17.Процесс образования стружки и ее типы

Впервые процесс образования стружки при резании исследовал Тиме. Он тщательно полировал боковую поверхность образца, с которого на строгальном станке с небольшой скоростью снимал стружку, и по изменению (потускнению) вида полированной поверхности судил о зоне пластической деформации, возникающей под действием резца.

При перемещении резца частицы металла сначала сжимаются (рис. а). Затем наступает пластическая деформация, которая увеличивается до тех пор, пока не будет преодолена сила внутреннего сцепления частиц металла. В этот момент происходит скалывание элементов стружки и дальнейший их сдвиг в плоскости ВС. По наблюдениям Тиме, пластическая деформация распространяется в зоне, ограниченной углом Ψ, который он назвал углом действия. Соответственно угол β, назвал углом скалывания или углом сдвига, а плоскость ВС плоскостью скалывания.

Рассмотренный процесс образования стружки относится к пластичным материалам, обрабатываемым с большой толщиной среза и при малом угле резания δ.

Тиме впервые дал следующую классификацию стружек:

• сливная;

• скалывания или суставчатая;

• элементарная;

• надлома.

Стружка скалывания состоит из определенных элементов. Поверхность стружки, скользящая по передней поверхности резца, гладкая. Образуется стружка скалывания в результате обработки сталей и других пластичных материалов при большой толщине срезаемого слоя, относительно низкой скорости резания и небольшом переднем угле. При уменьшении толщины среза, повышении скорости резания и увеличении переднего угла отдельные элементы стружки станут менее отчетливыми и будут сходить без зазубрин внешний стороны (сливная стружка).

Если увеличить толщину среза, уменьшить скорость резания и передней угол γ, отдельные элементы стружки станут менее связанными, т.е. образуется элементная стружка. Эти три вида стружки получаются при обработке пластичных металлов.

При больших толщинах среза и больших значениях угла γ в случае обработки хрупких материалов происходит вырывание или откалывание крупных частиц неправильной формы – стружка надлома. Такая стружка образуется при обработке чугуна. Чугун плохо сопротивляется растяжению. При больших значениях угла γ в срезаемом слое появляются значительные напряжения отрыва σ_у, под действием которых происходит выламывание кусков металла.

Если увеличить скорость резания, то при обработке чугуна получится элементная стружка. При резании с высокими скоростями и чугун дает сливную стружку, которая легко разделяется на элементы по сравнению со сливной стальной стружкой, отличающейся монолитностью и сравнительно высокой прочностью.

Таким образом, на образование стружки влияют скорость резания, толщина среза, величина переднего угла γ, свойства обрабатываемого материала и другие факторы. Наибольший интерес представляет стружка сливная, образующаяся при обработке стали с высокими скоростями резания.

Опыты Тиме не выявили все детали процесса образования стружки. Первое уточнение было внесено Я.Г.Усачевым. Он впервые применил металлографический метод для изучения процесса стружкообразования: процесс резания мгновенно прекращался, стружка вместе с прилегающим металлом (или корень стружки) шлифовалась, полировалась, травилась, рассматривалась в микроскопе и фотографировалась.

Хотя отдельные элементы стружки скалываются под углом β₁, внутри каждого элемента сдвиг происходит под углом β₂. При этом β₂>β₁, а разность углов β₂–β₁≈30⁰.

Возникает вопрос, почему элемент стружки отделяется в направлении ВС, не совпадающем с направлением деформаций внутри элемента ВК. Известно, что пластическая деформация происходит по линиям скольжения до определенной величины. После того как деформируемый материал претерпел значительное упрочнение, или наклеп, разрушение происходит не по линиям скольжения, а по так называемым линиям разрыва, которые являются огибающими линий скольжения.

Линии скольжения ВК, наблюдаемые на шлифах корней стружки, являются линиями текстуры, т.е. линиями ориентации наибольших осей зерен металла, которые в процессе перехода в стружку получают сдвиговую деформацию именно на плоскости скалывания. При этом зерно, имеющее в первом приближении форму сферы, постепенно превращается в эллипсоид, большая ось которого составляет с плоскостью скольжения угол β₂.

Как уже говорилось, процесс образования стружки состоит из двух стадий: сжатия определенного объема металла, находящегося вблизи передней поверхности инструмента, а затем его скалывание. Можно предполагать, что направление деформаций внутри элемента стружки соответствует направлению линий скольжения, по которым металл течет на стадии сжаия. После того, как металл получит предельное упрочнение, наступит разрушение, которое, как уже отмечалось, пойдет по огибающей линии скольжения. Разрушение срезаемого слоя по линии ВС и приводит к образованию отдельного элемента стружки. Таким образом, в стружке отмечаются два направления пластической деформации. Первой под <β₂, второе – вдоль передней поверхности резца (зона «вторичной» деформации). Толщина зоны вторичной» деформации невелика и составляет менее 10% толщины стружки. Расстояние между зернами в этом слое в 30…40 раз меньше, чем расстояние между зернами в недеформированном металле.

В результате дополнительной деформации металл стружки получает значительное упрочнение. Твердость его возрастает в 1,5…2 раза по отношению к твердости исходного материала: чем ближе к передней поверхности, тем выше твердость. На некоторой длине стружка контактирует с инструментом, а затем отклоняется от него и завивается. При увеличении скорости резания радиус завивания стружки увеличивается (при υ≥100м/мин; r=∞).

Каждый из элементов стружки подвергается не только сдвигу, но и сжатию. Деформацию сдвига можно считать равномерной, а деформацию сжатия – непрерывной Сильнее сжимается та часть стружки, которая примыкает к передней поверхности резца, поэтому отдельные элементы стружки имеют форму трапеции, причем большее основание трапеции находится возле передней поверхности резца, что и приводит к завиванию стружки.

В соответствии с представлениями Тиме процесс перехода срезаемого слоя в стружку состоит в последовательных сдвигах слоев металла в направлении, которое определяется углом β₁, причем переходу элемента срезаемого слоя в элемент стружки способствует его пластическая деформация. Рядом исследователей в последнее время установлено, что зона деформаций не ограничивается углом действия, как это было представлено Тиме, а распространяется за ее пределами и даже под обработанной поверхностью, в результате чего возникают остаточные напряжения.