
Рис. 5.16. Идеализированная схема превращения срезаемого слоя в сливную стружку
Частица срезаемого слоя (K), находящаяся на значительном расстоянии от режущего инструмента, свободна от напряжений и движется по направлению к инструменту с постоянной скоростью V (скорость резания). По мере приближения к режущему инструменту напряжения в рассматриваемой частице возрастают, и, когда они превзойдут определенный предел, частица начнет получать пластические смещения; величина и направление скорости движения этой частицы начнут изменяться, и, когда она перейдет в результате деформации в стружку (точка K′), скорость ее перемещения будет равна скорости стружки Vстр.
Изменение величины и направления скорости движения частицы K (от V до Vстр) происходит за время ее пребывания в некоторой переходной пластически деформируемой зоне AМm′a′, лежащей между упруго деформированными обрабатываемой деталью и стружкой (частицы срезаемого слоя, лежащие перед линией AN, деформируются только упруго; частицы, лежащие выше линии a′m′, также находятся лишь в упруго-напряженном состоянии, за исключением частиц тонкого контактного слоя, которые деформируются пластически и выше линии a′m′ вследствие трения при перемещении стружки по поверхности инструмента).
Область пластически деформируемого металла включает в себя две зоны: зону ANM, где возникает предварительная пластическая деформация сжатия под действием силы R – равнодействующей сил в зоне контакта стружки с инструментом, и зону пластических сдвигов AMm′a′, в результате которых и совершается переход частиц срезаемого слоя в частицы стружки. Сдвиг в зоне AMm′a′ происходит под действием силы Rсдв, которая является проекцией силы R на направление сдвигов.
Таким образом, пластическая деформация в переходной пластически деформируемой зоне совершается не только под действием сил, которые распределены на участке по поверхности инструмента Aa′, непосредственно контактирующем с переходной зоной, но главным образом под действием сил, распределенных на том участке поверхности, которая находится в контакте с уже отдеформированной и в данный момент только упруго напряженной стружкой: последние (силы) воздействуют на срезаемый слой, передаваясь на него через стружку. В этом и состоит принципиальная наиболее характерная особенность процесса пластической деформации металлов при резании с образованием сливной стружки, поскольку при резании с образованием элементной стружки деформация совершается под действием сил, непосредственно приложенных к поверхности деформируемого объема.
Точные границы и форма переходной пластически деформируемой зоны пока неизвестны, но определенно установлено, что она является в условиях резания весьма узкой и имеет протяженность по толщине порядка сотых долей миллиметра. Поэтому при теоретическом анализе процесса образования сливной стружки допускают упрощения и представляют переходную пластически деформируемую зону в виде параллелограмма, а линии скольжения в ней – прямыми линиями. При относительном движении инструмента и заготовки инструмент, перемещаясь от точки a к точке A, вызовет сдвиг в отделяемом слое металла под углом 1 к направлению относительного движения. В результате параллелограмм aAMm, принадлежащий срезаемому слою, трансформируется в параллелограмм a′AMm′, принадлежащий стружке. Когда высота h деформируемого элемента срезаемого слоя достигнет определенного значения, зависящего от свойств обрабатываемого материала, деформация этого элемента закончится, и он в целом претерпит сдвиг вдоль плоскости сдвига AM, что совпадает с началом деформации следующего элемента. Несмотря на то, что сливная стружка является сплошным телом, ее образование представляет циклический процесс. Каждый новый цикл в образовании сливной стружки начинается с деформации сжатия микрообъема металла, примыкающего к режущей кромке инструмента.
Относительное перемещение заготовки и инструмента приводит к увеличению поверхности непосредственного контакта переходной пластически деформируемой зоны с передней поверхностью инструмента, что вызывает, с одной стороны, прогрессирующее уменьшение напряжений, а также деформаций сжатия (несмотря на увеличение R) и прогрессирующее (вследствие увеличения силы Rсдв) нарастание деформации сдвига. Последнее выражается в том, что протяженность действительных линий скольжения возрастает. Наконец, создается такое положение, при котором сила Rсдв окажется достаточной для того, чтобы вызвать сдвиг по наиболее длинной линии скольжения, начинающейся у режущей кромки инструмента и выходящей на обрабатываемую поверхность заготовки. В этот момент завершится цикл образования элемента сливной стружки.
Таким образом, при образовании элемента сливной стружки имеет место наложение деформаций сжатия и сдвига, причем деформация сжатия играет существенную роль лишь в начальный момент образования элемента, основной же является деформация сдвига.
Исключительно сдвиговая деформация в срезаемом слое могла бы возникнуть лишь при том условии, что обрабатываемый металл обладал бы или бесконечно большим сопротивлением сжатию, или бесконечно малым сопротивлением сдвигу, т.е. свойствами, близкими к свойствам «идеальной жидкости». В этом случае пропала бы цикличность (элементность) в образовании сливной стружки. Поскольку у реальных металлов сопротивление сдвигу и сжатию – величины, хотя и различные, но соизмеримые, наличие локального сжатия деформируемой зоны срезаемого слоя и циклический характер стружкообразования являются неизбежными.